馮兆忠教授團隊在環(huán)境變化對楊樹水分利用效率影響方面取得新進展，該項成果近期正式發(fā)表于國際森林生態(tài)領(lǐng)域的重要刊物Forest Ecology and Management 上。

本研究主要研究了兩個方面：一個是未來臭氧升高是否抑制了楊樹的水分利用效率，另一個是如果限制楊樹的供水，能不能降低臭氧的負面影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臭氧污染損害了楊樹的光合能力并導(dǎo)致了水分利用效率的降低，但是限制供水也不能消除臭氧對水分利用效率的負面影響。

（一）研究背景

目前還不清楚O3和水分限制的生理反應(yīng)是如何相互作用來影響整個葉片的水分利用效率（WUE），以及這些水分利用效率的響應(yīng)將可能如何影響生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

（二）科學(xué)問題&研究方法&假設(shè)和結(jié)果

1、科學(xué)問題：升高的O3濃度和有限供水對WUE分別的影響以及交互作用對其的影響。

北京延慶實驗站開頂式氣室

2、研究方法：開頂室，O₃敏感型楊樹苗。 研究期間土壤水分含量（soil water content）隨不同O₃濃度-供水狀況變化情況見圖1。

圖1  臭氧和控水處理下的土壤含水量

3、假設(shè)和結(jié)果：

（1）假設(shè)：O3升高會導(dǎo)致光合能力受損以及氣孔調(diào)節(jié)能力喪失，從而導(dǎo)致WUE降低。--結(jié)果：部分支持假設(shè)，因為O3對冠層中部葉片的氣孔導(dǎo)度沒有影響。但在臭氧升高處理下土壤含水量(SWC)比過濾臭氧處理低，表面在升高的O3下長期蒸騰速率增加的間接證據(jù)。

（2）限制供水條件下，氣孔關(guān)閉導(dǎo)致的蒸騰降低高于對光合能力的影響使得WUE升高。--結(jié)果：反對假設(shè)，因為此研究的結(jié)果顯示，限制供水之所以對WUE有積極影響，是因為長期蒸騰速率的降低以及光合的增強，而非水分損失的影響大于光合。

（3）限制供水能夠使得氣孔吸收的O3降低，從而減輕楊樹暴露在O3中的負面生理影響。--反對假設(shè)，該研究中沒有找到限制供水與臭氧污染對氣孔導(dǎo)度的交互作用從而減輕O3的負面影響的證據(jù)。而且研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管此研究的限制供水升高了單位面積的光合速率和水分利用效率，限制供水會導(dǎo)致楊樹擁有更少以及面積更小的葉片，而這可能會限制植株的碳吸收，并導(dǎo)致植株的高度和直徑減小。

（三）具體研究結(jié)果

1、O3的影響：

（1）在升高的O₃濃度下，基于氣體交換測量的葉片固有水分利用效率（iWUE_ge）下降（圖2），這是由于光合能力、葉肉細胞導(dǎo)度（mesophyll conductance）以及表觀量子效率（apparent quantum yield）顯著降低，但氣孔導(dǎo)度并沒有被影響。

（2）升高的O3濃度導(dǎo)致了顯著的葉片衰老，但對其它形態(tài)上的變異并未有顯著影響。

圖2  臭氧和限制供水對基于氣體交換和穩(wěn)定同位素計算水分利用效率的影響

2、水分的影響：

（1）δ¹⁸O測定顯示，獲得更少水分的植株，其iWUE_ge和基于同位素測定的固有水分利用效率（iWUE_iso）升高（圖2），這是由于其光合能力更強、蒸騰速率更低。

（2）更少的水分供給顯著降低了整體的植株生長（樹高、莖干直徑、葉片數(shù)量、單葉投影面積）（圖3）。

圖3  臭氧和限制供水對楊樹葉片數(shù)量、單個葉片面積、株高和基徑的影響

3、O3-水分的影響：

（1）降低水分可利用性能夠阻止O₃誘導(dǎo)的比葉重降低以及葉片損失增加（圖4）。

（2）并未有顯著的O3-水分可利用性的相互作用影響了生理和形態(tài)上的變異。

圖4  比葉重與飽和光合速率、葉肉導(dǎo)度、最大羧化速率、最大電子傳遞速率和表觀電子產(chǎn)量的關(guān)系

（四）研究結(jié)論

1、限制供水無法降低O3對楊樹的光合生理過程的傷害。

2、無論未來植物的可利用水分如何變化，高O3濃度都會降低葉片的iWUEge。

3、在未來更加干燥和溫暖的氣候下，O3-敏感型楊樹的低水分利用效率很可能對生長和健康都產(chǎn)生負面影響。

文章第一作者為中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心博士生徐彥森，通訊作者為南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院馮兆忠教授。本研究得到國家自然科學(xué)基金（41771034）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-DQC019）等經(jīng)費的支持。