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

发布者:孙杰 发布时间:2022-06-17 浏览次数:157

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,gm)在早期研究中通常被忽略,导致经典模型iWUEsim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(iWUEcom)。通过敏感度分析,iWUEcom 模型中多个非敏感因子被排除,从而提出了考虑gm 效应的水分利用效率预测模型(iWUEmes)。

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,gsc/gm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±0.0795% 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iWUEmes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iWUEsim模型显著高估了iWUE(图1)。研究结果表明,计入gsc/gmiWUEmes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gsc/gm并代入iWUEmes模型进行估算。在无法获取gm的情况下,gsc/gm=0.79可以作为iWUEmes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 PhytologistSCI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。


1 iWUEsim模型和iWUEmes模型的预测值与实测值iWUEobs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(Ci/Ca)的衡量指标。基于进展一的研究结果,本研究采用iWUEmes模型重新定量评估了20世纪464组树轮序列(143个物种)的iWUECa变化的趋势。结果表明,(1)相比iWUEmes模型,常用的iWUEsim模型显著高估了全球树木的iWUE并低估了Ci/Ca。更重要的是,单位时间或CaiWUE增幅(dWUE/dtdWUE/dca)同样被高估约70%。(220世纪期间CiCa成比例同步增长,Ci/Ca均值为0.78±0.01,但植物功能群和气候区间Ci/Ca存在差异;(3)结合相对稳定的gsc/gmCi/Ca,叶绿体羧化位点和大气CO2浓度的比值(Cc/Ca)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 BiologySCI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。

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

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