摘要：气孔是植物叶片与外界进行水汽和二氧化碳交换的重要通道。气孔导度（单位通常为mmol·m-2·s-1）表示单位时间内通过单位叶面积的气体量，与Farquhar光合模型耦合（光合-气孔导度耦合模型），是陆面模型估算和预测植被冠层光合速率和蒸腾速率的重要基础。因此，
研究背景：
气孔是植物叶片与外界进行水汽和二氧化碳交换的重要通道。气孔导度（单位通常为mmol·m-2·s-1）表示单位时间内通过单位叶面积的气体量，与Farquhar光合模型耦合（光合-气孔导度耦合模型），是陆面模型估算和预测植被冠层光合速率和蒸腾速率的重要基础。因此，准确评估现有主流气孔导度模型在自然环境下的适用性，有助于深入理解气孔导度响应复杂多变环境的特点和机制，并提高光合-气孔导度耦合模型的预测精度。科学问题：
弱光环境广泛存在于自然界中，比如清晨、多云、林下层等。在弱光环境下，空气相对湿度也较高，空气饱和水汽压差（VPD）较小。前期研究发现（Xue et al., 2022），USO（Unified Stomatal Optimization mode）气孔导度模型显著高估弱光和高湿环境下叶片气孔导度，导致Farquhar光合模型显著地高估叶片光合速率。为了区分弱光和高湿气象因子对气孔导度的调控作用和强度，我们借助机器学习算法的强大统计学功能，用随机森林算法替换光合-气孔导度耦合模型的USO气孔导度模型（可称为Farquhar光合-随机森林推演模型）（图1），为解析气孔导度-多气象要素响应规律和机制提供了新思路。
图1. Farquhar光合-随机森林气孔导度耦合（推演）模型构建示意图。
主要试验结果：
（1）弱光环境下气孔导度与光合速率存在非线性关系（图2），与USO气孔导度模型的气孔导度-光合速率线性关系假设相悖，是其高估弱光下叶片气孔导度的原因；
图2. 不同VPD情景下气孔导度-光合关系。RF：基于随机森林算法的光合-气孔导度推演模型；USO：统一气孔优化模型；USO2022：Lamour et al. (2022)提出的改进USO模型；USO2024：本研究提出的改进USO模型；BBL：Ball-Berry-Leuning气孔模型。
（2）胞间CO/Ca）与光合有效辐射（PAR）的非线性关系（图3），是导致弱光下气孔响应迟缓的原因；胞间
CO22ia）与光合有效辐射（PAR）的关系。a图为实测值，b图为光合-气孔导度拟合值。RF：基于随机森林算法的光合-气孔导度推演模型；USO：统一气孔优化模型；USO2022：Lamour et al. (2022)提出的改进USO模型；USO2024：本研究提出的改进USO模型。（3）USO气孔导度模型假设气孔导度与VPD为反比例函数关系，当VPD降低时气孔导度会趋向无穷大，即高湿环境下USO气孔导度模型高估叶片气孔导度。当在二者的反比例函数关系式，加入一项延迟系数D0后，能够较好地解决该问题（图4）。气孔导度（
gsw）与水蒸气压差（VPD）的关系（图a）和气孔导度日变化观测与拟合值（图b）。USO2022：Lamour et al. (2022)提出的改进USO模型；USO2024：本研究提出的改进USO模型；Obs：观测值。（4）基于随机森林算法的光合-气孔导度演绎模型能够准确推导并解释气孔-气象的复杂归因关系。
新疆大学生态与环境学院薛伟副教授为论文第一作者，中科院西双版纳热带植物园张教林研究员为通讯作者。本研究得到热带森林生态学重点实验室开放基金和自治区天池英才-创新领军人才计划资助。
参考文献：
（1）Wei Xue, Xue-min He, Quan Wang, Pei-jun Shi, Guang-hui Lv, Jian-feng Huang, Da Yang, Jiao-lin Zhang*. An improved representation of stomatal model for predicting diurnal stomatal conductance at low irradiance and vapor pressure deficit. Agricultural and Forest Meteorology, 2024, 354: 110098.
（2）Wei Xue*, Hong Luo, Marc Carriquí, Miquel Nadal, Jian-feng Huang, Jiao-lin Zhang. Quantitative expression of mesophyll conductance temperature response in the FvCB model and impacts on plant gas exchange estimations. Agricultural and Forest Meteorology, 2022, 325: 109153.
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来源：科学往前飞评