我院巩晓颖研究员课题组在植物水分利用效率研究中取得新进展

进展一：

植物内在水分利用效率（iWUE）被定义为光合速率与气孔导度之比，是联系生态系统碳水循环的关键生理参数。碳同位素分馏值（Δ¹³C）被广泛用于评估植物iWUE，但从细胞间隙到叶绿体羧化位点的CO₂扩散导度（叶肉导度，g_m）在早期研究中通常被忽略，导致经典模型iWUE_sim的计算结果存在较大误差。

依托Farquhar等建立的C₃植物¹³C分馏完整模型，本研究推导出了完整的iWUE模型（iWUE_com）。通过敏感度分析，iWUE_com 模型中多个非敏感因子被排除，从而提出了考虑g_m 效应的水分利用效率预测模型（iWUE_mes）。

基于全球已发表数据的整合分析，气孔导度和叶肉导度存在显著正相关关系，g_sc/g_m在植物功能群（落叶和常绿木本、草本）以及干旱胁迫之间无显著差异，其均值为0.79（±0.07，95% CI）。利用控制实验、光合¹³C分馏在线联测和iWUE的实测数据，研究证实iWUE_mes模型预测值与气体交换-¹³C分馏在线联测的独立实验数据更吻合，而常用的iWUE_sim模型显著高估了iWUE（图1）。研究结果表明，计入g_sc/g_m的iWUE_mes模型可显著提高iWUE预测精准度。对于精准度要求较高的机理研究或者定量预测，作者建议测定物种特有的g_sc/g_m并代入iWUE_mes模型进行估算。在无法获取g_m的情况下，g_sc/g_m=0.79可以作为iWUE_mes模型的经验系数。

研究成果以“Accounting for mesophyll conductance substantially improves ¹³C-based estimates of intrinsic water-use efficiency”为题发表于国际期刊New Phytologist（SCI一区，IF=10.2）。福建师范大学地理科学学院2021级博士生马薇婷为第一作者，巩晓颖研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（NSFC 31870377），和德国科学基金等的资助。

图1 iWUE_sim模型和iWUE_mes模型的预测值与实测值iWUE_obs之间的比较（a），以及两种模型间RMSE的比较（b）

文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16958

进展二：

植物iWUE随大气CO₂增加而提高，这一结果在CO₂倍增实验、通量观测和树轮同位素记录等多类研究中已经被证实。然而，长期iWUE增幅的定量研究尚存在较大的不确定性。树轮碳同位素比值（δ¹³C）为量化气候变化下水分利用效率提供了长期的年度记录，且可作为C₃叶片细胞间隙与大气CO₂浓度比值（C_i/C_a）的衡量指标。基于进展一的研究结果，本研究采用iWUE_mes模型重新定量评估了20世纪464组树轮序列（143个物种）的iWUE随C_a变化的趋势。结果表明，（1）相比iWUE_mes模型，常用的iWUE_sim模型显著高估了全球树木的iWUE并低估了C_i/C_a。更重要的是，单位时间或C_a的iWUE增幅(dWUE/dt和dWUE/dc_a)同样被高估约70%。（2）20世纪期间C_i和C_a成比例同步增长，C_i/C_a均值为0.78±0.01，但植物功能群和气候区间C_i/C_a存在差异；（3）结合相对稳定的g_sc/g_m和C_i/C_a，叶绿体羧化位点和大气CO₂浓度的比值（C_c/C_a）随时间的变化不显著。综上，研究结果指出：20世纪全球森林水分利用效率增幅普遍被高估，影响了CO₂肥料效应以及气候变化预测的准确性。

研究成果以“Overestimated gains in water-use efficiency by global forests”为题发表于国际期刊Global Change Biology（SCI一区，IF=10.9）。福建师范大学地理科学学院巩晓颖研究员为第一、通讯作者，2021级博士生马薇婷和2018级本科生余咏枝（推免硕士生）为主要学生作者。该研究得到了国家自然科学基金（NSFC 31870377, 32120103005）的资助。

图2 20世纪全球树木平均iWUE随时间的变化趋势， iWUE_sim和iWUE_mes模型计算结果的比较

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.16221