干旱和树木死亡率：科学揭示了世界森林的恶劣未来

一个在过去的几年里，一系列灾难性的干旱已经明确了，未来越来越极端的天气事件将使生活变得更加艰难。越来越多的研究是恰好说明了原因。

一个杂志上的新论文自然，与耶鲁大学合著克雷格布罗德森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?

Craig Brodersen：我们试图为过去15或20年来提供该领域的学到的综合，并在过去几年发生的主要干旱事件的范围内，我们现在了解了干旱诱导的死亡事件 - 特别是in places like Texas and California — where we’ve seen millions of trees die in a very short period of time.

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。

近年来我们看到的干旱频率如何与历史趋势相比？它如何影响树木？

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:我们认为，当一棵树进入干旱时，首先要发生的事情是它将它的气孔缩短以便节约用水。但这把树放在困境中;如果它封闭其气孔以节约用水意味着不能拉CO₂在大气中进行光合作用。然后，它必须依靠其内部存储来在干旱期间获得。最终，树生存干旱的能力是它目前存储和可用于保持活力的碳的功能。

在树的恢复能力方面，我们现在发现，如果一棵树丢失其总电导率的一定比例 - 它可以运输多少水 - 有一个倾向于它之后它不会回来。它需要能够在其行李箱中储存足够的水，然后具有足够的血管系统功能，以便在明年的哑铃中生长，以取代任何损失液压障碍的木材。当树木被推动超出那个没有足够的水而没有足够的储存的碳水化合物时，它们变得非常容易受到害虫和疾病，因为他们的防御系统显着降低。如果树被推得太过了，那么如果昆虫不先得，他们超出了这一裁定点的可能性。

在过去十年中，由于干旱损失了多少棵树？

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。

是否特别容易受到任何物种或生物体？

Brodersen:很多真正的伟大工作已经走出西南部，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:植物有一个血管系统，一旦开发，允许它们用几乎零能量成本运输大量的水。没有代谢泵，以便像你在动物身上找到一样的循环系统。相反，木质SAP处于负压下：基本上将水的蒸发从叶子中蒸发，通过微型中空管将浇灌的浇灌器拉起，除了管道小于人头发的直径之外，类似于家庭管道，以及水被拉，而不是推动。但研究植物如何运输水的问题之一是血管系统隐藏在树皮后面。即使你拉下吠叫，它仍然很难看出icem内部发生的事情。你不能在不损害它的情况下削减它，并且还没有一个好方法来研究内部植物的发生并想象在那里发生的事情。

在过去的10年左右，我们的团队 - 包括安德鲁麦克朗在UC DAVIS和LED的团体布伦丹Choat和蒂姆Brodribb在澳大利亚 - 一直在使用高分辨率X射线成像，使我们能够在植物内部看到，看看植物血管系统的功能状态，以了解它们在模拟干旱期间是否填充了水或空气。

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。

知识中的一些剩余差距是什么，这种科学家社区想要解决？

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。