比样地更快：树木年轮数据高效揭示安第斯特有针叶树种Retrophyllum rospigliosii的生长动态

《Dendrochronologia》：Faster than plots: Tree-ring data efficiently reveal growth dynamics in the Native Andean conifer Retrophyllum rospigliosii

　　

研究人员利用树木年轮学（Dendrochronology）技术，结合永久样地（Permanent Sample Plots, PSPs）长期监测数据，针对安第斯特有针叶树种Retrophyllum rospigliosii开展了生长动态重建研究。该研究以哥伦比亚安第斯山区1999年营造的人工林为对象，整合了30个PSPs连续20年的胸径、树高及生物量观测数据与16株代表性样木的年轮宽度序列。研究人员采用von Bertalanffy生长模型（基于代谢理论的非线性混合效应模型）拟合个体尺度的胸径与生物量增长轨迹，并通过非线性混合效应模型（Nonlinear Mixed-Effects Models）量化参数不确定性。结果表明，基于年轮重建的生长曲线与PSPs实测值在95%置信区间内高度一致，能够准确反映胸径、断面积、材积及生物量的年际变化。该方法仅需少量样木即可替代传统长期样地监测，填补了森林生长数据的时间缺口，为安第斯山区森林恢复成效评估及碳汇计量提供了高效工具。

论文解读

研究背景与意义

安第斯山地森林在全球碳循环与生物多样性保护中具有关键作用，但其生长动态的系统监测依赖永久样地（PSPs），需数十年持续投入大量人力物力，且易受监测周期短、样本偏差影响。Retrophyllum rospigliosii作为安第斯特有针叶树种，被广泛应用于区域生态恢复与商业造林，但因栖息地破坏与过度采伐被列为IUCN易危物种。量化其生长与生物量积累规律，对评估恢复成效及碳汇潜力至关重要。传统PSPs在长期数据获取上存在局限，而树木年轮学可提供高分辨率的历史生长记录，但二者在热带人工林中的整合应用仍待验证。

关键技术方法

研究人员选取哥伦比亚考卡省1999年营造的9公顷R. rospigliosii人工林，整合两类数据集：一是30个PSPs在2001–2018年间9次复测的420株树木胸径、树高数据；二是按径级分层选择的16株样木的树轮宽度序列（经交叉定年验证）。采用von Bertalanffy生长模型（代谢理论基础模型）拟合胸径随时间的变化，通过非线性混合效应模型区分固定效应（呼吸参数γ）与随机效应（光合参数η、m），并引入ARIMA(1,0,0)结构处理残差自相关。利用参数自助法（Parametric Bootstrap）模拟生长轨迹的不确定性，并与PSPs实测值进行校准验证。

研究结果

3.1 参数估计与模型诊断

von Bertalanffy模型参数均显著（p<0.001），符合代谢理论预期（η=1.512>0，γ=0.564>0，m=0.678∈(0,1)）。残差自相关分析支持AR(1)结构，模型有效消除时序依赖性。个体生长曲线模拟显示21年生时胸径范围为9.02–39.78 cm，与实测值（9.00–40.80 cm）吻合。

3.2 模型校准

独立验证集的平均偏差（AB）为0.29 cm，平均绝对误差（MAE）为0.85 cm，模型效率（ME）达98.4%，表明模型无偏且解释力强。

3.3 年轮预测与PSPs观测对比

模拟的个体胸径、断面积、材积及生物量生长轨迹的95%置信区间与PSPs实测值高度重叠（仅4–10年生阶段略有偏差），证实年轮数据可准确重现长期监测结果。

3.4 林分尺度生长曲线与生产力估算

固定效应模型预测21年生时林分平均胸径16–24 cm，断面积22–50 m²ha^-1，材积110–200 m³ha^-1，生物量107–206 Mg ha^-1。平均年增量（MAI）与当前年增量（CAI）交点分别为胸径11年、断面积16年、材积14年、生物量18年，对应MAI峰值分别为1.53 cm year^-1、2.59 m²ha^-1year^-1、11.04 m³ha^-1year^-1、10.10 Mg ha^-1year^-1。

讨论与结论

研究证实树木年轮学可作为PSPs的高效替代或补充手段，仅需16株代表性样木即可重建多年代际生长动态，显著降低监测成本与时间。相比PSPs，年轮数据覆盖全生长期且分辨率更高，可减少短期监测导致的生长高估偏差。R. rospigliosii虽生长速率低于外来速生树种，但其长期生物量积累与碳固存潜力更适配安第斯恢复项目对生态系统稳定性的需求。研究提出的von Bertalanffy非线性混合效应模型兼具生物学可解释性与预测精度，为热带人工林的可持续管理提供了可扩展的方法框架。未来需在天然林异质性生境中进一步验证该方法的适用性，并推广至其他具明确年轮的 tropical species，以支持区域碳核算与适应性管理决策。