生物驱动的森林冠层水汽通量对全球变化因子响应的研究

As plants transitioned from water to land, the evolution of vascular plants with roots and stoma marked the beginning of direct movement of soil water into the atmosphere via plants. Subsequently, this process has radically changed the hydrological cycle, climate and ecology of the planet. Plant transpiration is therefore considered a key physiological means for adaptation of the earth system to climate change. Ecosystems respond and acclimate themselves to environmental transitions by adjusting their water vapor flux. The inability of current technologies to separate plant transpiration – the largest fraction of land surface vapor flux – from evaporation, combined with stomatal sensitivity to a changing environment and the constraint of hydraulic traits, means there is great uncertainty about the vapor exchange between forest canopy and atmosphere and its regional hydrological effect. Based on previous research, we propose that the adaptive coordination between hydraulic traits can be explained in terms of an optimal stomatal strategy for controlling canopy vapor flux. By establishing a global change factor research transect in lower subtropical China and controlled experiments in the field, we will study the driving mechanisms of sap flow - integrated forest canopy vapor flux in response to global change factors and its hydrological effects. These research results are expected to reduce uncertainty in climate modeling and in the predictions of the response of water resource systems to climate change, and to address the state interest in “Enhancing adaptability and coping ability of ecosystems to climate change”.

生物由水向陆演变，诞生了拥有根和气孔的维管植物，开始了土壤水分经植物以水汽形式进入大气的过程而根本改变地球的水文、气候和生态，是地球系统适应气候变化的生理驱动力。水汽是最重要的温室气体，生态系统正是通过调整水汽通量适应环境的变迁。目前的主流技术未能有效区分陆表水汽通量中比例和变异最大的气孔蒸腾和相对固定的表面蒸发，加上气孔对环境变化的敏感性和受树木水力性状的制约，人们对森林冠层与大气的水汽交换及其水文效应的认识存在争议。基于已往的研究积累，我们提出“水力性状间的协同适应是气孔控制冠层水汽通量的最优行为策略”的观点，依托南亚热带全球变化因子梯度变化平台并结合野外控制实验，研究和阐明以树干液流整合的森林冠层水汽通量对全球变化因子响应的生物学驱动机制及水文效应。研究结果有助于减少气候模型预测的不确定性和降低水资源系统对气候变化的脆弱性，最终服务“增强生态系统适应和应对气候变化的能力”的国家需求。

我国南亚热带地区具有降水格局变化、氮沉降增加和城市化的全球变化特征。气孔蒸腾连接土壤圈-生物圈-大气圈，关系到水资源的分配，因此，研究基于气孔的森林冠层水汽通量对全球变化因子的响应，是认识该过程的生物驱动机理和持续利用水资源的关键。本项目依托全球变化因子梯度变化样带和模拟控制实验平台，研究了基于树干液流的森林冠层水汽通量对降雨格局变化、氮沉降和城市化响应的变化规律和适应性，探讨了森林冠层水汽通量对全球变化因子响应的水文效应。.研究发现：（1）降水格局的变化将加强次生常绿阔叶林部分树种获取水资源的优势，而削弱其他树种的优势地位，从而引起群落的组成结构发生变化，但森林总蒸腾维持不变；（2）氮添加对南亚热带常绿阔叶林不同林冠层次的影响差异显著，低浓度的林冠施氮明显影响上下冠层的蒸腾，对降雨的水文消耗比高浓度处理和林下施氮来得明显，森林蒸腾对施氮处理方式的响应明显不同，林下施氮未能准确反映氮沉降增加对冠层蒸腾的效应；（3）城乡环境梯度下树木液流密度与微气象因子的关系偏弱，而与空气污染物浓度相关性较高，城区较高的污染物浓度增加树木的营养，是提高水分传输的水力效率的重要原因；（4）南亚热带阔叶树种的气孔导度比针叶树种高，对水汽压亏缺的响应更为显著，加之叶面积、比叶面积、胡泊值和根系深度的差异，阔叶林比针叶林对集水区的产水量和水量平衡更具有威胁。（5）桉树林全年蒸腾与空气水汽压亏缺呈线性关系，气孔对蒸腾的调节呈现非保守性的用水策略，结合干季桉树蒸腾与水文参数的比值，南亚热带种植桉树会对集水区的水文环境造成威胁。.综上，降雨格局变化、氮沉降和城市化对森林水分蒸腾的影响无不与树木水力性状的调整和适应性协调作用、尤其是气孔与水力结构的协同有关，本项研究证明了 “水力性状间的协同适应是气孔控制冠层水汽通量的最优行为策略“理论假说，具有重要的科学价值。项目执行过程中，已发表SCI论文33篇（第一标注30篇）。