隨著氣候變化的加劇,海平面上升以及頻繁的海水潮汐新增了沿海地區土壤鹽分,土壤鹽分新增引起的鹽度脅迫對生態系統結構和功能造成很大影響,加速了森林的衰退死亡,產生越來越多的“ghost forests”。現時對於氣候變化下乾旱脅迫等導致全球樹木死亡的水力學機制的研究已有很多,但是關於鹽脅迫引起的非鹽生樹木死亡的水力學機制仍然存在不足。
中國科學院沙坡頭沙漠研究試驗站研究團隊與國內外合作者通過對太平洋西海岸北美雲杉(Picea sitchensis)的連續監測,探討了生態系統尺度內鹽度梯度變化下樹木死亡過程中氣體交換和水力特徵的變化。研究發現,在2013-2019年間,頻繁的海水潮汐新增了該區土壤鹽分。研究期間,隨著土壤鹽分的新增,樹木活冠綠度(PLFC)急速下降,死亡率急劇上升,並且葉片鹽度在瀕臨死亡的樹種中越高。在樹木死亡過程中,對樹木水力學特徵的測定發現,氣體交換參數和木質部導水率(Ks)顯著降低,導水損失百分比(PLC)和膨脹損失點(πtlp)新增。
水力和滲透特徵的變化反映了鹽脅迫導致樹木水力功能下降,瀕臨死亡的樹木無法支持滲透調節。樹木莖水准的水力損失和葉水准的膨壓調節失敗限制了碳交換。研究還發現,葉片鈉離子(Na+)濃度與氣體交換及關鍵水力參數(A,gs,Ks、PLC和πtlp)之間存在顯著的相關關係,表明離子積累的毒性作用使植物細胞損傷,揭示鹽脅迫下納離子在植物中富集使植物水力傳輸系統和膨壓損傷,導致樹木衰退死亡。
該研究成果為氣候變化下鹽脅迫引起離子積累的毒性作用對植物細胞功能的損傷導致樹木水力系統損傷提供了强有力的證據,為鹽脅迫導致樹木衰退的水力學機制以及氣候變化下未來植被動態預測提供了重要的見解。該成果以Seawater exposure causes hydraulicdamage in dying Sitka-spruce trees為題發表於植物學領域Top期刊Plant Physiology(IF=8.34)上。中科院沙坡頭站特別研究助理張紅霞博士為論文第一作者,關德新研究員為論文通訊作者,該研究得到國家自然科學基金(4162100141975150)資助。
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圖12013和2018年樹木死亡的衛星對比影像
圖2樹冠死亡率(PLFC)與碳同化速率(A)、邊材比導率(Ks)和膨壓損失點(πtlp)的關係
圖3主要樹木功能性狀、葉片Na+離子濃度及樹冠死亡率(PLFC)的主成分分析(PCA)
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