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复旦大学发表科技评论探讨植物生长对气候变化的响应机制

花匠小妙招
2024-11-04 13:15

　　近日，复旦大学生命科学学院研究员聂明课题组发现气温上升是导致大气CO2浓度升高背景下碳4光合作用植物逐渐占优势的原因，表明将多重气候变化因子纳入到植物生产力模型和全球碳模型或将对预测未来气候变化具有重要指导意义。8月31日，相关评论在线发表于《科学》(Science)杂志。由人类活动引发的大气CO2浓度升高可以直接或者间接导致气候变暖、海平面上升、生物多样性丧失、极端天气频发等系列全球事件，是当代人类社会所面临的最严峻挑战之一。作为生态系统的生产者，植物通过光合作用固定大气中CO2，对平衡与缓解气候变化起到关键作用。就此而言，阐明植物对大气CO2浓度升高的响应与反馈机制，是预测气候变化趋势和制定气候变化应对策略的关键性科学议题。近年来，通过全球变化受控实验、室内微宇宙实验与数据整合等途径，有研究发现植物对大气

　　CO2浓度升高的正反馈效应可提高生态系统的长期碳汇潜力(如，Nie et al., Global Ecology and Biogeography 2013, 22: 1095–1105; Nie et al., Agriculture, Ecosystems & Environment

　　2016, 224: 50-55)(图1)，但不同植物功能群对大气CO2浓度升高的响应模式与机制尚未得到解释。

　　图1:大气CO2浓度升高促进了植物的生长据悉，C3(碳3光合作用)与C4(碳4光合作用)植物是生态系统最为主要的两大植物功能群。尽管C4植物仅占植物种类的3%，却储藏着全球陆地25%的植物生物量，是人类与动物的主要食物来源。与此同时，约80%的外来恶性入侵植物也属于C4植物。预测未来C4植物的生长与分布对人类社会极为重要。传统观点认为，在大气CO2浓度升高背景下，C3植物将逐渐占优势。但美国科学院院士

　　Peter Reich、教授Sarah Hobbie与合作者通过长达20年的野外受控实验推翻了这一观点，在《科学》发表文章称大气CO2浓度升高对C4植物生长的促进作用更强，仅依靠光合作用的生理差别无法解释长期生态系统水平上的真实情况(Reich et al., Science 2018, 360: 317–320)，并得到了同期《科学》上的研究评述(Perspectives)(Hovenden and Newton, Science 2018, 360: 263

　　–364)。以之为基础，聂明课题组以前期参与的美国农业部PHACE项目相关结果，结合历史气候数据，从机制上解释了C4植物对大气CO2浓度升高响应更强的原理。具体而言，由于C4植物为暖季植物(warm-season plants)，大气CO2浓度升高对C4植物的强促进作用是气温上升所致(图2)。这一研究结果有助于更为精确地揭示不同植物功能群对气候变化的响应强度，提示将多重气候变化因子纳入到植物生产力模型和全球碳模型对于预测未来气候变化有着重要指导意义。

　　图2: 大气CO2浓度升高(eCO2)对C4植物生物量的促进作用在温度增加的背景下变得更强该研究得到复旦大学教授李博、方长明和中科院沈阳生态所研究员梁超的参与指导，得到国家重点研发项目(2017YFC1200100)、国家青年千人项目、国家自然科学基金(41630528和31670491)资助。

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