植物的水分利用效率对大气CO2浓度的响应

中国农业大学，2012年10月10日

日前，环境科学领域顶级期刊《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology，ES&T)）发表了我校资环学院王国安教授课题组题关于“植物的水分利用效率对大气CO2浓度的响应”（Response of Plants’ Water Use Efficiency to Increasing Atmospheric CO₂ Concentration）的研究论文。

陆地植被如何响应大气CO₂浓度上升是全球变化研究最关注的内容之一。前人通常是通过人工控制CO₂浓度的模拟试验来揭示植被对CO₂浓度升高的响应。然而，人工控制试验得到的结果可能并不能真正地揭示出植被的响应。这其中，有两个主要的原因：其一，在自然条件下，植物是生长在大气CO₂浓度持续和逐渐上升的环境中，而人工控制试验中，CO₂被设置成几个不同的浓度梯度，植物分别生长在不同的CO₂浓度下；其二，绝大多数植物，大气CO₂浓度上升对植物的影响是一个长期的过程，而人工控制试验进行的时间较短，只能反映CO₂浓度升高对植物的短期影响。

树木的年轮是研究植物对气候长期变化响应的最理想的材料之一，因为树木一年生长一轮，每一轮的生长都与当年的气候环境条件相关。植物碳同位素反映的是植物光合作用与叶片气孔导度之间的平衡，它与植物的水分利用效率紧密相连。树轮碳同位素的长期变化趋势主要是由大气CO₂浓度的长期变化决定的，因此，通过测定树轮序列的碳同位素可以研究大气CO₂浓度升高对植物光合作用、叶片气孔导度以及水分利用效率的长期影响。

王国安教授课题组收集了来自全球83个树轮序列的碳同位素数据，他们通过研究发现，过去的两个半世纪，植物的内在水分利用效率和细胞间的CO₂浓度都增加近30%，不过主要的变化还是发生在大气CO2浓度急剧升高的最近50年里。大气CO₂浓度升高能够解释98%的植物内在水分利用效率变化和细胞间的CO₂浓度变化。生长在高海拔和低温地区的植物相对比生长在低海拔和高温地区的植物对大气CO₂浓度升高更敏感。英国树轮气候学家McCarroll 等人在2009年曾提出，植物响应大气CO₂浓度的升高有被动和主动两种方式。在被动方式中，随着大气CO₂浓度，植物将保持光合速率、气孔导度以及水分利用效率不变化；而在主动方式中，植物的光合速率和气孔导度发生变化，水分利用效率将上升。王国安教授课题组在这篇研究论文中提出：除此之外，还有第三种响应方式，即随着大气CO₂浓度，植物保持细胞间的CO₂浓度不变，水分利用效率有最大的增加。事实上，根据对这83个树轮序列的研究，发现绝大多数树木都是处在第二种和第三种方式之间，没有植物是采取被动方式来响应大气CO₂浓度的升高。

ES&T是美国化学会旗下刊物，是国际环境领域顶级期刊，具有广泛影响力，多年来影响因子在环境领域SCI中高居首位。王国安教授课题组的这项研究由国家自然科学基金资助，论文第一作者和通信作者均为王国安教授，美国达特茅斯学院（Dartmouth College）地球科学系Xiahong Feng 教授为第二作者。

论文链接：Response of Plants’ Water Use Efficiency to Increasing Atmospheric CO2 Concentration