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微氣候 “主宰” 林下植物多樣性 | 前沿

媒體:知識分子  作者:知識分子
專業號:碳匯資訊 2020/6/2 8:28:06

人們對氣候變化的研究多集中在宏觀尺度,即通過氣象站觀測等手段認識大區域 (如一個國家) 的氣候變化規律,對于復雜多變的近地面微小空間的氣候變化所知甚少 [1] 。當氣候發生變化時,一些生物的生活環境可能不再適宜,此時由多個物種組成的生物群落將會相應地變化。然而,人們觀察到的這種群落物種組成的變化對宏觀氣候變化的反應往往滯后。

近日,一項來自歐洲多國的研究揭示,生物群落的變化,實際上主要受到微小氣候的控制。5月14日,《科學》 (Science) 雜志發表了這項研究。 [2]

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微氣候“主宰”林下植物多樣性

宏觀氣候 (macroclimate) 通常指的是一個較大地理區域的總體氣候 [3] 。微氣候 (microclimate) 指的是近地面微小空間的氣候,范圍一般包括水平尺度上幾厘米到幾百米,鉛直尺度上幾厘米到幾十米,至多不超過150米高度。由于與地面距離很近,微氣候易受到地表熱量、水汽等影響,表現為明顯的日變化 [1] 。

森林由很多層組成,從上到下依次主要為冠層 (forest canopy) 、林下層 (understory) 、地被 (ground) 。作為林木枝葉的稠密頂層,森林的冠層是森林與外界環境相互作用最直接和最活躍的界面層,在生物多樣性的形成與維持以及生態系統功能過程中發揮著重要的作用。林下層介于冠層與地被之間,主要由適合生活在樹冠陰影下的灌木叢和幼樹組成。地被包含腐爛的葉子、動物糞便和枯死的樹木,可以為植物提供養分 [4] 。

在本研究中,研究人員調查了歐洲56個地區的2955個永久性植被樣地,并對每個樣地進行了12年至66年的復查,將調查結果與歐洲溫帶森林中100個林分的亞冠層溫度的測量數據相結合,研究了冠層覆蓋與宏觀氣候溫度緩沖 (temperature buffering) 之間的關系,并預測了在適合正常生長的季節中 (生長季) 林下層溫度的變化。

研究發現,隨著林下層最高溫度的增加,森林林下層植物群落中親熱物種的數量增加,這一現象稱為 “嗜熱化/高溫化” (thermophilization) 。研究人員指出,嗜熱化與微氣候變化有關,而與宏觀氣候變化無關。為了量化嗜熱化,研究者根據觀察到的物種組成的變化進行溫度變化的生物重建,以十年為單位得到了嗜熱率 (℃/十年) 。研究人員發現,隨著微氣候變暖,林下層植物群落的嗜熱率增加 (置信度95%) ,而宏觀氣候溫度的變化對嗜熱率無影響。

有其他研究人員指出,當氣候條件發生變化時,群落中物種組成的相應變化往往滯后,這一現象稱為氣候債務 (climate debt) 。微氣候、宏觀氣候的溫度變化速率與嗜熱率的差值即為微氣候債務和宏觀氣候債務。研究人員發現,冠層覆蓋率減少后,冠層對溫度的緩沖能力降低,可觀察到微氣候債務明顯增加,而這一模式在宏觀氣候債務中并未發現。

圖(a)表示復測時的冠層覆蓋率低于基線調查時的冠層覆蓋率,導致對宏觀氣候的溫度緩沖從2°C降至1°C。圖(b)、圖(c)表示隨著冠層覆蓋率的減少,最大溫度緩沖(Tmax buffering)降低,此時微氣候債務顯著增加,而宏觀氣候債務基本持平,兩圖中的綠點與圖(a)對應。圖源:Zellweger F, et al. Science, 2020.

微氣候為何能影響植物多樣性?研究人員認為,林冠覆蓋層的喪失使微氣候變暖,表現為局部熱量增加,這將加劇群落反應與宏觀氣候變化之間的不平衡。反之,當冠層覆蓋增加使微氣候變涼時,群落反應與宏觀氣候變化之間的矛盾得到緩和。由此,基于宏觀氣候數據的氣候債務應予以重新審視和謹慎解釋。

“所有生物都有一個適宜繁殖的最佳溫度,當由于樹木覆蓋減少而使微氣候變暖時,溫暖親和性物種將取代寒冷親和性物種。但是,當群落組成的轉變發生得不夠快、無法跟上氣候變暖的步伐時,群落內部將出現氣候債務。在樹木覆蓋減少導致高速變暖的森林中,這種氣候債務尤其高。” 該研究的第一作者、來自瑞士聯邦森林、雪與景觀研究所 (WSL) 的弗洛里安·策爾格 (Florian Zellweger) 博士告訴《知識分子》。

策爾格表示,樹木和森林可以提供陰涼舒爽的微氣候,對將來可能會面臨的愈發頻繁的高溫天氣的人們來說是好事。合理管理林木、不亂砍濫伐,這樣既能保留溫度緩沖效果,又能使物種更好地適應新氣候條件。

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對小尺度氣候研究不足

研究者在指出微氣候變化對生物多樣性等研究的重要意義的同時表示,目前對微氣候隨時間的變化知之甚少,也不清楚這些變化是如何調節植物和動物群落的嗜熱率和氣候債務的。

就中國而言,目前國內關于生物多樣性應對氣候變化的研究多集中在整個國家尺度,缺乏對小尺度氣候變化的關注。然而,由于我國地域遼闊、生態系統千差萬別,基于國家尺度的研究對于地方上制定生物多樣性應對氣候變化的政策往往作用有限 [6] 。

“我們應該增加關于微氣候如何隨著時間和空間變化的知識,然后將這些知識納入氣候變化對生物多樣性和生態系統功能影響的評估中。” 策爾格表示。

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