樹木生長由什么決定？最新《科學》：我們可能弄錯了

在本周的《科學》雜志上，由猶他大學的研究人員領導的一項研究發現，真正限制樹木生長的通常不是光合作用，而是細胞生長。這表明在氣候變化中，我們需要重新思考預測森林生長的方式：未來的森林可能無法像我們想象的那樣從大氣中吸收那么多的碳。

“一棵樹的生長就像馬車在路上向前移動，”領導這項研究的William Anderegg教授說，“但我們基本上不知道常見的‘馬’究竟是光合作用還是細胞膨大和分裂。”

我們在小時候就學習了樹木生長的基礎知識。樹木通過光合作用生產食物，將陽光、二氧化碳和水轉化為樹葉和木材。不過，這個故事還有更多內容。要將從光合作用中獲得的碳轉化為樹木，需要樹木細胞膨大和分裂。

樹木通過光合作用從大氣中獲取碳，這是樹木的碳源；隨后，樹木利用這些碳來建造新的樹木細胞，這是樹木的碳匯。

如果樹木的生長是受碳源限制的，那么它的限制因素只在于樹木可以進行多少光合作用，那么在數學模型中可以相對容易地預測樹木的生長。因此，大氣中不斷上升的二氧化碳應該會緩解這種限制，讓樹木長得更高大，對吧？

但如果相反，樹木的生長是由碳匯決定的，那么樹木的生長速度只能與細胞分裂的速度一樣快。許多因素可以直接影響光合作用和細胞生長速率，包括溫度、可獲取的水和養分。因此，如果樹木生長由碳匯決定，模擬樹木的生長時，就必須把這些因素對碳匯的影響包括在內。

研究人員通過比較北美、歐洲、日本和澳大利亞的樹木的碳源和碳匯來檢驗這個問題。測量碳匯相對容易，研究人員從包含生長記錄的樹木中收集樣本。測量樹木年輪上每個環的寬度，基本上可以重建樹木生長的過程。

相比之下，測量碳源雖然是可行的，但更加困難。源數據是使用 78 個至少9米高的渦度協方差塔測量的，這些塔在三個維度上測量森林樹冠頂部的二氧化碳濃度和風速。基于這些測量和其他一些計算，科研人員可以估算出森林林分的總森林光合作用。

研究人員分析了他們收集的數據，試圖尋找證據證明樹木生長和光合作用是相互關聯或耦合的過程。然而，他們沒有找到這樣的聯系。當光合作用增加或減少時，樹木生長沒有隨之變化。

“在樹木生長受到資源限制的情況下，預計光合作用和樹木生長之間會出現強耦合，”論文第一作者Antoine Cabon博士說，“然而我們主要觀察到的卻非強耦合，這使我們得出結論證明樹木的生長不是由碳源決定的。”

令人驚訝的是，這種解耦脫鉤現象出現在全球環境中。研究人員確實已預計會在某些地方看到一些脫鉤，但他們沒想到這種解耦模式如此普遍。

研究人員感興趣的是，什么條件導致更強或弱的解耦。例如，結果實和開花的樹木與針葉樹表現出不同的碳源碳匯關系。森林中的多樣性增加了耦合，而密集的、互相覆蓋的葉冠減少了耦合。

這項研究還發現，碳源與碳匯的問題取決于樹木所處的環境和氣候，這意味著氣候變化可能會重塑世界森林資源和碳匯限制的分布圖。

這項研究帶來的一個重要洞見是，在使用數學方程和植物特征來估計未來森林生長時，可能需要更新植被模型，因為目前幾乎所有模型都假設樹木的生長是由碳源決定的。

例如，目前的植被模型預測，隨著大氣中二氧化碳含量的增加，森林將更加茁壯地成長。然而事實上，樹木的生長通常受到限制，這意味著對于許多森林來說，實際上森林可能不會隨著二氧化碳的增加而變多。

目前森林吸收和儲存了全球二氧化碳排放量的四分之一。但如果森林增長放緩，森林吸收碳和減緩氣候變化的能力也會下降。因此，這項研究提醒我們，緩解氣候危機可能要比我們想象得更具挑戰性。