樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

在這個變暖的世界里,全世界的森林會發生什麼?因為大氣中增加的二氧化碳而生長得更加高大?又或者因為極端溫度和降水,生長受到抑制?這一切都取決於光合作用和樹木細胞生長這兩個樹木生長限制因素中,哪個佔據主導地位。這是樹木生物學中的一個基本問題,但長久以來,答案卻不太清楚。

在本周的《科學》雜誌上,由猶他大學的研究人員領導的一項研究發現,真正限制樹木生長的通常不是光合作用,而是細胞生長。這表明在氣候變化中,我們需要重新思考預測森林生長的方式:未來的森林可能無法像我們想象的那樣從大氣中吸收那麼多的碳。

樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

“一棵樹的生長就像馬車在路上向前移動,”領導這項研究的William Anderegg教授說,“但我們基本上不知道常見的‘馬’究竟是光合作用還是細胞膨大和分裂。”

我們在小時候就學習了樹木生長的基礎知識。樹木通過光合作用生產食物,將陽光、二氧化碳和水轉化為樹葉和木材。不過,這個故事還有更多內容。要將從光合作用中獲得的碳轉化為樹木,需要樹木細胞膨大和分裂。

樹木通過光合作用從大氣中獲取碳,這是樹木的碳源;隨後,樹木利用這些碳來建造新的樹木細胞,這是樹木的碳匯

樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

如果樹木的生長是受碳源限制的,那麼它的限制因素只在於樹木可以進行多少光合作用,那麼在數學模型中可以相對容易地預測樹木的生長。因此,大氣中不斷上升的二氧化碳應該會緩解這種限制,讓樹木長得更高大,對吧?

但如果相反,樹木的生長是由碳匯決定的,那麼樹木的生長速度只能與細胞分裂的速度一樣快。許多因素可以直接影響光合作用和細胞生長速率,包括溫度、可獲取的水和養分。因此,如果樹木生長由碳匯決定,模擬樹木的生長時,就必須把這些因素對碳匯的影響包括在內。

研究人員通過比較北美、歐洲、日本和澳大利亞的樹木的碳源和碳匯來檢驗這個問題。測量碳匯相對容易,研究人員從包含生長記錄的樹木中收集樣本。測量樹木年輪上每個環的寬度,基本上可以重建樹木生長的過程。

樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

相比之下,測量碳源雖然是可行的,但更加困難。源數據是使用 78 個至少9米高的渦度協方差塔測量的,這些塔在三個維度上測量森林樹冠頂部的二氧化碳濃度和風速。基於這些測量和其他一些計算,科研人員可以估算出森林林分的總森林光合作用。

樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

研究人員分析了他們收集的數據,試圖尋找證據證明樹木生長和光合作用是相互關聯或耦合的過程。然而,他們沒有找到這樣的聯繫。當光合作用增加或減少時,樹木生長沒有隨之變化。

“在樹木生長受到資源限制的情況下,預計光合作用和樹木生長之間會出現強耦合,”論文第一作者Antoine Cabon博士說,“然而我們主要觀察到的卻非強耦合,這使我們得出結論證明樹木的生長不是由碳源決定的。”

令人驚訝的是,這種解耦脫鉤現象出現在全球環境中。研究人員確實已預計會在某些地方看到一些脫鉤,但他們沒想到這種解耦模式如此普遍。

研究人員感興趣的是,什麼條件導致更強或弱的解耦。例如,結果實和開花的樹木與針葉樹表現出不同的碳源碳匯關係。森林中的多樣性增加了耦合,而密集的、互相覆蓋的葉冠減少了耦合。

樹木生長由什麼決定?最新《科學》:我們可能弄錯了

這項研究還發現,碳源與碳匯的問題取決於樹木所處的環境和氣候,這意味着氣候變化可能會重塑世界森林資源和碳匯限制的分布圖。

這項研究帶來的一個重要洞見是,在使用數學方程和植物特徵來估計未來森林生長時,可能需要更新植被模型,因為目前幾乎所有模型都假設樹木的生長是由碳源決定的。

例如,目前的植被模型預測,隨着大氣中二氧化碳含量的增加,森林將更加茁壯地成長。然而事實上,樹木的生長通常受到限制,這意味着對於許多森林來說,實際上森林可能不會隨着二氧化碳的增加而變多。

目前森林吸收和儲存了全球二氧化碳排放量的四分之一。但如果森林增長放緩,森林吸收碳和減緩氣候變化的能力也會下降。因此,這項研究提醒我們,緩解氣候危機可能要比我們想象得更具挑戰性。