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植物生理生態(tài)學科組立于2014年,現(xiàn)有固定工作人員6人,在讀碩士、博士研究生共14人。實驗室自成立以來爭取到科研經(jīng)費2600余萬元,實驗室主要設(shè)備和野外平臺建設(shè)投入達500余萬元。針對東北地區(qū)森林生產(chǎn)力/碳匯功能提升、防風固沙林功能穩(wěn)定性提升兩個重大林業(yè)需求開展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究,基于相關(guān)工作的開展建成了樹木水力結(jié)構(gòu)研究先進實驗室,搭建了支撐相關(guān)研究的野外平臺和技術(shù)體系。??????
?????研究團隊立足我國北方地區(qū),以天然林、人工林、防風固沙林等生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,運用植物生理學、樹輪/微樹芯分析、遙感等技術(shù)手段,針對林業(yè)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中存在的問題,開展基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。在保證基礎(chǔ)研究系統(tǒng)、深入和前沿性的同時,注重與林業(yè)、生態(tài)保護和修復(fù)的實際問題相結(jié)合,為森林質(zhì)量和生態(tài)功能提升提供基礎(chǔ)理論依據(jù),服務(wù)于我國林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和“生態(tài)文明”建設(shè)。?
研究方向??????????
樹木水力結(jié)構(gòu)???????
功能性狀與樹種的生產(chǎn)力和抗逆性權(quán)衡???????
干熱環(huán)境中樹木水-碳-熱耦合生理???????
溫帶森林氣候變化響應(yīng)格局和機制???????
防護林提質(zhì)增效相關(guān)樹木生理基礎(chǔ)???????

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團隊代表性研究成果?
代表性成果1: 較高緯度地區(qū)樹木生產(chǎn)力形成的水-碳耦合生理機制?????? ?
明確了木質(zhì)部水分傳輸效率對東北典型森林優(yōu)勢樹種生產(chǎn)力的決定性影響。優(yōu)勢樹種的生產(chǎn)力很大程度上影響群落的結(jié)構(gòu)和功能,其形成機制具有重要的理論及應(yīng)用研究價值。該項目研究發(fā)現(xiàn),“東北三大硬闊”(水曲柳、胡桃楸和黃檗)等針闊混交林優(yōu)勢闊葉樹種的木質(zhì)部環(huán)孔材結(jié)構(gòu)、復(fù)葉形態(tài)等性狀使其具備高效的水分傳輸系統(tǒng),從而可實現(xiàn)比其他共存樹種顯著更高的光合碳同化速率。通過木質(zhì)部栓塞可視化測定的新技術(shù),我們發(fā)現(xiàn)水曲柳、蒙古櫟等高生產(chǎn)力樹種的葉脈、復(fù)葉葉柄和莖中的木質(zhì)部導(dǎo)管存在顯著的“水力學分割”現(xiàn)象。一方面,這些樹種具有高效的木質(zhì)部水分傳輸系統(tǒng),可以滿足葉片蒸騰和光合作用高效進行;另一方面,當干旱發(fā)生時可確保栓塞首先在葉片和復(fù)葉葉柄中發(fā)生,以犧牲葉片的方式保護具有更高構(gòu)建成本的莖。該機制的存在使得葉片在水分傳輸通路中起到“保險絲”的作用,在最大化水分傳輸效率和葉片氣體交換速率的同時,保證了干旱發(fā)生時整個枝條的水力安全。???????

可視化技術(shù)用于測定干旱導(dǎo)致葉脈、葉柄和莖中導(dǎo)管氣穴化栓塞發(fā)生過程 ???????
同時,將生理測定與樹木年輪和樹徑生長原位監(jiān)測相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)水力導(dǎo)度、光合速率和樹木生長速率間存在顯著正相關(guān),證實了水力傳輸效率對樹木生產(chǎn)力形成的重要作用。該研究表明,可通過水力結(jié)構(gòu)相關(guān)的重要功能性狀測定評估樹木的生產(chǎn)力,從而為選擇和培育高生產(chǎn)力的造林樹種提供科學依據(jù)。 ???????

東北典型針闊混交林優(yōu)勢樹種水力導(dǎo)度、光合速率和樹干徑向生長速率間的協(xié)同 ???????
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相關(guān)論文: ???????
1.?Jia Song, Santiago Trueba, Xiao-Han Yin, Kun-Fang Cao, Timothy John Brodribb, Guang-You Hao(*), Hydraulic vulnerability segmentation in compound-leaved trees: Evidence from an embolism visualization technique, Plant Physiology, 2022. 189 (1): 204-214.???????
2.?Jia Song, Da Yang, Cun-Yang Niu, Wei-Wei Zhang, Miao Wang, Guang-You Hao(*), Correlation between leaf size and hydraulic architecture in five compound-leaved tree species of a temperate forest in NE China, Forest Ecology and Management, 2018. 418: 63-72. ???????
3.?Xiaohan-Yin, Guang-You Hao(*), Frank Sterck, Ring- and diffuse-porous tree species from a cold temperate forest diverge in stem hydraulic traits, leaf photosynthetic traits, growth rate and altitudinal distribution, Tree Physiology,?2023.43 (5): 722-736.? ???????
4.?Da Yang, Yong-Jiang Zhang, Jia Song, Cun-Yang Niu, Guang-You Hao(*), Compound leaves are associated with high hydraulic conductance and photosynthetic capacity: evidence from trees in Northeast China, Tree Physiology,?2019. 39?(5): 729-739. ???????
5.?Yan-Yan Liu, Jia Song, Miao Wang, Na Li, Cun-Yang Niu, Guang-You Hao(*), Coordination of xylem hydraulics and stomatal regulation in keeping the integrity of xylem water transport in shoots of two compound-leaved tree species, Tree Physiology, 2015. 35 (12): 1333-1342.? ???????
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代表性成果2: 木質(zhì)部栓塞的產(chǎn)生和修復(fù)對溫帶森林樹種脅迫抗逆性的影響機制?????? ?
揭示了東北典型森林優(yōu)勢樹種生產(chǎn)力和抗逆性權(quán)衡的生理學機制。針對東北地區(qū)較為特殊的環(huán)境脅迫因子,圍繞樹木水力結(jié)構(gòu)開展了抗逆生理研究,揭示了越冬后木質(zhì)部栓塞修復(fù)對較高緯度地區(qū)樹木抗逆性具有重要影響的生理機制。結(jié)果表明,越冬過程中頻繁發(fā)生的凍融交替可誘導(dǎo)木質(zhì)部產(chǎn)生嚴重的氣穴化栓塞,導(dǎo)致水力傳輸功能受損甚至喪失,是該區(qū)樹木存活和生長的重要制約因素。雖然在相對適宜的生境中高的水分傳輸效率支撐高的光合碳同化速率和樹木生長速率,然而在凍融交替等脅迫較嚴重的環(huán)境中木質(zhì)部栓塞可導(dǎo)致嚴重的水分傳輸功能障礙,樹木的環(huán)境適應(yīng)性還需兼顧水力安全。導(dǎo)水效率和安全性對木質(zhì)部具有相對立的結(jié)構(gòu)要求,導(dǎo)致由水力學特征差異介導(dǎo)的潛在生產(chǎn)力和抗逆性間的顯著權(quán)衡,從而形成了樹種間環(huán)境適應(yīng)性分化的重要生理學基礎(chǔ)。基于凍融過程和干旱(含冬季干化)對較高緯度環(huán)境中樹木水力傳輸功能潛在的雙重脅迫,我們提出并驗證了較高緯度溫帶森林環(huán)境中木質(zhì)部水分傳輸效率、凍融栓塞抵抗力、干旱栓塞抵抗力三者間的權(quán)衡關(guān)系。 ???????

長白山主要樹種對凍融誘導(dǎo)栓塞的抵抗力及其與海拔分布間的關(guān)聯(lián) ???????

典型針闊混交林優(yōu)勢樹種間木質(zhì)部水分傳輸效率和安全性間的權(quán)衡 ???????
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一些較高緯度地區(qū)的樹種可在春季萌芽前產(chǎn)生根壓或莖壓,我們通過原位監(jiān)測證實該過程具有高效的栓塞修復(fù)功能。然而,樹木主動修復(fù)越冬過程中形成的栓塞需要消耗大量非結(jié)構(gòu)性碳水化合物,與其結(jié)構(gòu)性生長間產(chǎn)生對碳需求的沖突,即雖然栓塞主動修復(fù)提高了水力安全,但具有較高的碳代價。 ???????
本部分研究結(jié)果表明,樹種的生產(chǎn)力和抗逆性兩者通常不可兼得,在造林樹種選擇中需根據(jù)造林立地條件權(quán)衡利弊做出取舍。深刻理解此權(quán)衡關(guān)系及其機制,對林業(yè)實踐中依據(jù)“適地適樹”原則選擇和優(yōu)化造林樹種具有重要意義。???????
相關(guān)論文: ???????
1.?Xiao-Han Yin, Frank Sterck, Guang-You Hao(*), Divergent hydraulic strategies to cope with freezing in co-occurring temperate tree species with special reference to root and stem pressure generation, New Phytologist,?2018. 219 (2):?530-541. ???????
2.?Xiao-Han Yin, Guang-You Hao(*),?Frank Sterck, A trade-off between growth and hydraulic resilience against freezing leads to divergent adaptations among temperate tree species, Functional Ecology, 2022. 36 (3): 739-750. ???????
3.?Cun-Yang Niu, Frederick C. Meinzer, Guang-You Hao(*), Divergence in strategies for coping with winter embolism among co-occurring temperate tree species: the role of positive xylem pressure, wood type and tree stature, Functional Ecology, 2017. 31 (8): 1550-1560. ???????
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代表性成果3:樟子松防風固沙林可持續(xù)經(jīng)營的樹木水分生理基礎(chǔ)?????? ?
揭示了樟子松防風固沙林早衰的樹木水力學機制。針對我國北方最重要的防風固沙樹種——沙地樟子松(Pinus sylvestris?var. mongolica)在引種地人工林條件下存在嚴重早衰的現(xiàn)象,重點從樹木水力結(jié)構(gòu)和碳生理耦合的角度研究了相關(guān)機制。結(jié)果表明,與原產(chǎn)地大興安嶺相比,遼西沙地人工林條件下的樟子松個體水力導(dǎo)度顯著較低,尤其是隨著樹齡的增大木質(zhì)部導(dǎo)水率顯著下降,而在原產(chǎn)地不存在該趨勢。在引種地,隨林齡增加樟子松遭受更嚴峻的干旱脅迫,被迫通過脫落部分枝葉降低樹冠總蒸騰面積來減少水分消耗,降低整個植株水力失敗發(fā)生的風險。然而,該響應(yīng)以犧牲光合碳同化為代價,增加了樹木發(fā)生碳饑餓的風險。在水分長期受限的人工林環(huán)境中,水力失敗導(dǎo)致嚴重生理傷害,且隨林齡增加產(chǎn)生累積效應(yīng),使30-40年林齡以上的樟子松人工林存在更高的衰退死亡風險。在半干旱氣候條件下,沙地樟子松人工林樹木具有較低的水力安全冗余,增加了樟子松人工林衰退死亡的風險。???????

水分受限地區(qū)樟子松防風固沙人工林早衰發(fā)生的氣穴化栓塞機制 ???????
在水分受限的遼寧省西部風沙區(qū),密度過高造成的林分水量失衡是樟子松衰退死亡的重要誘發(fā)因素。結(jié)果表明,隨林齡的增加高密度樟子松人工林的水分狀況顯著惡化,而間伐處理可顯著提高樹木的木質(zhì)部水勢和水力安全冗余,從而降低干旱脅迫下因栓塞導(dǎo)致的水力失敗發(fā)生的風險。該項目研究結(jié)果表明,在氣候暖干化顯著發(fā)生的我國東北地區(qū),老化防護林的更新、密度調(diào)控(維持林分水量平衡)、更抗旱樹種的篩選和培育等十分必要而緊迫,相關(guān)成果可為“三北”地區(qū)沙地樟子松人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供基礎(chǔ)科學依據(jù)。???????

間伐處理可顯著改善高密度樟子松人工林中樹木的水分生理狀況并顯著緩解早衰發(fā)生 ???????
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相關(guān)論文: ???????
1.?Yan-Yan Liu, Ai-Ying Wang, Yu-Ning An, Pei-Yong Lian, De-Dong Wu, Jiao-Jun Zhu, Frederick C. Meinzer, Guang-You Hao(*), Hydraulics play an important role in causing low?growth rate and dieback of aging Pinus sylvestris var.?mongolica?trees in plantations of Northeast China, Plant, Cell and Environment, 2018. 41 (7):1500-1511. ???????
2.?Chun-Yang Duan, Ming-Yong Li, Chi Zhang, Xue-Wei Gong, Jiao-Jun Zhu, Yu Cao, De-Dong Wu, Guang-You Hao(*), Thinning effectively mitigates the decline of aging Mongolian pine plantations by alleviating drought stress and enhancing plant carbon balance. Environmental and Experimental Botany. Major Revision. ???????
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國際合作與人才培養(yǎng)???????
課題組與哈佛大學、加州大學洛杉磯分校、緬因州大學、美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局、荷蘭瓦赫寧根大學、德國烏爾姆大學、阿根廷國家科技理事會等的多個本研究領(lǐng)域的國際知名實驗室建立起了密切合作關(guān)系,與上述團隊人員互訪頻繁,并開展了卓有成效的實質(zhì)性科研合作。通過開展國際合作和引進青年專業(yè)人才,將微樹芯技術(shù)、樹木年輪技術(shù)、遙感等與樹木生理研究有機結(jié)合,使不同技術(shù)手段間優(yōu)勢互補,增進了樹木水力結(jié)構(gòu)前沿基礎(chǔ)研究的深度,并擴展了林學應(yīng)用基礎(chǔ)研究的時空尺度。?????? ?
課題組畢業(yè)的博士研究生均以第一作者身份在Functional Ecology、New Phytologist、Plant,Cell and Environment、Plant Physiology、Tree Physiology、Forest Ecology and Management 等高質(zhì)量期刊發(fā)表了論文,畢業(yè)碩士研究生大多獲得到國內(nèi)外知名實驗室深造的機會。團隊已有10名研究生獲得了國家獎學金或國家留學基金委海外公派留學資助,已畢業(yè)博士生均到高?;蛑锌圃貉芯克_展科研和教學工作。團隊平均每年選派1~2名優(yōu)秀青年成員赴海外合作實驗室進行學術(shù)交流和學習,近期團隊2名助理研究員成功晉升為副研究員。?????? ?