聶明課題組在《科學》發(fā)文探討植物生長對氣候變化響應機制
作為當代人類社會所面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一，人類活動引發(fā)的大氣CO2濃度升高可以直接或者間接導致氣候變暖、海平面上升、生物多樣性喪失、極端天氣頻發(fā)等系列全球變化事件。植物是生態(tài)系統(tǒng)的生產者，通過光合作用固定大氣中CO2，對于平衡與緩解氣候變化起到關鍵作用。因此，闡明植物對大氣CO2濃度升高的響應與反饋機制，是預測氣候變化趨勢和制定氣候變化應對策略的關鍵科學議題。
聶明課題組以生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)為研究對象，圍繞“全球變化與生物圈的相互作用”這一熱點領域，探討關鍵生態(tài)系統(tǒng)功能的演變趨勢。近年來，通過全球變化受控實驗、室內微宇宙實驗與數(shù)據(jù)整合等途徑，發(fā)現(xiàn)植物對大氣CO2濃度升高的正反饋效應可提高生態(tài)系統(tǒng)長期的碳匯潛力（如，Nie et al., Global Ecology and Biogeography 2013, 22: 1095–1105; Nie et al., Agriculture, Ecosystems & Environment 2016, 224: 50-55）（圖1）。但是，相關研究還無法解釋不同植物功能群對大氣CO2濃度升高的響應模式與機制。
C3（碳3光合作用）與C4（碳4光合作用）植物是生態(tài)系統(tǒng)最為主要的兩大植物功能群；盡管C4植物僅占植物種類的3%，卻儲藏著全球陸地25%的植物生物量，是人類與動物的主要食物來源，同時約80%的外來惡性入侵植物也屬于C4植物，預測未來C4植物的生長與分布對于人類社會極為重要。傳統(tǒng)觀點認為，在大氣CO2濃度升高背景下C3植物將逐漸占優(yōu)勢。但是，通過長達20年的野外受控實驗，美國科學院院士Peter Reich與Sarah Hobbie教授與合作者在《科學》發(fā)表文章推翻了這一觀點，表明大氣CO2濃度升高對C4植物生長的促進作用更強，僅依靠光合作用的生理差別無法解釋長期生態(tài)系統(tǒng)水平上的真實情況（Reich et al., Science 2018, 360: 317–320），并得到了同期《科學》上的研究評述（Perspectives）（Hovenden and Newton, Science 2018, 360: 263–364）。盡管如此，對此長期實驗結果的機制分析仍然存在不確定性。
聶明課題組以前期參與的美國農業(yè)部PHACE項目相關結果，結合歷史氣候數(shù)據(jù)，從機制上解釋了C4植物對大氣CO2濃度升高響應更強的原理，即由于C4植物為暖季植物（warm-season plants），大氣CO2濃度升高對C4植物的強促進作用緣于氣溫上升所致（圖2）。研究結果有助于更為精確地揭示不同植物功能群對氣候變化的響應強度，提示將多重氣候變化因子納入到植物生產力模型和全球碳模型對于預測未來氣候變化有著重要的指導意義。
該研究得到了復旦大學李博教授與方長明教授和中科院沈陽生態(tài)所梁超研究員的參與指導，得到了國家重點研發(fā)項目（2017YFC1200100）、國家自然科學基金（41630528和31670491）的資助。
論文全文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/361/6405/eaau3016?rss=1。
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