通过长达十年的野外实验，厘清高山树线处种子可获得性与植物存活（即建立过程）之间的影响机制

《Journal of Ecology》：Disentangling seed availability and establishment filters at alpine treelines through a decade-long field manipulation

该研究通过十年期 factorial 实验场，分析西班牙 Pyrenees 两种 treeline 类型（abrupt 和 diffuse）中种子供应、 Herbivory 排除、灌木竞争及土壤划痕对松树种子lings 的影响。发现种子供应是主要限制因素，尤其在 diffuse treeline；Herbivory 排除显著提高种子lings 存活率；气候因素如 growing-season 温度、雪深与生物因素如灌木覆盖存在交互作用，影响不同年龄 stages 种子lings 的动态。treeline 扩展需多因素协同作用，包括种子丰度、温和气候窗口、适度灌木竞争及低 Herbivory 压力。

　　近年来，全球范围内的气候变暖引发了对高山树线向上迁移的广泛关注。这种迁移被认为是气候变化的敏感指标，然而，实际观察到的树线响应却呈现出不一致和缓慢的趋势。尽管温度被普遍认为是潜在树线上升的主要驱动因素，但研究也揭示了其他因素，如降水、积雪覆盖、植食性动物活动以及历史土地利用模式，对树线动态的影响。这些复杂因素共同作用，使得树线对气候变化的反应远比预期更为微妙和不确定。因此，研究多个交互驱动因素对树线迁移的影响，成为理解其未来变化趋势的关键。

树线处的幼苗更新主要依赖于种子的供应、种子传播和萌发等过程。种子的可获得性是限制树线扩展的一个重要因素，因为随着海拔升高，种子产量、种子活力和传播率都会显著下降，同时受到种子捕食压力的进一步影响。高山树线的树木通常在寒冷、资源贫乏的条件下产生较少的可育种子，并且在高海拔地区，种子的结实年份并不频繁。因此，种子的供应量随着海拔升高而减少，而幼苗在树线以上的生长面临诸多限制。此外，种子在传播后仍可能因植食性动物的取食而遭受损失，这进一步削弱了树线以上区域的种子雨。即使在适宜的气候条件下，种子供应不足也可能持续限制树线处的幼苗更新。

除了种子供应外，幼苗成功建立还依赖于适合其再生生态位的微生境。这些微生境的条件，尤其是微气候，对幼苗的萌发和早期生长至关重要。幼苗的生长窗口通常短暂，如温暖湿润的春季或夏季，这一现象在某些针叶树树线系统中已被证实。然而，树线附近的微生境可能并不总是适宜的，这限制了幼苗的建立。年轻幼苗对气候和生物胁迫极为敏感，例如缺乏积雪覆盖或突如其来的早春霜冻可能杀死树线以上的幼苗，从而抵消温暖生长季节带来的好处。此外，风带来的积雪堆积也可能缩短生长季节，影响幼苗的存活。高海拔地区的浅层土壤和低营养水平也进一步阻碍了幼苗的生长，而哺乳动物的啃食行为可能抑制或消除高山地区的树木再生。

尽管这些限制因素已被识别，但它们的重要性及其相互作用仍存在很大不确定性。例如，温度上升可能促进种子萌发和幼苗生长，但温暖的条件并不总是能克服生物限制，如竞争。气候变暖、种子可获得性和生物相互作用导致幼苗更新结果的差异，表明树线对气候变化的响应高度依赖于局部微生境、物种特性以及历史干扰。这种复杂性促使研究者呼吁进行多因素实验和跨站点比较，以明确种子与微生境限制之间的相对重要性，从而提高对未来气候情景下树线移动的预测能力。

本研究在西班牙比利牛斯山脉的两个不同树线类型——陡峭的Ordesa树线和扩散的Tessó树线——进行了为期十年的多因素田间实验。实验包括种子添加、植食性动物排除、灌木竞争和土壤翻动等处理，旨在探讨这些因素如何影响Pinus uncinata幼苗的建立。我们假设种子供应是两个树线类型中幼苗更新的主要限制因素，但扩散树线对气候变异，特别是生长季变暖的反应更为敏感，而陡峭树线由于其明确的植被边界，预计会受到更强的微生境和生物限制。

实验设计中，我们在两个树线区域分别设立了四个处理类型：无种子添加和土壤翻动（对照）、仅种子添加、仅土壤翻动、以及种子添加加土壤翻动。每个区域设置了20个重复的0.5×0.5平方米的样方，随机分配至不同处理组。此外，在种子添加和土壤翻动的样方中安装了1毫米网格的网笼，以测试植食性动物排除对幼苗萌发和存活的影响。种子添加于2013年、2014年和2018年的秋季，添加密度分别为每样方60、200和100–150颗种子，以检测不同树线对微生境种子供应的敏感性。实验从2013年7月开始，持续到2024年，期间每年对0.25平方米的子样方进行幼苗数量的记录，但并未对个体幼苗进行永久标记。

在分析中，我们采用贝叶斯零膨胀负二项模型（ZINB）来描述幼苗密度的分布特性。考虑到对照和仅土壤翻动样方中几乎所有的幼苗数量为零，我们将其归为一个“对照”类别，以简化模型分析。同时，我们通过变量重要性分析（如提升回归树模型，BRT）来评估不同变量对幼苗密度的影响，包括生长季最大温度（GSMaxT）、生长季最小温度（GSMinT）、生长季总降水量（GSTP）、冬季积雪深度、灌木覆盖和有机层覆盖等。这些模型还考虑了处理与各变量之间的交互作用，以揭示不同因素对幼苗更新的综合影响。

实验结果显示，种子添加显著促进了幼苗的萌发，尤其是在扩散树线（Tessó）中，幼苗密度随着种子添加量的增加呈现出更明显的密度依赖性响应。相比之下，陡峭树线（Las Cutas）中种子添加的效应较为有限，表明其他生态过滤因素在此区域起着更重要的作用。此外，网笼（植食性动物排除）在两个树线类型中都显著提高了幼苗密度，尤其在扩散树线的种子添加加土壤翻动样方中效果最为明显。这些结果表明，植食性动物对幼苗的取食是影响早期更新的重要生物限制因素。

幼苗密度还受到生长季温度和灌木覆盖的显著影响，但这些影响在不同树线类型和不同年龄阶段表现出差异。在陡峭树线中，生长季最大温度对幼苗密度呈负相关，尤其是在年轻幼苗阶段，而高灌木覆盖则进一步抑制了幼苗的建立。而在扩散树线中，幼苗对生长季最大温度的响应呈现非线性关系，表现为在中等温度下达到最大密度，温度过高或过低均会导致幼苗数量减少。这一现象表明，生长季温度的适宜范围对幼苗更新至关重要，而灌木覆盖在不同生长阶段对幼苗的影响也存在变化。例如，在扩散树线中，年轻幼苗在低灌木覆盖下表现最佳，而年长的幼苗则可能在高灌木覆盖下存活，只要处于特定的“促进窗口”，即较低的生长季最大温度、较深的积雪覆盖和较温和的生长季最小温度。

冬季积雪深度对幼苗更新的影响同样复杂。在陡峭树线中，积雪深度对1年生幼苗的萌发有促进作用，但在2年生和3年生幼苗阶段，极深的积雪反而会减少存活率。这表明积雪在不同年龄阶段对幼苗的作用存在双重性，既是保护因子，也可能成为限制因素。而在扩散树线中，1年生幼苗在中等积雪深度下表现最佳，而2年生和3年生幼苗则显示出积雪深度的线性正相关。这些结果强调了积雪在高山生态系统中的核心作用，它不仅影响幼苗的早期建立，还可能通过改变微气候条件来影响幼苗的长期存活。

此外，我们还发现，生长季最小温度对幼苗更新具有显著的限制作用。在两个树线类型中，较高的生长季最小温度与1年生和2年生幼苗密度的下降相关，但这种影响在第三年减弱。这可能是因为温暖的夜间增加了幼苗的呼吸成本，从而影响其碳平衡和生存能力。同时，积雪的深度变化也影响了幼苗的更新，尤其是在陡峭树线中，积雪对幼苗的影响呈现明显的非线性模式，表明积雪在树线动态中扮演着关键角色。

本研究的结果表明，树线的扩展并非单一因素驱动，而是多种生态过滤因素共同作用的结果。这些因素包括种子供应、植食性动物活动、灌木竞争以及微气候条件等。因此，未来的研究和模型构建应超越简单的气候包络分析，转而整合种子供应、生物相互作用和微气候的动态变化，以更准确地预测树线对气候变化的响应。此外，长期的种子产量和干扰记录将有助于进一步理解树线的适应性和变化趋势，从而为高山生态系统的管理和保护提供科学依据。