入侵物种Psidium cattleianum如何重塑夏威夷森林结构与水文功能——基于LiDAR与多层生物物理模型的生态水文机制解析

本研究针对入侵树种Psidium cattleianum如何通过改变森林三维结构影响生态系统蒸散发(ET)这一科学难题，结合地面激光扫描(TLS)与多层生物物理模型，首次量化了入侵导致的植被面积指数(VAI)增加36%、平均叶高度降低3米等结构变化，揭示植被垂直分布差异可使ET增幅差异达104%（19%-123%），为岛屿生态系统水文管理提供理论依据。

　　

在全球生物入侵加剧的背景下，夏威夷群岛作为典型脆弱生态系统，正面临外来树种Psidium cattleianum（草莓番石榴）的生态威胁。这种被称作"高耗水物种"的入侵者，已导致当地以Metrosideros polymorpha（'ohi'a）为主的原生森林出现结构退化与水文循环改变。传统研究多关注入侵植物的生理耗水差异，但美国加州大学伯克利分校环境科学、政策与管理系（Department of Environmental Science, Policy and Management, University of California, Berkeley）的Tara Seely团队发现，结构重塑可能是更关键的驱动因素——入侵不仅增加叶面积，更会重构森林垂直层次，这种三维空间重组如何影响生态系统功能尚不明晰。

研究人员创新性地将地面激光扫描(TLS)获取的厘米级植被结构数据，耦合到多层生物物理模型CLM-ml中。通过15个样地（涵盖5个海拔梯度站点）的400m²样带调查，结合变角棱镜法测量基面积、TLS点云生成植被面积指数(VAI)等7项结构指标，量化了入侵梯度(IV_inv)与结构参数的定量关系。模型通过离散化森林层次，分别计算各层太阳辐射分配与气孔导度，最终模拟不同入侵情景下的蒸散发(ET)响应。

结构变化梯度
TLS数据显示：当入侵重要性值(IV_inv)从0增至1时，总VAI上升36%（图4A），但植被分布呈现"矮化"与"均质化"双重特征——平均叶高度降低3米（图4B），结构异质性指标如粗糙度降低59%（图4C）、基尼系数减少18%（图4D）。特别值得注意的是，不同站点的垂直分布模式存在显著差异：Kalopā站点的入侵植被集中在中层（图5c），而Hawai'i Volcanoes NP站点则呈现均匀分布（图5e）。

功能影响机制
模型模拟揭示：当IV_inv>0.35时，ET增幅概率显著提高（表2）。最极端的Kalopā入侵样带ET增加123%，而同等IV_inv增幅的'Ola'a站点仅增加15%。这种差异源于垂直分布调控——诊断性情景模拟显示（图6-7）：将1.5倍叶面积指数(mLAI)集中在上层（LAI_{high_Structnative}）比分布在中层（LAI_{high_Structinv_mid}）或下层（LAI_{high_Structinv_low}）分别多产生11.4%和14.5%的ET增量。这表明，入侵植被占据光照充足的上层空间时，其水分消耗效应会被放大。

这项发表于《Ecosystems》的研究，首次通过结构-功能耦合视角阐明：入侵植物对水文循环的影响不仅取决于叶面积总量，更与三维空间占领策略密切相关。该成果为预测岛屿生态系统的水文响应提供了新范式——管理者可优先清除冠层入侵植被以缓解水资源压力。研究方法上，TLS与多层模型的结合突破了传统"单层模型"的局限，为生态水文研究建立了可推广的技术框架。作者特别指出，未来需补充冠层生理梯度测量，以更精确量化物种特异性差异的贡献。