不同竞争水平下小叶杨人工林气候敏感性与生理响应的变化机制研究

《Agricultural and Forest Meteorology》：How Do climate sensitivity and physiological responses of Populus simonii plantations change under different competition levels?

本研究针对干旱半干旱区人工林管理中如何平衡竞争与气候适应性的关键问题，以三北防护林主要树种小叶杨(Populus simonii)为研究对象，通过树轮年代学与稳定碳同位素技术，揭示了竞争强度通过改变水分利用效率(WUE)和根系分布格局，显著影响树木对干旱的抵抗力和恢复力。研究发现高竞争立地树木通过提高内在水分利用效率(iWUE)和浅层根系分布策略应对水分胁迫，但多次干旱事件后恢复能力显著降低，为人工林密度调控提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，极端干旱事件频发对森林生态系统构成严重威胁。特别是在干旱半干旱地区，人工林作为重要的生态屏障，其可持续发展面临严峻挑战。三北防护林作为世界上最大的生态建设工程，其中小叶杨(Populus simonii)因其良好的适应性和生长表现成为主导树种。然而，由于初植密度较高，这些人工林正面临着日益激烈的种内竞争。在气候变暖、干旱加剧的双重压力下，理解竞争如何影响树木的气候响应机制，成为森林可持续管理的关键科学问题。

以往研究关于竞争对树木生长的影响存在争议：有研究认为适度竞争能增强树木抗旱能力，也有研究表明竞争影响不显著，甚至强调立地水分条件的重要性。这些相互矛盾的认识给林业工作者采取合理管理措施带来了困惑。特别是在生理机制层面，竞争如何通过调节树木水分利用策略来影响其对气候变化的响应，尚缺乏系统研究。

为解决这一科学问题，北京林业大学水土保持学院的王琨瑛等研究人员在《Agricultural and Forest Meteorology》上发表了最新研究成果。研究团队以河北省张北县未间伐的小叶杨人工林为研究对象，创新性地将树轮年代学、稳定碳同位素分析与根系分布调查相结合，从多维度揭示了不同竞争水平下小叶杨的气候敏感性与生理响应策略。

研究主要采用了以下关键技术方法：基于树轮宽度数据计算基础面积增量(BAI)评估生长动态；利用稳定碳同位素(δ¹³C)分析树木内在水分利用效率(iWUE)；通过土壤剖面根系调查确定根系分布特征；运用竞争指数(CI)量化树木竞争强度；采用干旱恢复力(Resilience)指标评估树木对多次干旱事件的响应能力。

描述 of the study area

研究区位于河北省张北县(40.95°–41.57° N, 114.17°–114.97° E)，属寒温带大陆性季风气候，年均气温3–4°C，年降水量约400毫米，土壤有机质含量较低。该区域是三北防护林工程的重要组成部分，为研究干旱半干旱区人工林对气候变化的响应提供了理想场所。

Stem and root growth of P.simoniiwith different levels of competition

研究发现，不同竞争水平下的小叶杨树木在生长初期具有相似的生长轨迹，但随着时间推移出现显著分化。中、高竞争立地的树轮宽度和基础面积增量(BAI)显著低于低竞争立地。竞争还导致根系分布向表层土壤(0–20厘米)集中，这种浅层根系分布策略虽然能短期内获取更多水分，但可能增加树木在持续干旱中的脆弱性。

Growth response to competition, climate, and soil moisture

温度、土壤水分和竞争被确定为影响树木生长的重要因子。随着竞争强度增加，温度对BAI的相对贡献逐渐减小，而土壤水分与生长的关系则呈现相反趋势，表明土壤水分限制随竞争加剧而增强。值得注意的是，降水和蒸汽压亏缺(VPD)对生长的影响几乎不显著，突显了在该半干旱区土壤水分是树木生长的主要限制因子。

Conclusions

研究证实，在 semi-arid 地区，温度升高可能促进树木茎干生长，而土壤水分对维持个体树木径向生长至关重要。基于稳定碳同位素的分析显示，高竞争立地树木通过提高内在水分利用效率(iWUE)并保持细胞间CO₂浓度恒定的保守气孔调节策略来应对水分胁迫。干旱影响了所有立地的生长模式，但多次干旱事件后，中、高竞争立地的恢复力(Resilience)显著低于低竞争立地，表明干旱对小叶杨生长的影响随竞争强度增加而加深。未能完全恢复到干旱前生长水平意味着未来树木死亡风险升高，相反，低竞争指数(CI)的立地更有可能在更热更干的气候中持续生存。

这项研究的创新之处在于将竞争强度、气候响应和生理机制有机整合，揭示了竞争通过改变树木水分利用策略和根系分布来调节其气候敏感性的内在机制。研究结果不仅为理解人工林树木对气候变化的适应策略提供了新视角，也为三北防护林等生态工程的可持续管理提供了科学依据。特别是在全球变化背景下，如何通过合理密度调控来平衡林木生产力和生态稳定性，本研究提供了重要的理论支撑和实践指导。未来研究可进一步结合长期定位观测和多尺度模型模拟，深入揭示竞争-气候-树木生长的互作机制，为应对气候变化下的人工林管理提供更全面的解决方案。