干旱和树木死亡:科学揭示了世界森林严酷的未来

一个在过去的几年里，一系列灾难性的干旱已经清楚地表明，未来越来越极端的天气事件将使世界上的树木的生存变得更加困难。越来越多的研究正在解释为什么会这样。

一个杂志上的新论文自然，与耶鲁大学合著克雷格Brodersen它强调了一个新兴的科学领域，利用3D成像和其他技术来更好地理解植物和树木的内部运作，以及它的发现揭示了这些生物的脆弱性。

布罗德森是耶鲁大学林业与环境研究学院的植物生理生态学助理教授，一直走在这一领域的前沿，开发了描述植物液压系统的技术，并预测全球变暖可能如何影响这些功能。

在一次采访中，布罗德森描述了这个领域在过去二十年中揭示的一些重要见解，以及对世界森林的潜在后果。

本文综述了植物生理与干旱关系的最新研究进展。科学家们学到了什么?

克雷格Brodersen:我们试图提供一个合成领域已经学会在过去的15到20年,将我们现在知道drought-induced死亡率在重大干旱事件的背景下,在过去的几年里发生了——特别是在德克萨斯州和加利福尼亚州等地我们看到数百万棵树在很短的时间内死亡。

我们已经能够确定，植物和树木的水运输系统是受到威胁的关键组成部分，因为我们看到越来越严重和持久的干旱，许多树木正在超越它们的生理阈值或临界点。我们仍在努力了解的是，当森林经历随后的干旱时，以往干旱的“遗留”影响是如何影响森林的。这对他们的死亡率阈值有什么影响?

理想情况下，我们将能够利用我们所知道的关于单个树木的生理学和解剖学的信息，并利用这些信息扩大到更大的景观模型。例如，森林碳储存的长期后果是什么?它将如何影响景观中的水通量模式?因为这些干旱事件——以及我们所观察到的干旱导致的死亡率——并不只发生在美国。这是一个世界性的现象。

我们最近几年看到的干旱频率与历史趋势相比如何?它是如何影响树木的?

Brodersen:有一件事在过去的5到10年里似乎正在发生，但在过去却不一定发生，那就是，随着气候变暖，我们得到了额外的综合效应。干旱肯定是植物和树木以前经历过的事情。但当气温升高时，它放大了干旱的影响。凉爽和干燥对植物的危害远不如炎热和干燥。这是植物和树木的维管系统变得非常非常紧张的时候，这是树木开始变得糟糕的时候。一旦你有了炎热和干燥的结合，树木的维管系统就开始崩溃，因为它们不适应那种环境。

炎热和干燥的环境是如何破坏树木的液压系统的?

Brodersen:我们发现，当树木进入干旱状态时，首先会关闭气孔以保存水分。但这让树进退两难;如果它关闭气孔来保存水分，这意味着它不能吸收二氧化碳₂来进行光合作用然后，在干旱时期，它必须依靠内部储存来度过难关。最终，树木在干旱中生存的能力取决于它目前储存了多少碳，以及它能维持自身生存的碳量。

就树木的恢复能力而言，我们现在发现，如果一棵树失去了一定百分比的总导电性——它能输送多少水——就会有一个临界点，之后它就不能恢复了。它需要在树干中储存足够的水分，然后它的维管束系统有足够的功能，以便在第二年生长更多的木质部，以补充因水力失调而失去的木材。当树木超过了没有足够的水和储存足够的碳水化合物的临界点时，它们就变得非常容易受到病虫害的影响，因为它们的防御系统大大降低了。如果树被推得太远它们就有可能超过临界点，如果昆虫没有先得到它。

在过去的十年里，有多少树木因干旱而丧失?

Brodersen:在这篇论文中，我们引用了一些不同的研究，试图给出一个数字。例如，在加利福尼亚和德克萨斯之间，仅仅在过去的十年里就有超过4亿棵树。在澳大利亚，由于干旱，红树林损失了7000公顷。在亚马逊甚至有记录事件。你可能会认为那里一直都是潮湿的，但它们也经历过季节性的干旱时期，在这期间会有大量的死亡事件发生。

另一件即将浮出水面的事情是，许多真正高大、古老的树木也在死亡。我们认为这与液压故障以及向树冠输送水的能力有关。这些发现令人担忧，因为森林中高大的老树也是吸收最多碳的树木。因此，一旦它们死亡，大量储存的碳开始以比正常情况下更快的速度释放回大气。

有没有特别脆弱的物种或生物群落?

Brodersen:西南部有很多很棒的作品，包括克雷格•艾伦[美国地质调查局]，内特·麦克道尔以及洛斯阿拉莫斯国家实验室的其他人，他们在那里看到了非常严重的干旱，加上高温和随后的火灾，这从根本上改变了森林的样子。在很多情况下，矮松和杜松林是由于干旱或受到昆虫袭击而死亡的。然后它们被其他物种取代，比如橡树和白杨。因此，那里的森林正在发生巨大的变化。

我们已经看到一些地区受到了严重的影响，比如加州的塞拉山脉，那里有数百万棵树消失了。我们认为，许多变化都是因为这些树木年复一年地暴露在干旱中。一棵树也许能很好地经受住低强度的干旱。但是，当它们长期遭受干旱时，每次干旱的影响累积起来，会在多年时间里削弱树木，直到最终死亡。所以那些本来就炎热干燥的地方就很成问题。在新英格兰，2016年是有记录以来第三干旱的一年，树木似乎没有受到太大影响。但我们确实有入侵的或本地的昆虫产生了影响。我们已经看到翠绿色的白蜡树蛀虫侵入并破坏了我们地区很多已经因干旱而衰弱的白蜡树。例如，新的入侵昆虫，比如南方松甲虫，正在进入我们的森林，因为我们最近的冬天变暖了，这本身就有可能造成严重的问题，加上干旱，将扩大我们森林中的树木的压力。

3D成像技术如何使您更好地了解这些植物的功能?

Brodersen:植物有一个维管系统，一旦发展起来，可以让它们以几乎零能量成本运输大量的水。没有你在动物体内发现的代谢泵来运行循环系统。相反,木质部汁液负压下:基本上的蒸发水的叶子把树干通过微型空心管,类似于家用管道除管道的直径小于人类头发,和水,而不是推。但在研究植物如何运输水分时，其中一个问题是维管系统隐藏在树皮后面。即使你剥掉树皮，仍然很难看到木质部里面发生了什么。你不能在不破坏的情况下切开它，而且还没有一种好的方法来研究植物内部发生了什么并想象里面发生了什么。

在过去10年左右的时间里，我们的团队——包括安德鲁McElrone在加州大学戴维斯分校和由布伦丹Choat和蒂姆Brodribb在澳大利亚——一直在使用高分辨率x射线成像，这让我们可以看到植物内部，并查看植物维管系统的功能状态，以了解在模拟干旱期间，它们是否充满了水或空气。

通过使用这些非侵入性成像工具，这是我们从医学成像领域借鉴来的，我们已经能够看到植物的管道系统在干旱期间是如何开始失灵的，以及植物用来恢复的机制。因此，我们现在可以测试长期存在的假设，我们无法回答，因为我们无法回答看到在植物。

我们的团队正在研究干旱对新英格兰常见树木生理的影响，并试图根据当前的气候变化预测，了解哪些树木面临的风险最大。当然在美国和世界各地也有其他组织在做类似的项目，但我们的优势是，我们已经达到了一个点，我们已经开发的仪器和图像处理足够复杂，我们可以做额外的计算机模拟练习，来模拟新英格兰还没有发生的干旱类型。

这个科学家群体想要解决的知识上的一些剩余差距是什么?

Brodersen:目前最大的进展是弄清楚如何通过遥感或使用地面传感器来描述单个工厂的液压状态。这样我们就可以把数据交给气候建模者。其中一个主要的限制是，我们假设植物什么时候会关闭气孔，停止从土壤中吸取水分并将其排入大气。能够根据容易测量的大气数据预测不同类型的森林何时会停止输送水分，最终将帮助我们更好地预测从大气中抽出的碳量，释放的存储碳量，以及水通量。所以我们试图通过整合细胞层面的过程来进行跨尺度的工作，这些过程在整个树木层面，以及整个森林或生态系统中具有级联效应。

这需要一群不同领域的专家共同努力。这就是我们的目标，这篇论文概述了一些研究的性质和机会，将帮助我们做出更好的预测。