干旱如何影响树木取决于是什么阻碍了它们

​干旱对树木有益。某些树，就是这样。

与预期相反，有时破纪录的干旱会增加树木的生长。为什么以及在哪里发生这种情况是全球变化生物学中一篇新论文的主题。由加州大学圣巴巴拉分校的琼·达德尼 (Joan Dudney)

领导的一组科学家研究了过去一个世纪濒临灭绝的白皮松的干旱反应。他们发现，在寒冷、恶劣的环境中——通常是在高海拔和纬度地区——干旱实际上可以通过延长生长季节而使树木受益。这项研究提供了关于极端干旱威胁最大的地方以及不同物种和生态系统将如何应对气候变化的见解。

许多因素会限制树木的生长，包括温度、阳光以及水和养分的可用性。事实证明，能量受限系统和水受限系统之间的界限特别重要。试图在过冷温度下生长的树木——通常是能量有限的系统——可能会冻死。另一方面，水太少也会​​杀死一棵树，特别是在水资源有限的系统中。随着时间的推移，许多树种已经适应了这些极端条件，并且它们的反应大致相似。他们经常减少与生长相关的活动，包括光合作用和养分吸收，以保护自己，直到天气好转。

“有趣的是，从能源限制增长到水限制增长的转变会产生非常出乎意料的反应，”布伦环境科学与管理学院和环境研究项目 的助理教授杜德尼解释说。“在寒冷、能源有限的环境中，极端干旱实际上可以促进增长和生产力，即使在加利福尼亚也是如此。”

达德尼和她的同事从横跨内华达山脉的白皮松中提取了 800 个树芯，将树木年轮与气候条件的历史记录进行了比较。这些气候数据涵盖 1900 年至 2018 年，包括三场极端干旱：1959-61 年、1976-77 年和 2012-15 年。他们记录了树木生长和温度在哪些地方呈正相关，在哪些地方呈负相关。

作者发现，在十月至五月平均最高气温约为 8.4 摄氏度(47.1 华氏度)的干旱时期，生长会发生明显变化。超过这个阈值，极端干旱会降低生长和光合作用。低于这个温度，树木会因干旱而生长得更多。

“基本上，'生长季节有多长?'”杜德尼说。更冷的冬天和更高的积雪通常会导致生长季节缩短，从而限制树木的生长。即使在极端干旱期间，许多生长在这些极端环境中的树木也没有经历过高水分压力。这让科学家团队感到惊讶，他们中的许多人已经观察和测量了在内华达山脉海拔略低的地区发生的前所未有的树木死亡率。

达德尼很好奇干旱是只影响主干还是整棵树的生长。她解释说，如果没有更多数据，他们看到的趋势可能是不同过程对干旱的反应不同的结果。幸运的是，白皮松的针叶可以保留大约八年。这提供了可以解决这个问题的额外数据。

研究人员将注意力从树木学转移到化学。同一元素的原子可以具有不同的重量或同位素，这要归功于它们所含的中子数量。植物新陈代谢的几个方面会影响组织(如叶子和针叶)中重碳 13 和轻碳 12 的相对丰度。这些变化为树木在干旱期间经历的水分胁迫程度提供了粗略的指导。这对研究人员来说是一个福音，因为来自松针的同位素数据跨越了干旱和非干旱年份。

分析针叶生长、碳和氮同位素表明，整棵树都受到水限制和能量限制系统之间阈值的影响。树干生长、针叶生长、光合作用和养分循环以相反的方向对高于和低于能量和水限制系统之间阈值的干旱做出反应。

白皮松的未来非常不确定。该物种最近根据《濒危物种法》被列为受威胁物种，面临许多威胁，包括疾病、松甲虫侵扰以及火情变化的影响。从这项研究中可以清楚地看出，干旱和变暖可能会加剧缺水地区的这些威胁，但变暖可能有利于能源有限环境中的生长。“这项研究可以帮助制定更有针对性的保护策略，”达德尼说，“以帮助恢复这种历史上广泛分布的树种。” 事实上，松树的分布范围涵盖了一个多样化的地区，从加利福尼亚延伸到不列颠哥伦比亚省，向东延伸到怀俄明州。

这些发现还具有更广泛的意义。大约 21% 的森林被认为是能源有限的，更高比例的森林被认为是水资源有限的。因此，这两种气候制度之间的转变很可能在全球范围内发生。更重要的是，这种转变似乎对氮循环有影响。水资源有限环境中的树木似乎较少依赖共生真菌获取氮，而这对于树木在严酷、能源有限的环境中的生长至关重要。

“干旱导致全球范围内的树木普遍死亡，”杜德尼说，“这会加速全球变暖。”

破译树木应对干旱的多种方式将有助于我们更好地预测生态系统在哪些地方容易受到气候变化的影响，以及如何制定更有针对性的战略来保护我们的森林。