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[论文动态] 聂明课题组在《科学》发文探讨植物生长对气候变化响应机制

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作为当代人类社会所面临的最严峻挑战之一,人类活动引发的大气CO2浓度升高可以直接或者间接导致气候变暖、海平面上升、生物多样性丧失、极端天气频发等系列全球变化事件。植物是生态系统的生产者,通过光合作用固定大气中CO2,对于平衡与缓解气候变化起到关键作用。因此,阐明植物对大气CO2浓度升高的响应与反馈机制,是预测气候变化趋势和制定气候变化应对策略的关键科学议题。

  

生态学科青年千人聂明课题组以生态系统物质循环为研究对象,围绕“全球变化与生物圈的相互作用”这一热点领域,探讨关键生态系统功能的演变趋势。近年来,通过全球变化受控实验、室内微宇宙实验与数据整合等途径,发现植物对大气CO2浓度升高的正反馈效应可提高生态系统长期的碳汇潜力(如,Nie et al.,  Global Ecology and Biogeography  2013, 22: 1095–1105; Nie et al.,  Agriculture, Ecosystems & Environment  2016, 224: 50-55)(图1)。但是,相关研究还无法解释不同植物功能群对大气CO2浓度升高的响应模式与机制。

  

1:大气CO2浓度升高促进了植物的生长

  

C3与C4植物是生态系统最为主要的两大植物功能群;尽管C4植物仅占植物种类的3%,却储藏着全球陆地25%的植物生物量,是人类与动物的主要食物来源,同时约80%的外来恶性入侵植物也属于C4植物,预测未来C4植物的生长与分布对于人类社会极为重要。传统观点认为,在大气CO2浓度升高背景下C3植物将逐渐占优势。但是,通过长达20年的野外受控实验,美国科学院院士Peter Reich与Sarah Hobbie教授与合作者在《科学》发表文章推翻了这一观点,表明大气CO2浓度升高对C4植物生长的促进作用更强,仅依靠光合作用的生理差别无法解释长期生态系统水平上的真实情况(Reich et al.,  Science  2018, 360: 317–320),并得到了同期《科学》上的研究评述(Perspectives)(Hovenden and Newton,  Science  2018, 360: 263–364)。尽管如此,对此长期实验结果的机制分析仍然存在不确定性。

  

聂明课题组以前期参与的美国农业部PHACE项目相关结果,结合历史气候数据,从机制上解释了C4植物对大气CO2浓度升高响应更强的原理,即由于C4植物为暖季植物(warm-season plants),大气CO2浓度升高对C4植物的强促进作用缘于气温上升所致(图2)。研究结果有助于更为精确地揭示不同植物功能群对气候变化的响应强度,提示将多重气候变化因子纳入到植物生产力模型和全球碳模型对于预测未来气候变化有着重要的指导意义。

  

2:  大气CO2浓度升高(eCO2)对C4植物生物量的促进作用在温度增加的背景下变得更强。

  

该研究得到了复旦大学李博教授与方长明教授和中科院沈阳生态所梁超研究员的参与指导,得到了国家重点研发项目(2017YFC1200100)、国家青年千人项目、国家自然科学基金(41630528和31670491)的资助。研究成果于2018年8月31日在线发表于《科学》期刊。

论文网页链接:http://science.sciencemag.org/content/361/6405/eaau3016?rss=1