树木生长由什么决定？最新《科学》：我们可能一直弄错了

▎药明康德内容团队编辑

在这个变暖的世界里，全世界的森林会发生什么？因为大气中增加的二氧化碳而生长得更加高大？又或者因为极端温度和降水，生长受到抑制？这一切都取决于光合作用和树木细胞生长这两个树木生长限制因素中，哪个占据主导地位。这是树木生物学中的一个基本问题，但长久以来，答案却不太清楚。

在本周的《科学》杂志上，由犹他大学的研究人员领导的一项研究发现，真正限制树木生长的通常不是光合作用，而是细胞生长。这表明在气候变化中，我们需要重新思考预测森林生长的方式：未来的森林可能无法像我们想象的那样从大气中吸收那么多的碳。

“一棵树的生长就像马车在路上向前移动，”领导这项研究的William Anderegg教授说，“但我们基本上不知道常见的‘马’究竟是光合作用还是细胞膨大和分裂。”

我们在小时候就学习了树木生长的基础知识。树木通过光合作用生产食物，将阳光、二氧化碳和水转化为树叶和木材。不过，这个故事还有更多内容。要将从光合作用中获得的碳转化为树木，需要树木细胞膨大和分裂。

树木通过光合作用从大气中获取碳，这是树木的碳源；随后，树木利用这些碳来建造新的树木细胞，这是树木的碳汇。

▲碳源与碳汇对树木生长的限制（图片来源：10.1126/science.abo6547）

如果树木的生长是受碳源限制的，那么它的限制因素只在于树木可以进行多少光合作用，那么在数学模型中可以相对容易地预测树木的生长。因此，大气中不断上升的二氧化碳应该会缓解这种限制，让树木长得更高大，对吧？

但如果相反，树木的生长是由碳汇决定的，那么树木的生长速度只能与细胞分裂的速度一样快。许多因素可以直接影响光合作用和细胞生长速率，包括温度、可获取的水和养分。因此，如果树木生长由碳汇决定，模拟树木的生长时，就必须把这些因素对碳汇的影响包括在内。

研究人员通过比较北美、欧洲、日本和澳大利亚的树木的碳源和碳汇来检验这个问题。测量碳汇相对容易，研究人员从包含生长记录的树木中收集样本。测量树木年轮上每个环的宽度，基本上可以重建树木生长的过程。

▲用于测定年轮宽度的树木材料（图片来源：Antoine Cabon）

相比之下，测量碳源虽然是可行的，但更加困难。源数据是使用 78 个至少9米高的涡度协方差塔测量的，这些塔在三个维度上测量森林树冠顶部的二氧化碳浓度和风速。基于这些测量和其他一些计算，科研人员可以估算出森林林分的总森林光合作用。

▲研究使用的涡度协方差塔（图片来源：Antoine Cabon）

研究人员分析了他们收集的数据，试图寻找证据证明树木生长和光合作用是相互关联或耦合的过程。然而，他们没有找到这样的联系。当光合作用增加或减少时，树木生长没有随之变化。

“在树木生长受到资源限制的情况下，预计光合作用和树木生长之间会出现强耦合，”论文第一作者Antoine Cabon博士说，“然而我们主要观察到的却非强耦合，这使我们得出结论证明树木的生长不是由碳源决定的。”

令人惊讶的是，这种解耦脱钩现象出现在全球环境中。研究人员确实已预计会在某些地方看到一些脱钩，但他们没想到这种解耦模式如此普遍。

研究人员感兴趣的是，什么条件导致更强或弱的解耦。例如，结果实和开花的树木与针叶树表现出不同的碳源碳汇关系。森林中的多样性增加了耦合，而密集的、互相覆盖的叶冠减少了耦合。

▲这项研究揭示了碳源与碳汇对树木生长的影响（图片来源：Antoine Cabon）

这项研究还发现，碳源与碳汇的问题取决于树木所处的环境和气候，这意味着气候变化可能会重塑世界森林资源和碳汇限制的分布图。

这项研究带来的一个重要洞见是，在使用数学方程和植物特征来估计未来森林生长时，可能需要更新植被模型，因为目前几乎所有模型都假设树木的生长是由碳源决定的。

例如，目前的植被模型预测，随着大气中二氧化碳含量的增加，森林将更加茁壮地成长。然而事实上，树木的生长通常受到限制，这意味着对于许多森林来说，实际上森林可能不会随着二氧化碳的增加而变多。

目前森林吸收和储存了全球二氧化碳排放量的四分之一。但如果森林增长放缓，森林吸收碳和减缓气候变化的能力也会下降。因此，这项研究提醒我们，缓解气候危机可能要比我们想象得更具挑战性。

参考资料：

[1] What we’re still learning about how trees grow. Retrieved May 9, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/951889

[2] Antoine Cabon et al., (2022) Cross-biome synthesis of source versus sink limits to tree growth. Science DOI: 10.1126/science.abm4875

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