不同气候带冠层植物叶片热力调节机制

通常被认为是变温生物,在很多中,叶片温度常常用气温代替。但是,即使在相同环境下,不同叶片的温度差异可以超过18℃,叶温和气温存在很大差异。为什么植物叶片温度会有如此大的差异?为了适应不同的热力环境,植物可以通过改变其物理性状和生理性状,来缓解不适温度的影响。例如,干热地区的植物叶片面积较小,有利于减小边界层厚度,增加热交换;寒冷地区的植物则发育较厚的绒毛起到一定的保温效果。除此之外,蒸腾也是很有效的降温方式。但是对于真实叶片,人们很难将叶片物理性状的热效应和蒸腾降温的效应分开,因此不能准确地认识植物的温度调节机制。 

  中国科学院西双版纳热带植物园(以下简称“版纳植物园”)树木年轮与环境演变研究组与合作者首次利用三温法对野外冠层树种的蒸腾降温和物理热效应进行了定量研究,促进了植物对环境适应机制的研究。三温法,即测量正常叶片温度(Tl),无蒸腾叶片温度(Tn)以及气温(Ta),利用Tn-Tl计算蒸腾降温,Tn-Ta计算物理性状热效应,从而可以在野外实时监测植物叶片的蒸腾降温和物理热效应。该研究了元江干热河谷灌木林、热带雨林、亚热带常绿阔叶林和温带针阔混交林的顶层优势树种。利用三温法,连续监测其蒸腾降温以及物理热效应的动态变化,并测量了可能与植物热力适应的相关叶片性状。研究发现,叶片物理性状相对空气来说,在白天都表现出增温效应,且这种增温效应随着环境温度的降低而增强,除元江干热河谷和个别热带雨林物种以外,其余物种的温度调节都以物理性状为主。进一步分析表明,叶片含水量、面积以及叶倾角对物理增温有显著影响。蒸腾降温在干热河谷灌木林中最高,且所研究的四种干热河谷植物中有3种主要以蒸腾降温调节温度。从热的植被到冷的植被,蒸腾降温逐渐减弱。由此可见,元江干热河谷的冠层非景天酸代谢植物,可以通过提高蒸腾降温、减弱物理增温以及提高热耐受性来适应高温环境,其叶片温度最接近气温;而温带针阔混交林的植物,则通过降低蒸腾,提高物理性状的增温效应来避免低温胁迫,其叶片温度远远高于气温。 

  该研究成果以Leaf thermal regulation strategies of canopy species across four vegetation types along a temperature and precipitation gradient为题发表在Agricultural and Forest Meteorology上。版纳植物园的周莹莹和Nawatbhrist Kitudom为共同第一作者,版纳植物园的林华和英国普利茅斯大学的Sophie Fauset 为共同通讯作者。该研究在野外数据采集过程中得到了云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站补蚌工作站,哀牢山森林生态系统研究站,元江干热河谷生态站、丽江高山植物园的支持。并得到了国家自然科学基金,中国科学院PIFI项目,版纳植物园“十四五”等项目的资助。 

    W020231115433550397911

  图1 图解摘要 

    W020231115433550609045

  图 2. 昼间蒸腾和物理性状热效应在不同物种及植被间的变化趋势。(a)绝对值的变化趋势;(b)对冠气温差贡献率的变化趋势。 

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