中国南北过渡带的地形与干旱程度差异以及物种多样性,共同影响着该地区树木的生长敏感性

《Agricultural and Forest Meteorology》:Geographical and aridity gradients along with species variation shape tree growth sensitivity in the northern and southern transitional zone of China

【字体: 时间:2026年06月24日 来源:Agricultural and Forest Meteorology 6.6

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  岳伟鹏|马克斯·C.A.托本森|陈峰|弗雷德里克·莱尼格|扬·埃斯佩尔|埃杜尔内·马丁内斯·德尔卡斯蒂略|埃马努埃莱·齐亚科|蒂姆·纳赫茨|王世杰|英格·柯尔斯滕·霍姆费尔德|马塞尔·昆兹|赵晓恩|安托尼娅·科尔策尔|胡茂|徐阳|侯铁源|曹红华|王赫川|张赫丽|牛俊强|陈有平中国

  
岳伟鹏|马克斯·C.A.托本森|陈峰|弗雷德里克·莱尼格|扬·埃斯佩尔|埃杜尔内·马丁内斯·德尔卡斯蒂略|埃马努埃莱·齐亚科|蒂姆·纳赫茨|王世杰|英格·柯尔斯滕·霍姆费尔德|马塞尔·昆兹|赵晓恩|安托尼娅·科尔策尔|胡茂|徐阳|侯铁源|曹红华|王赫川|张赫丽|牛俊强|陈有平
中国昆明云南大学国际河流与生态安全研究所云南国际河流与跨界生态安全重点实验室

摘要

了解树木对气候变化生长敏感性的空间分布对于制定有效的适应性森林管理策略至关重要,尤其是在生态敏感区和过渡带。本研究利用来自12种树木的70组年轮宽度序列,系统分析了中国南北过渡带(NSTZ)内树木对温度、降水量和干旱指数(scPDSI)等关键气候因子的径向生长响应。分析表明,前一年9月、当年1月以及晚春到初夏(4月至6月)的降水量对大多数树木的生长有促进作用(相关系数>0.003),而当年5月和12月的温度则会抑制树木生长(相关系数分别为-0.443至-0.004和-0.396至-0.026)。进一步的冗余分析(RDA)和GeoDetector分析显示,生长敏感性的空间变异主要受地理因素、干旱程度和物种本身的影响,而蒸散量差和土壤湿度等局部微气候因素的影响相对较弱。在SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下的多模型预测表明,该过渡带可能会面临更加干燥且生态气候差异更大的状况(平均变异系数>0.25)。这类变化可能会加剧树木生长与气候关系之间的空间差异,增加生态系统不稳定的风险,从而对森林生态系统的长期可持续性构成威胁。

引言

森林生态系统在维持生态平衡、保护环境以及支持人类社会可持续发展方面发挥着重要作用(Führer, 2000; Perry et al., 2008; Watson et al., 2018)。作为森林生态系统的核心组成部分,树木决定了森林生态系统的结构与功能特征,是物质和能量循环的纽带,同时也影响着各种复杂的生态过程(Bardgett et al., 2014; Maynard et al., 2022; Waring and Running, 2010)。当前的气候变化已经严重影响了森林生态系统的结构、组成和功能,尤其是干旱频率和强度的增加,使得树木的生理过程和生长动态发生显著变化,导致树木死亡率上升、森林状况恶化,给森林管理带来挑战,同时也威胁到了森林生态系统服务的供给(Liu et al., 2013b; Martinez del Castillo et al., 2022; Williams et al., 2013; van Mantgem et al., 2009; Gao et al., 2018; Clark et al., 2016; McDowell et al., 2020)。不同树种在功能特性、水分利用策略和碳分配方面的差异,导致了它们对气候变化的生长响应模式各不相同(King et al., 2013; Trugman et al., 2019)。因此,了解树木如何应对气候变率对于预测未来森林动态和制定适应性管理策略具有十分重要的意义(Millar et al., 2007)。
年轮为森林生态系统提供了高分辨率的时间记录,而年轮宽度对气候变率极为敏感,因此能够为我们提供关于历史气候与生长关系的有力信息,以及未来可能的发展趋势的线索(Babst et al., 2014; Chen et al., 2026; De Micco et al., 2019; Huang et al., 2010; Wilmking et al., 2020)。尽管已有许多研究探讨了树木生长与气候之间的关系,但大多是在有限的空间范围内,针对少数地点或树种进行的,这不利于我们发现那些复杂且多样的响应模式(He et al., 2013; Vitali et al., 2017; Zang et al., 2012; Yue et al., 2024a)。此外,那些研究地理空间梯度上生长响应模式及其驱动因素的研究,往往局限于相对单一的森林类型或狭窄的生态区域,比如北方的温带森林和南方的亚热带森林,这些研究可能无法充分展现高度多样化的森林生态系统中的气候与生长关系的复杂性及不稳定性(Altmanová et al., 2025; Li et al., 2020, 2023b; Su et al., 2021)。在生态过渡带这类生态系统组成、气候波动和生理策略都存在较大差异的地区,树木对气候的响应往往表现出明显的非线性特征(Albrich et al., 2020; Charney et al., 2016; Grimm et al., 2013)。例如,位于湿润到半湿润地区或亚热带与温带交界处的森林生态系统,往往对年度间的气候变化更为敏感,对极端天气事件的响应也更强烈(Jentsch and von He?berg, 2022; Li et al., 2023a; Liu et al., 2013a; Xie et al., 2024a)。因此,迫切需要分析涵盖多种气候带、不同生态系统类型以及多种树种组合的树轮数据集。
中国南北过渡带(NSTZ)在自然地理和文化地理上都具有重要意义,它是北方与南方气候、生态及农业方式的交汇地带(图1)。从宏观层面来看,这里的景观格局和生活习俗都体现了中国南北差异的叠加与融合;而从大规模的气候和地形特征来看,则以明显的西北-东南走向的梯度为主(图1)。沿着这一西北-东南方向,该地区的气候呈现出明显的差异性

章节节选

研究区域概况

NSTZ的概念源自秦岭-淮河分界线所划定的地理边界。在景观格局和生活习俗等宏观层面上,NSTZ集中体现了中国南北之间的差异;而在大规模的气候和地形特征上,则以明显的西北-东南走向的梯度为主(图1)。沿着这一走向,该地区的气候呈现出明显的差异性

年轮序列统计与生长变异

所研究的森林主要以中龄到接近老龄的自然林为主,这些树木的年轮平均长度为126.9年,其长期生长趋势相对稳定(表S1)。大多数采样点的树木生长对气候极为敏感,其MS值接近0.21,但不同地区的差异较为明显(表S2)。整体样本集能够有效反映一致的气候信号,这一点可从平均VFE值中看出

生长与气候关系的空间差异

在NSTZ的70个采样点中,年轮序列的结构特征和生长趋势都存在明显的空间差异(图2,表S2)。对树木对温度、降水量以及scPDSI的径向生长响应的系统性分析也显示出明显的区域差异(图3和S4)。西北地区的树木在5月至9月期间与温度呈显著的负相关,这可能是由于蒸发量增加所致

结论

基于NSTZ的70组年轮宽度序列,本研究系统分析了树木径向生长与温度、降水量、干旱等主要气候因子之间的关系,探讨了影响生长敏感性变化的内在机制,并利用CMIP6多模型气候预测结果分析了未来气候变化可能带来的影响。研究发现,树木年轮径向生长对气候的响应存在显著的物种差异和空间差异

代码获取方式

用于数据分析的代码可向通讯作者索取。

CRediT作者贡献说明

岳伟鹏:写作——审阅与编辑,写作——初稿撰写,可视化,验证,监督,软件使用,资源获取,项目管理,方法设计,数据收集,资金筹集,正式分析,数据整理,概念构建。马克斯·C.A.托本森:写作——审阅与编辑,可视化,资源获取,方法设计,正式分析,概念构建。陈峰:写作——审阅与编辑,监督,资源获取,项目管理,数据收集,资金筹集,
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