亚马逊棕榈与双子叶树木茎干水分储存动态研究

《Tropical Plant Biology》：Stem Water Storage Dynamics in Amazonian Palms and Dicotyledonous Trees

　　

茎干水分储存在缓冲植物应对干旱过程中发挥关键作用，然而针对热带森林树木茎干含水量的连续监测仍然十分匮乏。研究人员利用频域反射法（Frequency Domain Reflectometry, FDR）传感器，在2023年极端干旱期间对巴西亚马逊东部共存的棕榈与双子叶树种茎干水分储存及调动动态进行了连续监测。该方法首次提供了亚马逊棕榈（Astrocaryum vulgare Mart.、Oenocarpus distichus Mart.）及其共存树种的高时间分辨率茎干水分动态数据集。结果表明，相较于双子叶植物，棕榈具有显著更高的绝对储水能力以及更大的季节性和昼夜水分调动幅度。通过一种新型的关键相对茎干含水量阈值分析方法，研究人员揭示了显著的生理差异：在双子叶植物已表现出明显功能受损的含水量水平下，棕榈仍能维持较高的相对昼夜排水能力（即日间茎干释放水量相对于最大储水能力的比例）。此外，研究识别出一个共同的土壤含水量阈值0.19 m3m?3，低于该值茎干水分迅速下降，表明可能发生与土壤的水力断开。本研究展示了FDR技术结合新型阈值分析方法在描述热带棕榈与树木应对气候变化下日益加剧的干旱胁迫方面的有效性。

研究背景方面，棕榈（Palmae/Arecaceae）是美洲热带地区丰度最高、多样性最丰富的植物类群之一，其分布几乎完全局限于热带狭窄的地理与气候范围内，且在亚马逊森林中占据重要地位，可占部分森林类型总基底面积的60%。尽管棕榈生态重要性突出，但在植物生理与水力研究中长期被边缘化，主要原因在于其解剖结构的独特性——作为单子叶植物缺乏维管形成层，木质部导管直径较大，依赖薄壁组织储水。现有研究对棕榈在干旱条件下的水分调节机制了解有限，尤其是亚马逊地区棕榈茎干水分动态的连续观测数据匮乏。随着亚马逊极端干旱与高温事件频率增加，阐明棕榈的水分储存与调动策略对于预测其未来分布及生态系统响应至关重要。

为开展研究，研究人员在巴西帕拉州卡舒埃拉国家公园（Floresta Nacional de Caxiuan?）选取两种亚马逊棕榈（Astrocaryum vulgare、Oenocarpus distichus）及五种共存双子叶树木作为样本队列，利用频域反射法（FDR）传感器在胸高处连续监测茎干体积含水量，结合气象站记录的降水、气温、相对湿度及蒸气压亏缺（VPD），以及时域反射法（TDR）传感器测定的多层土壤含水量，开展为期163天（2023年7月至12月）的旱季至湿季过渡期监测。数据分析采用广义加性混合模型（GAM）、临界相对茎干含水量阈值分析及统计检验方法。

研究结果部分，首先，茎干储水能力与时间变异性分析显示，棕榈的最大饱和茎干含水量（θ_t）显著高于双子叶树（0.700 ± 0.039 vs. 0.411 ± 0.058 m³m^?3），绝对储水能力高出约70%；棕榈季节性茎干水分消耗（Δθ_stem）约为双子叶树的3倍，昼夜最大水分波动幅度也超过两倍。其次，茎干含水量与昼夜排水能力的关系分析发现，棕榈在较低相对茎干含水量（RWC）条件下仍能维持较高的昼夜排水能力，其临界RWC阈值（RWC_crit）为0.67 ± 0.01，显著低于双子叶树的0.81 ± 0.03；棕榈在RWC低至0.87 ± 0.02时即可达到最大排水能力，而双子叶树需在接近饱和的0.94 ± 0.01才达到峰值。第三，土壤水分阈值响应分析表明，当1米深处土壤含水量降至0.19 m³m^?3（约0.65土壤相对含水量）时，所有物种茎干含水量均出现快速下降，且棕榈的下降幅度显著大于双子叶树，提示此时发生水力断开。

讨论部分指出，棕榈的高储水能力与其富含薄壁组织的茎结构密切相关，使其在干旱期间可通过大量释放茎干储存水维持蒸腾作用，属于避旱型水力策略。临界含水量阈值的差异反映了两类植物在水力安全与效率之间的权衡。土壤水分阈值的普遍性暗示亚马逊森林可能在相似土壤湿度条件下失去茎干补水能力，这对预测极端干旱下的树木死亡率具有重要意义。研究同时强调，频域反射法（FDR）是一种低成本、高灵敏度的监测工具，可用于追踪热带植物水分动态及干旱响应。

研究结论表明，亚马逊棕榈与双子叶树在茎干水分储存与调动策略上存在根本差异，这种差异可能影响整个生态系统对气候变化的响应。鉴于棕榈在亚马逊森林中的重要组成地位，未来应加强对该类群水力生理的系统研究，以完善热带森林对极端气候响应的预测模型。