三维冠层重建揭示落叶松人工林光合与碳固存对干旱胁迫的响应机制

本研究针对极端气候条件下针叶树种冠层结构与光合性状响应机制不明的问题，通过整合三维冠层重建与高分辨率生理性状分析技术，量化了落叶松人工林在干旱胁迫下的光截获、气孔导度(gs)和叶绿素含量等关键参数变化。研究发现疏伐使冠层光透射率从15%(CK)提升至22%，干旱条件下碳吸收量增加18%；降水减少导致光合有效辐射(PAR)降低12%，而疏伐与降水减少协同作用使碳吸收提升25%。该研究为功能性状驱动的森林管理提供了新范式。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱和高温等极端气候事件严重威胁森林生态系统的光合能力和碳固存潜力。针叶林作为重要的碳汇，其冠层结构动态与光合性状的响应机制尚不明确，特别是在干旱胁迫条件下，如何通过森林管理措施优化冠层光环境成为关键科学问题。落叶松(Larix kaempferi)作为速生针叶树种，对气候条件变化高度敏感，但其人工林在干旱条件下的光合适应策略缺乏系统性研究。

传统冠层监测方法存在精度不足、难以量化三维结构等问题，而新兴的遥感技术如激光雷达(LiDAR)和无人机(UAV)为高精度冠层表型分析提供了可能。针对这些挑战，研究人员在辽宁抚顺大孤家林场开展实验，通过结合三维数字重建与光合生理测量，揭示了落叶松人工林冠层结构-功能关系对干旱和疏伐的响应规律。

研究采用多学科交叉方法，主要技术路线包括：(1)基于无人机摄影测量和地面激光扫描(TLS)的冠层三维重建；(2)光合参数原位测量系统(LI-6400XT)获取净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)等指标；(3)开发光线追踪算法模拟冠层光分布；(4)构建非直角双曲线模型量化碳同化量。实验设计包含45%疏伐强度(Thn)和30%降水减少(RP)双因子处理，在72株样本树上进行垂直分层测量。

冠层光环境与光合效率评估显示，疏伐处理使冠层光透射率从对照组的15%显著提升至22%，光合效率提高导致干旱条件下碳吸收量增加18%。通过三维重建获得的叶面积指数(LAI)为3.98±0.42 m²
/m²
，敏感性分析表明叶片吸收系数(A_leaf)变化对光合有效辐射(PAR)截获影响最大(±10%变化导致6.3%差异)。微气候测量发现疏伐使林下气温升高1.5±0.3°C，表层土壤含水量增加3.4%。

冠层PAR垂直分布与气孔导度关系研究表明，降水减少导致PAR降低12%，气孔导度下降20%，叶绿素含量减少8%。累积叶面积指数(cLAI)与相对冠层高度呈S型曲线关系，疏伐处理显著改变光分布模式，使更多光能穿透至冠层中下部。值得注意的是，疏伐与降水减少的复合处理(Thn+RP)未表现简单叠加效应，反而在特定高度出现光截获比例异常升高现象。

冠层结构与光合生产力关联分析发现，最大光合能力(Pmax)随冠层深度增加而降低，而光系统II最大量子产量(Fv/Fm)呈相反趋势。干旱条件下中层冠层光抑制最显著，其中疏伐+降水减少处理的SF₁₂
(正午光抑制因子)为0.856-0.817，显著优于对照组(0.725-0.675)。双向方差分析证实疏伐显著提升Pn(F=10.85)和gs(F=7.15)，而降水减少产生负效应，两者交互作用显著(F=3.77)。

碳增益计算模型显示，考虑光抑制动态场景时，疏伐处理的日碳同化量降幅最小(场景2为6.9%)，而单一降水处理降幅达13.9%。光线追踪模拟揭示直立叶片的冠层结构具有更高光饱和点，疏伐形成的开敞冠层相比密闭冠层(CK)光能利用率提升25%。

讨论部分强调三维数字重建技术突破了传统测量的局限，为量化冠层结构-功能关系提供了新范式。研究证实疏伐通过优化光分布缓解干旱胁迫，但需注意其提高蒸腾需求的潜在风险。创新性体现在：(1)开发针叶林专用冠层重建算法；(2)揭示光抑制的垂直分布规律；(3)量化管理措施与气候因子的交互效应。该成果发表于《Plant Phenomics》，为应对气候变化的精准林业管理提供了理论依据和技术支撑，未来需结合高性能计算(HPC)提升全林分可视化能力，并探索土壤水分等因子的调控机制。