气候变化下白桦与山杨径向生长的环境响应策略及其生态适应机制研究

推荐：本研究针对气候变化背景下半干旱区森林树木生长响应机制不清的问题，通过连续三年（2021-2023）监测大兴安岭南段天然次生林中白桦（Betula platyphylla）和山杨（Populus davidiana）的径向生长动态，结合高精度环境因子数据，揭示了两种树种在干旱胁迫下截然不同的生长适应策略：白桦表现出快速环境响应能力（年生长量减少66.9%），而山杨呈现滞后但强化的胁迫规避机制（VPD相关系数达-0.51）。研究为预测温带森林群落动态提供了关键生理学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，半干旱地区森林生态系统正面临前所未有的挑战。在中国东北的大兴安岭南段，过去40年气温以0.36°C/十年的速率持续上升，同时降水减少导致干旱加剧。这种暖干化趋势使得作为重要生态屏障的天然次生林出现大面积异常树木死亡现象，其中以白桦（Betula platyphylla）和山杨（Populus davidiana）为优势种的混交林尤为突出。树木径向生长作为森林健康和生产力的关键指标，其动态变化能够灵敏反映环境胁迫的影响，但传统树轮分析方法难以捕捉树木对连续水文年的即时响应机制。

针对这一科学问题，赛罕乌拉森林生态系统研究站的研究人员开展了一项创新性研究。他们选择这两种具有典型生态策略对比的树种——具有快速生长和灵活水分利用策略的白桦，以及具有保守资源获取策略的山杨，通过高分辨率连续监测（2021-2023年）揭示了它们在气候变化下的差异化适应机制。这项发表在《Trees, Forests and People》的重要研究，为理解温带森林对气候变化的响应提供了新的生理学视角。

研究团队运用自动树干径向生长仪（DC2，精度±2 μm）以30分钟间隔记录生长动态，结合HOBO数据记录仪同步监测空气温度、相对湿度、水汽压差（VPD）等环境参数。采用"零生长模型"分离不可逆生长与水分波动，并通过Logistic生长模型（R2>0.98）量化生长动态。土壤温湿度监测系统（EM50+5TM传感器）在20/60/90 cm三层同步采集数据，结合干旱指数（DPI）划分出湿润年（2021）、干旱年（2022）和轻度干旱年（2023）三种水文条件。

研究结果展现出两个树种的显著差异：

3.1 生长季气候与土壤条件
监测数据显示干旱程度逐年加剧，2022年VPD峰值达2.25 kPa，显著高于2021年（1.0 kPa）。浅层土壤含水量从2021年的23-39%降至2023年的12-26%，为树木生长响应分析提供了明确的环境梯度。

3.2 树干径向生长的时间动态
3.2.1 年际生长变异
白桦表现出剧烈的年际波动，年生长量从2021年的3555.78±627.14 μm锐减至2023年的1174.73±196.74 μm（降幅66.9%），而山杨保持相对稳定（1020.97±178.54 μm降至658.23±128.19 μm）。

3.2.2 生长启动与终止时间
白桦通过提前生长启动时间（DOY从140±3.94提前至127±5.12）适应干旱，而山杨启动时间保持稳定（DOY 134±3.53-148±5.1）。两物种生长终止时间均随干旱提前。

3.2.3 生长时长与月分配
白桦生长季从104±10.6天缩短至86±6.0天，呈现从7月单峰（占年生长量54%）向6-7月双峰（46%+37%）的分配转变；山杨保持稳定的58±6.6至56±3.3天生长季，维持6月主导（62-67%）的保守模式。

3.3 生长季环境控制机制
白桦的环境相关性呈现动态转变：从2021年与气温（r=0.60）和土壤温度（0.29-0.43）正相关，转为2022年与湿度（r=0.44）和降水（r=0.37）正相关，最终在2023年与深层土壤温度呈负相关（r=-0.27）。山杨则表现出滞后响应，2021年仅与湿度（r=0.35）中度相关，到2023年与气温（r=-0.48）和VPD（r=-0.51）呈现强烈负相关。

讨论部分揭示了更深层的生理机制：白桦的"即时响应型"策略使其在有利条件下能快速生长（峰值速率73.05 μm day^-1），但对干旱极为敏感；山杨的"滞后强化型"策略通过逐步增强与湿度因子的相关性（2023年r=0.46）来维持稳定。当气温>25°C且VPD>2.0 kPa时，两物种生长率平均降低21.3%，证实了高温与干旱的协同抑制作用。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了大兴安岭南段关键树种对连续干旱的差异化生理适应策略，为构建森林死亡率早期预警系统提供了理论依据。白桦的动态响应特性可能使其在气候剧变中首当其冲，而山杨的保守策略虽能缓冲短期胁迫，但长期干旱可能导致"生理负债"。这些发现对预测温带森林群落演替、指导适应性森林管理具有重要价值，也为全球变化生态学研究提供了半干旱区树木生理响应的典型案例。