中国大兴安岭南部优势树种径向生长对环境变化的动态响应机制及其生态适应策略

本研究针对气候变化背景下半干旱区森林生态系统响应机制的科学问题，通过2021-2023年连续监测大兴安岭南部天然次生林中白桦（Betula platyphylla）和山杨（Populus davidiana）的树干径向生长（DC2 dendrometers），揭示了两树种在湿润年（DPI=0.12）与干旱年（DPI=-0.15）中差异化的生长物候策略：白桦呈现快速环境响应能力（生长速率从73.05降至19.81 μm day-1），而山杨表现出滞后响应特征（VPD相关系数从-0.32强化至-0.51），为温带森林群落动态预测提供了关键生理学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，半干旱地区的森林生态系统正面临前所未有的压力。中国大兴安岭南部作为重要的生态屏障，过去40年经历了显著变暖（0.36°C/十年）和降水减少的双重胁迫。这片区域内的"寒山次生林区"近年来频繁出现树木异常死亡现象，而树木径向生长的衰退往往是死亡的前兆。在这一背景下，理解优势树种如何应对气候变化，尤其是连续干旱条件下的生长适应策略，成为森林生态学研究的关键科学问题。

中国林业科学研究院的研究人员选择该区域天然次生林中的两个优势树种——白桦（Betula platyphylla）和山杨（Populus davidiana）作为研究对象，开展了为期三年（2021-2023）的高精度监测研究。这两个树种代表了截然不同的生态策略：白桦具有快速生长和灵活的水分利用策略，而山杨则表现出更保守的资源获取机制。研究团队通过自动带状树干径向生长仪（DC2，精度±2 μm）连续记录树干微米级变化，结合土壤温湿度（5TM传感器）和大气参数（VPD计算）监测，系统分析了两树种在湿润年（2021，DPI=0.12）、干旱年（2022，DPI=-0.15）和轻度干旱年（2023，DPI=-0.10）的生长响应差异。相关成果发表在《Trees, Forests and People》上，为预测温带森林对未来气候情景的适应能力提供了重要依据。

研究采用了四项关键技术方法：1）使用自动带状树干径向生长仪（DC2）进行30分钟分辨率的高精度径向生长监测；2）应用Logistic生长模型（R2>0.98）拟合累积径向生长数据；3）通过零增长模型分离不可逆生长与水分波动；4）采用Hargreaves方法计算潜在蒸散量（PET）和干旱指数（DPI）量化水文年类型。所有环境参数与生长数据均通过Pearson相关分析建立定量关系。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

3.1 生长季气候与土壤条件
监测数据显示研究期间经历了显著的水分梯度变化。2022年干旱期水汽压差（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%，呈现出持续干旱化趋势。

3.2 树干径向生长的时间动态
白桦展现出显著的年际变异：在湿润的2021年生长季长达104±10.6天，最大生长速率73.05 μm day^-1；到干旱的2023年缩短至86±6.0天，速率降至19.81 μm day^-1，年增量减少66.9%。相比之下，山杨生长物候更稳定，生长期维持在56-58天，但最大速率也从28.53降至15.13 μm day^-1。

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：2021年与气温（r=0.60）和土壤温度显著正相关，到2022年转为与相对湿度（r=0.44）和降水（r=0.37）正相关，2023年则与深层土壤温度呈负相关（r=-0.27）。山杨则表现出滞后响应模式：2021年仅与相对湿度（r=0.35）中度相关，到2023年发展为与气温（r=-0.48）和VPD（r=-0.51）的强负相关。

讨论部分深入阐释了这些发现的科学意义。两树种的差异化策略反映了不同的生理适应机制：白桦的即时响应特性使其在有利条件下能快速利用资源（2021年7月生长占全年54%），但对干旱更敏感；山杨的保守策略通过滞后响应机制（环境相关性逐年强化）维持稳定性，但在持续干旱中可能面临更大风险。当气温>25°C且VPD>2.0 kPa时，两树种生长速率平均降低21.3%，揭示了气候变暖与干旱协同效应对森林生产力的威胁。

这项研究首次在大兴安岭南部次生林中系统量化了优势树种径向生长对连续干旱的响应轨迹。白桦的"机会主义"策略和山杨的"保守主义"策略为理解温带森林群落演替提供了新视角，特别是生长物候可塑性（白桦生长季缩短18天）与滞后响应（山杨环境相关性延迟强化）的对比，为构建森林生态系统模型提供了关键参数。研究强调在未来暖干化气候下，具有快速环境响应能力的物种可能面临更大风险，这一发现对区域森林适应性管理具有重要指导价值。