不同水热条件下典型森林植物叶片的温度调节机制和热力安全阈值研究

Since the 21st century, the frequency, intensity and duration of heatwaves have been strengthened. The thermal safety of plants and ecosystems has aroused wide concern. Thermal safety can not be evaluated only by the tolerant temperature or leaf temperature, it should be determined by the difference range between the two parameters, i.e. thermal safety margin. There have been very few studies on this issue until now. Transpiration and leaf physical traits regulate leaf temperature to some extent. Thermal regulation strategies differ among forests from different biomes. The present project will choose four typical forests in contrasting hydraulic and thermal biomes: Yuanjiang savanna vegetation, Xishuangbanna tropical rain forest, Ailao mid-montane humid evergreen broad-leaved forest, and Lijiang cold-temperate conifer forest. We plan to measure critical heat tolerant temperatures of the leaves of the dominant canopy tree species and monitor leaf temperature with thermal camera on canopy cranes or meteorology towers, and calculate their thermal safety margins. The cooling effect of transpiration and thermal effect of leaf physical traits will be separated by “3 temperatures” method to obtain the thermal regulation strategies of leaves. We aim to study the trends of leaf thermal traits and their relationships along precipitation and thermal gradients, evaluate the potential heat threats to different biomes, and provide theoretical evidences of the responses of ecosystems to climate change.

二十一世纪以来，高温热浪事件发生的频率、强度和持续时间呈加强态势。植物和生态系统的热力安全引发了人们的广泛关注。叶片的热力安全不能仅凭热耐受温度或叶片温度判断，而是取决于二者的差值范围，即热力安全阈值，至今这方面的研究极少。叶片蒸腾和物理性状在一定程度上具有调节叶片温度的作用，不同植物类群有不同的温度调节机制。本研究拟选择处于不同水热条件下的四种典型森林：元江干热河谷萨王纳植被，西双版纳热带雨林、哀牢山中山湿性常绿阔叶林、丽江寒温带针叶林，测量冠层优势植物叶片的热耐受温度。凭借塔吊、气象塔，利用红外热像仪测量各样点冠层优势植物的叶片温度，计算其热力安全阈值。利用“三温法”，定量地分离叶片的蒸腾降温和物理热效应，以得到叶片的温度调节机制。研究不同水热条件下，植物叶片热力性状的变化，以及各热力指标之间的关系，评估极端高温对不同植被类型的潜在威胁，为预测气候变化对生态系统的影响提供理论依据。

随着极端天气强度和频度的增加，人们对于森林生态系统抵御极端气候的能力日益关注。传统观点认为，植物的耐热性越强，在极端高温下越安全。但对于植物叶片来说，不同物种在相同环境下，叶片温度会有很大差异，耐热性强的物种，有可能叶片温度也高。而叶片耐受的极端温度与叶片温度的差值才能反映植物的热力安全阈值。人们对于动物的热力安全阈值已经有大量研究，而对于植物的热力安全阈值研究才刚刚起步。我们对云南省的元江热带萨瓦纳灌木林(SAV)、西双版纳热带雨林(TRF)、哀牢山亚热带常绿阔叶林(STF)以及丽江温带针阔混交林(TEF)的顶层优势树种的叶片温度、耐热性以及叶片的形态、光学、物性和生理性状进行了系统研究。结果表明，叶片的降温能力随着环境温度的升高而增强，增温能力随着环境温度的降低而增强。虽然冠气温差从SAV，TRF，STF 到TEF逐渐升高，但叶片温度呈现相反的趋势。在2019年的高温热浪中，热带萨瓦纳灌木林的冠层植物叶片已达到热力耐受的极端温度，热力安全阈值表现为：SAV < TRF < STF = TEF。但耐热性却呈现相反的趋势：SAV = TRF > STF > TEF。由此可见，耐热性并不能反映植物的热力安全。但是叶片最高温与热力安全阈值呈现高度负相关，而叶片温度可以通过红外热像仪实时监测，这为我们提供了一种实时监测植物热力安全的新思路。为了减少工作量，前人常用当地最高气温来计算植物叶片的热力安全阈值，这不会改变样地平均值之间的排序，但是会高估叶片的热力安全阈值，而且在越冷的森林中高估越严重，在同一森林中，叶片温度越高高估越严重。.本研究系统地研究了不同气候带植被冠层植物的叶片温度调节机制以及他们的热力适应策略，定量评估了高温热浪下这些植物的热力安全，增进了人们对植物对环境的适应性认识，为叶片热力安全阈值的计算方法提供了新的视角。