对大尺度植物光合作用的模拟一直是生态学和地球系统科学领域的研究热点。

植物光合作用是全球碳循环最重要的组成部分之一。通过光合作用，植物吸收大气中的CO2，从而能够缓解因人类排放温室气体而导致的气候变化。

植物光合作用在不同的时间尺度上受到环境因子的影响，而对光合作用影响最大的环境因子之一就是太阳辐射。

一般认为，植物光合作用是由太阳辐射驱动的一个瞬时生物化学过程，因而植物光合作用的大小仅仅和短期光照强度相关。这一理解也构成了主流地球系统模型中对光合作用的模拟的基础。

然而在植物生理学界，有一些研究表明一些物种的光合对中长期光照能够产生适应性。中长期光照越强，植物的光合作用能力越强。

这一机制能够有效地提高植物的光能利用效率，从而进一步促进植物光合。

但是对这一机制缺乏全球尺度的研究，我们并不清楚是否光照适应性普遍存在于自然生态系统，以及这一适应性的大小和空间分布。

在这项工作中，研究人员利用全球涡度相关站点网络观测的碳通量和气象数据计算了不同生态系统的最大光合作用能力。

通过统计研究，研究人员发现在控制生态系统叶片密度和环境温度的前提下，生态系统的最大光合作用能力和一周到一个月的平均光照强度呈现显著正相关。

这一正相关关系存在于85%左右的研究样本中，表明生态系统中植物光合对长期光照的适应性是普遍存在的。

在生长季中，十天平均光照强度每增加100 μmol photon m^-2s^-1，生态系统最大光合作用能力增加3.1 ± 1.3 μmol C m^-2s^-1。

研究人员观测到的生态系统光合光照适应性强度，与以往在物种叶片尺度上观测到的强度非常接近。

研究人员进一步发现，生态系统的光合光照适应性在农业生态系统中表现的最强，而在森林和草地等自然生态系统中较弱。

一个可能的原因是农作物具有较高的氮利用效率，从而能够有效的产生光合作用的关键酶Rubisco来利用更强的光照。

生态系统的光合光照适应性也会随着温度和冠层结构产生变化。

研究人员发现低温条件下的光抑制过程和高温条件下的大气饱和水汽压差对植物气孔导度的影响，都能够导致光合光照适应性的变化。

除此以外，研究人员推测冠层内部的阴叶可能会比冠层顶部的阳叶具有更强的光照适应性，因为随着冠层叶片密度的上升，生态系统的光合光适应能力变强了。 

利用观测到的生态系统光合光适应强度，研究人员进一步检验了9个主流的诊断式陆地模型，发现这些模型普遍低估了生态系统光合作用对长期光照的适应性。

最近发展的生态最优理论认为，光合作用中的光反应和暗反应长期来看应该是相互协调的，以最小的植物蒸腾和羧化损耗达到最大的光合效率。

这一理论提供了一种利用长期光照强度来模拟光合作用能力的思路，从而可以将观测到的植物光照适应性考虑进光合作用模拟中。

研究人员利用这种思路改进了一个陆地模型。利用全球涡度相关站点的观测，研究人员发现改进后的模型提高了对光适应性的模拟，并且在不同时间尺度上有效地减少了光合作用模拟的不确定性。

这一研究首次表明了全球生态系统中植物光合作用普遍存在对中长期光照的适应，并且提供了一种有效的方式将光适宜性加入地球系统模型中，从而提高大尺度光合作用模拟的精度。

相关论文信息：

DOI：10.1038/s41559-020-1258-7