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冬天来得晚了，叶子却落得更早了？｜《科学》研究揭示落叶机制

花匠小妙招
2025-01-07 01:15

近来，发表于《科学》杂志的新研究显示，随着全球气候变化，落叶林在秋季的落叶时间提前了。这说明了温度升高并不代表着树木吸收二氧化碳的周期变长，科学家们还需要其他的方式应对全球变暖。

来源 The Conversation

作者 Philip James

翻译谢一璇

编辑李姗珊

随着北半球的白天变短、气温降低，树叶也纷纷有了变化。当叶子还挂在树上时，我们能欣赏到绝美的属于秋天的色彩；而等到落叶的时候，我们可以在散步时踩在红色、棕色和金色的落叶地毯上。

当春天气温回升，树木的生长季节便回来了。在温暖的季节里，树叶从大气中吸收二氧化碳，将其储存在复杂分子中，并释放出氧气。这就是光合作用的大致过程。光合作用越多，树木的固碳量也就越多。

我们知道二氧化碳是气候变暖的主要驱动力，所以植物从大气中吸收的二氧化碳越多越好。由于气候变暖延长了植物的生长季节，一些研究人员认为树木及其他植物吸收的二氧化碳将比以往更多。但是，一项新的研究完全颠覆了这一理论，并且有可能对我们应对气候变化的方式产生深远影响。

图片来源：Hedi Alija onUnsplash

达到上限

来自苏黎世联邦理工学院的 Deborah Zani 带领其研究团队，探究了植物春夏季节的生长情况对秋季树叶颜色变化时间的影响。

温度和日照时长通常被认为是树叶变色和凋落时间的主要决定因素，因此，部分科学家认为温度升高会推迟树叶在秋季的变化。通过研究欧洲落叶树种，比如欧洲七叶树（Aesculus hippocastanum)、垂枝桦（Betula pendula）及夏栎（Quercus robur），研究团队记录了每棵树每季的固碳量，探究这是如何影响落叶时间的。

研究团队分析了来自“泛欧洲物候学项目（Pan European Phenology Project）”的数据，该项目对部分树木进行了长达 65 年的追踪研究。研究人员发现如果树木的光合作用速率增加，树叶便会在当年更早的时候变色和凋落。在春季和夏季的生长季节，光合作用每增加 10%，树木的落叶时间平均提前 8 天。

他们还在 5 年树龄的欧洲水青冈（Fagus Sylvatica）和粉花绣线菊（Spiraea japonica）上进行了气候控制实验，揭示了可能导致这种意外结果的原因。实验设计了不同的光照条件，树木被完全暴露在阳光下、一半在阳光下一半在阴影下以及全部在阴影下。结果表明，即便在生长季节中，树的光合作用的量也是有限的。这就像向桶中装水，可以装得快也可以装得慢，可是一旦桶满了，就没有空间放下更多的水。

这项研究表明，落叶树每年只能吸收一定数量的碳，一旦达到这个上限，树叶就会变色。这意味着此时树木无法吸收更多的碳了。这个上限取决于可利用的营养物质，特别是氮；同时还取决于植物本身的物理结构，特别是植物内部输送水和可溶营养物质的导管。氮是植物生长所需的关键营养物质，可利用的氮的含量往往限制了植物生长的最大限度。这就是为什么农民和园丁使用氮肥来突破生长限制。

综上所述，这些限制意味，树木和草本植物在生长季节的固碳量是受其自我调节的。他们只能吸收有限的碳。

图片来源：Omid Arminon Unsplash

更早出现的秋季色彩

这些新发现意味着，尽管当前地球大气层中的二氧化碳呈增多趋势，变暖的气候和更长的生长季节并不能使温带落叶树吸收更多的二氧化碳。该研究中的预测模型表明，到 2100 年，树木的生长季节预计会比现在长 22 到 34 天，而落叶时间则会比现在早 3 到 6 天。

这对气候变化预测有着重要意义。假如像英国这样的温带气候国家的落叶树木每年吸收的二氧化碳不随生长季节变化而改变，大气中二氧化碳水平的上升速度将超过此前的预期。改变这种状况的唯一方法是增强树木的固碳能力。

要是环境中充满了可利用的氮，植物可能在气候变暖的环境中或许能够生长得更久。一部分树木能够直接从空气中吸收氮，比如桤木。然而，由于它们的生长环境中日照时间较少且气温较低，这些物种仍然会在大致相同的时间内落叶。

也许树木落叶时间变早的唯一好处是，我们将有更长的时间欣赏秋天的色彩，也有更多的时间享受踩在落叶上的感觉。

论文信息

【论文标题】Increased growing-season productivity drives earlier autumn leaf senescence in temperate trees

【论文作者】Deborah Zani, Thomas W. Crowther, Lidong Mo, Susanne S. Renner, Constantin M. Zohner

【发表时间】2020.11.27

【发表期刊】Science

【论文链接】

【论文编号】10.1126/science.abd8911

【论文摘要】Changes in the growing-season lengths of temperate trees greatly affect biotic interactions and global carbon balance. Yet future growing-season trajectories remain highly uncertain because the environmental drivers of autumn leaf senescence are poorly understood. Using experiments and long-term observations, we show that increases in spring and summer productivity due to elevated carbon dioxide, temperature, or light levels drive earlier senescence. Accounting for this effect improved the accuracy of senescence predictions by 27 to 42% and reversed future predictions from a previously expected 2- to 3-week delay over the rest of the century to an advance of 3 to 6 days. These findings demonstrate the critical role of sink limitation in governing the end of seasonal activity and reveal important constraints on future growing-season lengths and carbon uptake of trees.

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