我院全球变化生态学科基于中国北方高山林线树木的年轮数据，探讨了径向生长的时间变异性和空间同步性的环境和生物驱动机制, 相关科研论文“Precipitation change, functional traits and stand structure jointly control the spatiotemporal variability of radial growth in alpine treeline ecotones across northern China”近期在国际林学和生态学期刊《Agricultural and Forest Meteorology》在线发表。

以往一般认为北极(高山)林线的形成是由于生长季温度的限制所导致，因此全球变暖可能有利于高纬度(海拔)树木的生长。但近期研究发现，干暖化正在取代温度成为高纬度(海拔)地区树木生长的主要限制因素，并威胁森林生态系统的稳定。生长的时间变异性、空间同步性(树木间的年轮宽度一致变化的程度)，对于理解气候变化下森林生态系统服务的功能和维持至关重要。目前，不同自然地理区域的气候变化差异，如何与功能性状、林分结构共同作用于树木生长的时空变异性的大尺度地理格局, 其驱动机制仍不清楚。

本研究沿着经度(降水)梯度对中国北方的高山林线进行了研究，包含了从东北长白山、大兴安岭直至新疆阿尔泰山、天山、昆仑山的11个林线地点，共计调查了41个样地。并对样地内的树木进行年轮取样，计算了1950-2005年间的树木生长的时间变异性(SD)和空间同步性(Rbar)，结合各个样地的气候条件、气候变化趋势、气候变异性、功能性状和林分结构等数据, 利用混合效应模型等方法探讨了树木生长的时空变异性的影响机制。

研究结果表明，东部湿润区(经度 > 102°E)的高山林线经历了降水的急剧减小和潜在蒸散量的增加(干暖化趋势)，而西部干旱区的林线经历了轻微的水分增加趋势(干旱减轻趋势) (图1)。这一特征对于本研究中林线树木生长的时间变异性和空间同步性的地理格局至关重要

图1 中国北方11个高山林线采样点的位置。背景图显示了1950-2005年间的年平均降水量的斜率(左)以及年平均潜在蒸散量的斜率(右)。其中，DN是落叶针叶林; EN是常绿针叶林; DB是落叶阔叶林。

与基于以往研究的预期相反，落叶针叶林的生长变异性从湿润区到干旱区减小(图2A)，这种格局主要是因为自1950年以来西部(干旱)地区的水分增加，而东部(湿润)地区水分减少(图4)。干暖化趋势(降水减小以及蒸散增加)导致了生长时间变异性和空间同步性的增加(图2B, C)。

图2 生长的时间变异性(SD)和空间同步性(Rbar)与气候条件、气候趋势之间的关系。其中，彩色线是每个功能型的回归线，而黑色线是所有样地的回归线。

我们还发现了不同功能型的生长变异性存在显著差异，落叶阔叶林最大，其次是落叶针叶林，而常绿针叶林最小(图3A)；并且快速生长策略(高比叶面积)的树种有更大的生长时空变异性(图3B, C)。这与我们在全球尺度上的结果相反(Wang & Wang, 2024), 可能是由于东部林线地点的树种具有快速生长策略、但经历了明显的干暖化，后者直接导致了更大的生长变异性。

图3生长的时间变异性(SD)和空间同步性(Rbar)与功能性状、功能型的关系。其中，彩色线是每个功能型的回归线，而黑色线是所有样地的回归线。

混合效应模型结果表明(图4)，气候趋势(降水的变化速率)和林分结构因子是影响生长时间变异性(SD)最主要的因素，而空间同步性(Rbar)主要受功能性状和林分因子的影响。

图4混合效应模型中(以“地点”作为随机效应)解释树木生长的时间变异性(SD)和空间同步性(Rbar)的各变量的相对重要性

研究结果表明生态模型不应仅依据气候因素来预测森林的脆弱性，而需要充分考虑气候因素、功能性状和林分因子之间的相互作用(图5)。高山林线生长变异性和同步性的增加表明气候干暖化对我国北方亚高山森林可能有严重威胁。另外，本研究所发现的林分因素和功能性状的重要性也表明，调整林分因子(如间伐)和物种组成(功能性状)的可能是缓解气候变化脆弱性的有效手段。

图5 中国北方林线径向生长的时间变异性和空间同步性的影响因素: 1)气候变化趋势, 即东部湿润区的干暖化和西部干旱区的干旱减轻趋势; 2)生长策略(功能性状); 3)林分因子。

生态与自然保护学院全球变化生态学科2020级博士研究生王雪梅和2016级博士毕业生梁鹏鸿为论文的共同一作，王襄平教授为通讯作者。本研究得到了第三次新疆科学考察计划(2021xjkk0603, 2022xjkk1205)，国家自然基金(32271652), 云南省方精云生态学工作室等项目的资助, 以及北京大学城市与环境学院的方精云教授及常锦峰、张新平、林鑫等老师的大力帮助。

论文信息: Wang, X., Liang, P., Li, L. & Wang, X. (2024). Precipitation change, functional traits and stand structure jointly control the spatiotemporal variability of radial growth in alpine treeline ecotones across northern China. Agricultural and Forest Meteorology, 350: 109992, doi/10.1016/j.agrformet.2024.109992.

原文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168192324001072 (50天内免费下载)

编辑：王雪梅 王襄平

审核：张振明