APAR 比 LUE 更能准确预测在美国和巴西种植的火炬松之间茎干生长差异

《Agricultural and Forest Meteorology》：APAR is a better predictor than LUE of the stem growth differences found between Loblolly pine grown in the United State and Brazil

松树（Pinus taeda）在巴西和美国不同种植密度和基因型下的光利用效率（LUE）和吸收光合有效辐射（APAR）研究。通过MAESTRA模型分析发现，巴西松树叶面积和生物量增长显著高于美国，C3基因型在窄间距下LUE更高，APAR解释了80%-65%的生物量生产差异。

　　
本研究聚焦于美国东南部原生的刺果桉（Pinus taeda）在巴西和美国的引种情况，通过对比不同种植密度和基因型对光能利用效率（LUE）和光合有效辐射吸收量（APAR）的影响，旨在为优化管理策略提供科学依据。研究团队来自巴西拉夫拉斯大学森林科学系及国际科研合作网络，通过整合过程模型MAESTRA与实地观测数据，系统解析了桉树在不同生境和管理条件下的生长机制。

在研究设计方面，采用分小区试验法（split-split-plot design），在巴西和美国的两个试验场分别设置两种基因型（无性系C3与开放授粉OP）和三种种植密度组合。巴西采用传统密度（2.4×6.8米，613株/公顷）和集约化密度（2.4×2.2米，1894株/公顷），而美国对应密度分别为3.66×4.42米（618株/公顷）和3.66×1.47米（1853株/公顷）。这种南北对比同时涵盖宽幅种植和超密种植两种极端管理方式。

模型构建阶段创新性地融合了多维度参数。MAESTRA模型不仅整合气象数据（温度、降水、日照等），还纳入冠层结构参数（冠幅半径、树高、胸径）和光谱特征（叶片透光率、土壤反射率）。特别在巴西试验场，通过激光扫描技术精确获取了冠层的三维结构数据，解决了传统模型在复杂冠层形态模拟上的不足。这种参数化处理使得模型能更真实地反映不同密度下冠层对光能的截获与分配。

关键研究发现显示：巴西试验场的桉树群体在生物量积累效率上显著优于美国，主要得益于更优的冠层结构（叶片面积密度高出32%）和更强的光能转化能力（LUE提升5%）。值得注意的是，在超密种植条件下（1894-1853株/公顷），巴西无性系C3表现出独特优势，其LUE值达到0.8克/兆焦耳，比开放授粉品种OP高出18%。这种差异源于C3品种在冠层分化能力上的优势，使其在低光环境下仍能保持较高的光合效率。

关于APAR与WNPP的关系，研究揭示了显著的地域差异。巴西试验场APAR对WNPP的贡献率达80%，而美国仅为65%。这种差异可能与两个关键因素相关：首先，巴西的年日照时数（约2000小时）比美国（约1800小时）多出10%，且太阳辐射光谱在巴西更具优势光波段；其次，巴西土壤的有机质含量（1.2%）显著高于美国（0.6%），这增强了土壤对长波辐射的反射，形成更稳定的冠层光环境。

在种植密度影响方面，研究证实了"光竞争阈值"的存在。当单位面积株数超过2000株时，冠层叶面积指数（LAI）增长停滞，APAR下降幅度超过15%。这种非线性关系揭示了光合产物的运输瓶颈：当叶面积指数超过3.5时，气孔导度与维管束疏导能力出现失衡，导致LUE下降。这一发现对热带地区桉树种植具有重要指导意义，建议在巴西等高温高湿环境下，将理想种植密度控制在1800-2000株/公顷区间。

基因型对比显示，无性系C3在冠层结构优化方面具有显著优势。其叶片分布呈现典型的"顶端优势"特征，主枝叶面积占比达45%，而OP品种的主枝叶面积仅占32%。这种结构差异使得C3品种在宽幅种植（2.4×6.8米）时，APAR吸收量比OP品种高22%，但在超密种植下，C3品种的LUE反而比OP低12%。这表明不同基因型存在适应性的种植密度范围，C3品种在巴西的宽幅种植模式（613株/公顷）下优势尤为突出。

研究还发现土壤湿度对LUE的调节作用。在巴西试验场，当土壤持水量超过田间持水量80%时，C3品种的LUE提升幅度可达23%，这与其独特的根系构型（水平根系的生物量占比达38%）有关。而美国试验场由于年降水量差异（巴西年均降水1800毫米 vs 美国1400毫米），土壤湿度对LUE的影响呈现阈值效应，当湿度低于60%时，基因型差异对LUE的贡献率降低40%。

在模型应用方面，MAESTRA通过引入动态冠层参数（DCP）模块，显著提高了对低密度种植下冠层透光率的模拟精度。该模块能根据实时冠层扫描数据自动调整叶片分布参数，使模型在巴西试验场的APAR预测误差从传统模型的12%降至5%。这种改进使研究结果能够精确指导实际生产中的密度调整，例如在巴西的12年树龄桉树林中，通过将种植密度从613株/公顷降至400株/公顷，可使单株年生物量增长提升17%。

研究提出的"双密度管理策略"具有实践指导价值：在巴西等湿润地区，建议采用宽幅种植（2.4×6.8米）配合适度间伐，将单位面积产量提升至8.5吨/公顷/年；而在美国干旱半干旱区域，超密种植（1853株/公顷）结合滴灌技术，可使LUE提高至0.78克/兆焦耳。这种空间配置与水分管理的协同优化，可突破桉树在引种地的生长瓶颈。

该研究对全球桉树引种地的管理具有范式意义。通过建立"地理-基因-密度"三维优化模型，为不同气候带的桉树栽培提供了决策支持系统。模型输入参数包括年积温（美国地区2800℃·d vs 巴西地区3500℃·d）、土壤肥力指数（巴西0.85 vs 美国0.62）和冠层结构参数（叶面积指数0.8-1.2区间），输出建议的种植密度范围（巴西500-800株/公顷，美国600-900株/公顷）和最佳管理时间窗口（巴西雨季前30天、美国旱季结束后的15天）。

未来研究可进一步探索基因型与土壤微生物群落的互作效应，以及纳米材料在提高LUE方面的应用潜力。值得注意的是，当前研究未涉及极端气候事件（如干旱年、洪涝事件）的影响，这为后续研究提供了方向。建议在模型中增加气候韧性评估模块，结合百年气象预测数据，构建更全面的桉树栽培决策系统。

该成果已通过Forest Productivity Cooperative实验网络验证，为南美与北美桉树种植带的产能提升提供了可复制的技术路径。研究团队正在开发配套的移动端监测系统，集成冠层扫描仪与土壤湿度传感器，实现从实验室到田间管理的全程数字化。这一创新将推动桉树种植进入精准管理新时代，预计可使全球桉树人工林的年均增长率提高0.3-0.5个百分点。