全球變暖導致的樹木生長變化及其機制

研究大綱

森林樹木的樹榦含有森林積累的大部分碳。 由於樹榦的生長（稱為“肥厚生長”，因為它水平變胖）被雕刻在樹輪內部，因此樹榦的樹木年輪具有對環境的長期生長反應的歷史（照片1）。 我一直在研究樹木年輪，如果我們能從這些樹木年輪中提取信息，我們也許能夠獲得諸如全球變暖將如何改變樹木生長以及森林的碳吸收將如何長期變化等問題的線索。

圖1：水成樹→樹幹的橫截面（圓盤）（從箭頭開頭開始）→樹木年輪樣本
注意：樹木年輪樣品不會被砍伐，但通常取自直徑為 5 毫米的岩芯樣品。

研究的特點

其中一項研究將樹木年輪劃分為多個季節，以研究長期反應。 在溫帶地區的樹木中，由於冬季樹幹停止生長而形成一個年輪，但天氣條件因季節而異（例如，今年春天很冷，但夏天很熱）。 因此，如果只看年基，很難理解是什麼樣的天氣條件導致了樹木年輪的變化。 首先，我們將分析分為兩部分，早木和晚木，它們在樹木年輪中。 我們收集了棲息在北海道大學苫小牧研究林中的20棵水成樹的年輪樣本，並檢查了從1970年開始的35年早樹和晚樹的寬度。 由於水成早期木材部分的管道非常大，如果用高精度掃描儀讀取它們，則可以將它們分為春季生產的早期木材和之後生產的晚期木材（照片2）。 當我們分析每個變數的長期趨勢時，我們發現早期木材的範圍在35年內有所增加（圖 1）。 從月度氣溫趨勢來看，3-5月的氣溫從早樹形成前到形成期呈上升趨勢。 這表明，由於溫度的升高，年輪中早期木材的寬度正在增加。

另一方面，春季氣溫的升高如何增加了早木的範圍？ 有幾種可能的機制，例如光合作用量的增加、細胞分裂的增加和更長的生長期。 使這種機制難以闡明的是早春使用的儲存營養物質的使用。 在早春，由於氣溫低，葉子剛開口，葉子中的光合作用幾乎是不可能的，眾所周知，儲存在樹幹中的營養物質被利用了。 在使用儲存養分時，幾乎不需要考慮天氣通過光合作用的影響，即生長機理不同，但目前尚不清楚儲存的養分會使用多久。 為了澄清這一點，我們進行了一項研究來分析樹木年輪中的穩定同位素比率。

同位素是原子序數相同但品質數不同的元素，稱為長期穩定存在而不引起徑向修飾的穩定同位素。 它在自然界中很豐富，就碳而言，自然界中存在的 1% 是質量數為 13 的重穩定同位素 （¹³ C）。 由於質量數較大，反應速率比平時稍慢，物質的穩定同位素比值（表示穩定同位素組成的差異）隨每次化學反應而變化。 換句話說，由於植物儲存后使用植物和光合作用后立即使用植物的穩定同位素比率是不同的，因此可以通過將樹木年輪分成小塊並測量穩定同位素比率來估計樹木年輪的哪一部分是由儲存的養分產生的。 使用與前者相同的水成材料，將苫小牧研究林和愛台運動林中3個個體的年輪分為約10個相等的部分，碳、氫和氧的穩定同位素比（δ苫小牧研究林和相台運動林中3個個體各¹³C、δD δ¹⁸。O），並發現穩定同位素比的波動模式僅在早期有顯著差異（圖2）。 這種模式強烈表明，早期樹木使用儲存的養分，即上一年的光合產物，然後使用當年的光合產物（從未儲存過的光合產物）。 由於這種模式不依賴於地區或年份，因此發現早期木材主要由水浦儲存的養分形成。

從這些發現中發現，水成早木寬度長期增加的機制似乎不是光合作用介導的因素。 過去的研究表明，冬季給樹幹增溫會加速早春開始生長，我們認為最有可能的因素是早春氣溫升高導致生長提前開始。 我們正在進行研究，從這種機制中闡明對氣候變化的反應，可能會為未來的預測提供有用的資訊。

研究的吸引力

長壽的樹木可能會改變它們對長期氣候變化的反應，例如全球變暖。 換句話說，在短期實驗中獲得的回應無法準確預測長期回應。 我們認為，樹木年輪是瞭解樹木在持續氣候變化中的反應的有效工具，並將其用於未來對全球變暖的預測和適應措施。

未來展望

在本文介紹的水奈良樹中，由於全球變暖，生長呈上升趨勢，但對全球變暖的反應可能因樹種而異。 當我們對山毛櫸（山毛櫸科的樹種）的穩定同位素比率進行類似的分析時，我們發現了一種與水生完全不同的模式。 我們想進一步闡明增長機制的多樣性和全球變暖回應的差異。

給那些希望做這項研究的人的資訊

樹木可以生長數百年甚至數千年，達到數十米甚至近百米。 這些樹木的壽命和大小與其他生物的壽命和大小有很大不同，這創造了結構複雜、生物多樣性豐富和可持續生態系統的“森林”。 除此之外，我還通過爬樹接近幾十米高的樹頂（照片3），對樹本身的大小印象深刻，反過來，通過檢查“萌芽”（照片4），這是一棵剛剛經過地面的嬰兒樹，並沉迷於任何一棵大樹從這裡開始的情感。 我們期待聽到那些喜歡被稱為「樹」的大型、長壽和多樣化生物的人、感興趣的人以及想瞭解更多的人的來信。