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为揭示树冠结构多样性的驱动机制，研究人员基于 374,888 棵全球树木数据，探究气候、干扰、竞争等对 1914 种树木的树高（H）- 胸径（D）、冠幅（CD）-D 等比例关系的影响。发现 H-D 主要受水分和光照竞争控制，CD 受风和火影响，且部分植物类群具独特冠型，为生态模型构建提供依据。
树木，作为陆地生态系统的核心组成部分，其形态多样令人惊叹 —— 从高耸入云的纤细乔木到矮胖宽阔的扁平树冠，这些差异不仅塑造了森林的三维结构，还深刻影响着生态系统的碳循环、水分利用和物种竞争。然而，长期以来，科学家们对 “究竟是什么因素驱动了树冠结构的全球多样性” 这一问题却缺乏全面认知。现有的研究虽然零星揭示了气候、竞争或进化的影响，但缺乏整合全球数据的系统性分析，难以构建完整的理论框架。此外，植被模型中对树冠结构的简化处理，也导致其在模拟生态系统动态时存在显著偏差。因此，解析树冠结构的驱动机制，成为连接野外观测与遥感技术、提升全球变化预测精度的关键环节。
来自英国布里斯托大学（University of Bristol）的 Tommaso Jucker 团队联合全球多家研究机构，开展了一项覆盖七大洲主要森林类型的大型研究。他们基于 Tallo 数据库及多国森林监测网络，收集了 1914 种树木的 374,888 棵个体数据，包括胸径（D）、树高（H）、冠幅（CD）和冠高比（CAR，CD/H）等关键指标，结合气候数据、干扰因子（如风、火）和植物功能性状（如木质密度、叶氮含量），通过系统发育广义最小二乘法（PGLS）等模型，量化了各因素对树冠结构比例关系（H-D、CD-D、CAR-D）的影响。该研究成果发表在《Nature Communications》，为理解森林生态系统的复杂性提供了新视角。
研究采用了两项核心技术方法：一是通过线性混合效应模型（LME）计算标准化树高（HD=30）、冠幅（CDD=30）和冠高比（CARD=30），以消除胸径差异对种间比较的干扰；二是利用残差分析（HRESID、CDRESID、CARRESID）评估物种实际观测值与理论预测值的偏离程度，从而识别异常冠型类群。此外，研究整合了 MODIS 树覆盖数据、ERA5 风速数据及全球火灾排放数据库（GFED）的干扰指标，结合系统发育树分析了冠型的进化信号。
全球树冠结构的光谱与驱动因素
研究发现，树冠结构在全球尺度上呈现显著差异：HD=30在不同物种间相差 12.1 倍，东南亚龙脑香科（Dipterocarpaceae）树种可达 30 米以上，而干旱地区的桧属（Juniperus）仅不足 4 米；冠幅（CDD=30）变异幅度为 5.4 倍，非洲稀树草原的豆科（Fabaceae）树种如短盖豆（Brachystegia wangermeeana）冠幅超过 14 米。冠高比（CAR）则从针叶树的垂直冠型（CAR<0.2）到金合欢属（Acacia）的水平冠型（CAR>1.2）跨度达 10.5 倍。
通过模型分析，研究明确了不同冠型参数的主导驱动因素：
- 树高 - 胸径比例（H-D）：主要受水分可用性（干旱指数、降水季节性）和光照竞争（树覆盖度）调控。在湿润且高树覆盖的热带森林，树木为争夺光照而优先投资垂直生长，形成纤细高挺的冠型；而在干旱地区，树木为降低水力风险，倾向于横向扩展冠幅，导致树高增长受限。值得注意的是，温度通过与干旱的交互作用间接影响树高 —— 高温加剧干旱对树高的抑制效应，但在寒冷气候中该效应减弱。
- 冠幅 - 胸径比例（CD-D）：干扰因素（风速、火灾频率）起决定性作用。强风环境中，树木通过缩小冠幅降低风阻，而火灾频发的稀树草原，树木则通过扩展冠幅增强光能捕获和防火适应性（如豆科树种的宽冠型）。此外，木质密度与冠幅呈正相关，表明机械稳定性是宽冠型进化的重要约束。
- 冠高比（CAR）：综合反映水分、竞争和干扰的权衡。干旱和开放生境中，CAR 值较高（水平冠型），以最大化光能吸收；而在郁闭森林中，CAR 值较低（垂直冠型），体现对光照竞争的适应。
系统发育信号与特异冠型类群
进化分析表明，冠型参数具有显著的系统发育信号（Pagel’s λ 值：H=0.70，CD=0.54，CAR=0.63），揭示了冠型进化的保守性。例如，龙脑香科和肉豆蔻科（Myristicaceae）在东南亚热带森林中形成独特的高挺冠型，而豆科树种在非洲稀树草原演化出异常宽冠，这与其适应火干扰和低竞争环境的策略密切相关。裸子植物（如松科）因顶端优势强，普遍具有窄冠和低 CAR 值，与被子植物形成鲜明对比。
功能性状的协同演化
研究还发现冠型与功能性状的关联：叶氮含量高的物种倾向于更高的树高和冠幅，反映其 “快速生长 - 高资源需求” 策略；木质密度与宽冠型和水平冠型正相关，表明机械支撑是冠幅扩展的前提。然而，种子质量与冠型无显著关联，暗示种子传播方式对冠型的影响可能被其他因素掩盖。
研究意义与展望
这项研究首次构建了全球树冠结构的多维驱动框架，证实了水分、光照、干扰和进化历史的共同作用，并识别了关键功能类群。其科学意义体现在：①为植被模型（如动态全球植被模型 DGVMs）提供了更真实的冠型参数，提升碳通量和水文过程的模拟精度；②通过遥感技术反演树冠结构奠定了理论基础，助力全球森林监测；③揭示了生物多样性与生态系统功能的关联机制，为气候变化下的森林保护策略提供依据。
未来研究可进一步拓展至冠层三维结构（如冠体积、叶面积分布）和种内可塑性分析，结合激光雷达（TLS）等新技术，深化对冠型适应机制的理解。此外，整合更多极端环境数据（如高海拔、冻土区）将有助于完善全球冠型光谱，推动跨尺度生态学研究的发展。
