长期形成层物候揭示气候变化下混交林两种树种生长响应的分化

本文通过11年连续监测，揭示了地中海混交林中樟子松（Pinus sylvestris）和比利牛斯栎（Quercus pyrenaica）的形成层物候对气候变化的差异化响应。研究发现，冬季升温使松树形成层活化提前（5.5天/℃），而栎树受土壤水分和温度共同调控；夏季干旱则导致两种物种细胞膨大期提前终止。研究强调了物候可塑性在树种竞争与生态系统功能中的关键作用，为预测气候变化下森林动态提供了长期木质形成数据集支持。

　　

1 引言

气候变化对森林生态系统构成前所未有的挑战，包括植物生产力下降、死亡率增加以及物种组成和分布的变化。植物物候作为气候变化的敏感指标，涉及开花、初生和次生生长等过程。气候变暖可能改变主要物候事件的时间，包括休眠打破、叶片展开和次生木质部形成（即木质部发生）。物候变化影响森林碳循环和生产力，长期可能破坏森林群落结构和生态系统功能。

木材形成是一个可塑性过程，受温度、水分可用性和光周期等环境因子的综合调控，每个发育阶段依赖不同的气候因子。在寒温带和北方生态系统中，冬季寒冷（长期低温暴露）和春季热强迫（热量积累）通常被认为是形成层活化的关键信号。因此，在温带和寒冷气候中，暖冬和早春可能促进形成层活化的提前。然而，在地中海等冬季较温和的气候中，寒冷和热强迫对形成层活动启动的重要性可能较低。此外，夏季高温加剧蒸散和干旱胁迫，可能降低细胞膨压，从而约束木质部发生。

物种可能通过移动、缩短或延长其生长周期来调整物候以适应气候变化。不同物种如何适应气候变化所强加的新气候条件对物种性能和生存具有重要影响，可能影响中长期生态系统生产力和多样性。年内生长动态研究是理解树木对变化环境条件功能响应的重要工具，提供了树木生命周期关键时期的关键见解，并有助于模拟树木对气候的响应。

2 材料与方法

2.1 研究地点

研究在西班牙中央山脉（40°51′35″ N, 4°3′52″ W）海拔1350米的混交林中进行。该森林目前由松树和栎树斑块组成，构成了樟子松（Pinus sylvestris）的局部干旱低海拔生态交错带和比利牛斯栎（Quercus pyrenaica）的高海拔边界。气候为地中海气候，年平均降水量730毫米，年平均气温9.4°C（1950-2022年），干旱期通常从6月持续到8月。研究期间（2012-2022年）降水量年际变率高，夏季高温干旱频繁。

2.2 木材微芯样本采集

2012至2022年间，每年选择每个物种（樟子松和比利牛斯栎）6棵树（总共66棵树，11年）。从3月到11月，使用Trephor每1到2周采集一次直径2毫米的木材微芯样本。每棵树仅采样一年，以避免先前钻孔损伤造成的年际偏差，并均质化不同大小个体的比较。

2.3 木材解剖样本制备和木质部发生评估

木材微芯最初在50%乙醇中储存一周，然后转移到70%乙醇并在4°C下冷藏。通过一系列乙醇-二甲苯溶液脱水，使用组织处理器处理并包埋到石蜡块中。从石蜡块切取9微米厚的切片，用藏红和阿斯特拉蓝染色，并使用Eukitt介质永久封片。处理后的样品在可见光和偏振光下用显微镜分析，通过区分木质部物候的不同发育阶段评估形成层活动。

对于松树，统计了形成层细胞、膨大细胞、壁增厚细胞和成熟细胞的数量。考虑了与形成层活动相关的四个物候特征：细胞膨大开始、细胞膨大结束、细胞壁增厚开始和壁增厚结束（即细胞成熟）。对于栎树，根据导管直径和纤维特征视觉区分早材和晚材。作为环孔材物种，比利牛斯栎的早材以非常大的导管（直径>200微米）为特征，而晚材通常显示非常低的导管直径和纤维密度显著增加。定义了栎树从早材到晚材发育的过渡点。

2.4 木质部发生数据分析

对每个物候相和样本的原始细胞数进行标准化，以减少 within-tree 生长变异性。对遵循钟形的发育阶段（即形成层分裂、细胞膨大和松树细胞壁增厚）的个体树标准化数据拟合广义加性模型（GAMs）。对沿年累积生长并因此遵循S形的发育阶段（即松树成熟细胞和栎树细胞壁增厚），使用Gompertz函数对标准化个体树数据建模。使用逻辑回归评估木质部物候的关键日期。

2.5 评估木质部发生对气候变率的响应

为了评估气候对形成层物候的影响，重点关注四个响应变量：两个物种中对气候响应最强的三个物候相（膨大开始和结束，以及松树壁增厚结束）；以及两个物种膨大相的持续时间（即生长持续时间）作为径向生长的比较代理。首先探索数据以定义生长开始之前的一个固定且具有生态意义的时间窗口，捕捉与休眠释放和形成层复活最相关的气候条件。

3 结果

3.1 次生生长和木质部发生持续时间的年际变率

休眠期间，从晚秋到早春，形成层在松树中有6±2个细胞，在栎树中有8±1个细胞（平均值±标准差）。春季形成层恢复后，形成层细胞数在松树中增加到11±3，在栎树中增加到10±2。平均而言，栎树细胞膨大开始发生在年日（DOY）100±9，而松树晚一周半，在DOY 111±12。松树显示出比栎树更宽的物候窗口，细胞膨大从3月下旬到5月中旬（DOY 87-132）开始，壁增厚从4月中旬到6月初（DOY 105-162）开始。对于松树，第一批成熟细胞在5月中旬到6月下旬（DOY 134-183）观察到。在栎树中，木材形成通常比松树早开始，在3月下旬到4月下旬之间（DOY 82-119）。两种物种细胞膨大结束的时间范围非常相似，从6月下旬到9月中旬（松树DOY 181-253，栎树DOY 179-256）。在松树中，壁增厚结束（即木质部发生结束）发生在8月下旬到11月中旬之间（DOY 238-320）。

在松树中，细胞膨大长度为107±21天（即约4个月生长期），壁增厚为137±27天（约5个月），导致木质部发生总持续时间跨度为119-221天（4-7个月）。在栎树中，细胞膨大平均长度为119±18天（即约4个月），生长期比松树长近两周，而早材壁增厚持续1.5个月（45±12天）。任何发育阶段的开始和停止之间没有显著关系，因为每个物候阶段的持续时间取决于其开始和结束日期。

3.2 形成层复活和停止对气候变率的敏感性

VPD的影响与温度对所有阶段的影响相同，因为VPD是根据温度记录计算的，导致两个变量之间强共线性。在最终模型中，依赖于直接温度测量而不是计算变量如VPD、寒冷日和生长度日（GDD），因为这种方法产生更好的模型性能并确保更清晰的生态解释。此外，光周期始终不显著，未能提高任何形成层物候模型的性能。

两个物种对膨大阶段结束的温度敏感性几乎相同。晚春高温（DOY 130-175）触发了松树和栎树细胞膨大的提前停止，而晚春降水延迟了它。对于松树，最高温度和土壤含水量是膨大阶段停止的最佳预测因子，而在栎树中是SWC。在松树中，细胞膨大持续时间（即生长持续时间，反映细胞膨大开始和停止的变异性）仅响应晚春最高温度，与降水无关。相比之下，栎树的生长持续时间对更宽时间 period（DOY 35-175）的气候非常敏感。栎树膨大相持续时间包括降水和晚春至晚春最高温度之间的交互效应。类似地，高中夏温度（DOY 200-235）导致松树壁增厚阶段提前停止，标志着木质部发生的结束，而夏季降水增加延迟其结束。

4 讨论

4.1 松树和栎树在形成层复活中对温度表现出不同的敏感性

形成层活动开始通常受晚冬和早春环境条件的影响，如温度、光周期和土壤水分。在本研究中，樟子松和比利牛斯栎的形成层物候时间对温度的反应不同，表明这些共存物种之间存在对比的热需求。研究期间最暖和最冷冬季之间近3°C的差异导致樟子松生长开始时间显著的年际变化，而在比利牛斯栎中仅观察到与温度的较弱关系。

这些发现表明，像樟子松这样的温带-北方物种可能受益于与气候变化相关的日益温暖的晚冬，通过触发更早的木质部发生复活。然而，气候变化对物种性能的净效应将取决于温暖冬季的潜在积极效应是否能抵消日益炎热和干燥夏季的负面影响。这些结果证明了热强迫和热量积累作为樟子松生长复活关键驱动因素的作用。

观察到比利牛斯栎的形成层复活缺乏温度信号表明，环孔栎树早材导管解剖中的温度效应可能与更早的形成层复活无关。栎树更窄的生长复活期指出物种对更稳定环境信号的特定敏感性。土壤含水量与空气温度相比，与两种物种生长开始的相关性较小，与温度交互在更温暖和更湿润的晚冬条件下触发比利牛斯栎更早的生长开始。

4.2 更干热条件提前生长停止并约束生长持续时间

两种物种径向膨大停止、松树细胞壁增厚结束以及栎树膨大相持续时间（即生长期）受不同季节期高温和低SWC或降水的控制，表明生长受整体增加干旱度的约束。这些物候约束可能归因于不足的土壤含水量和增加的大气蒸发需求增加树木水分胁迫。

观察到的物候响应表明，在气候变化下，两种研究物种将受到更热和更干气候的负面影响。当暴露于干旱条件时，像樟子松这样的等水物种通过关闭气孔来实施节水策略以防止水分流失，但以减少碳同化为代价。松树形成层活动的早期停止因此可能反映了对大气和/或土壤水分胁迫的响应，导致光合活动减少和资源重新分配到根生长、储备积累或芽形成而不是次生生长。相比之下，像比利牛斯栎这样的非等水物种能够通过打开气孔甚至在低水势下维持正碳平衡以应对干旱胁迫。

4.3 地中海生态系统中双重胁迫下的木材物候和森林动态

在樟子松中观察到的更大形成层物候可塑性可能有助于在一定程度上缓冲当前干旱胁迫的负面影响。然而，形成层物候只是树木整合其他生理过程以在变化条件下优化生长动态和生存的众多功能性状之一。尽管温暖冬季加速了樟子松的形成层恢复，但其径向生长持续时间在整个研究中始终短于栎树。这主要是由于与栎树相比松树生长开始较晚，结合在干旱条件下两种物种同样早的夏季生长停止。

这些发现，结合近几十年来南欧山脉樟子松大规模逐渐衰退的观察以及像比利牛斯栎这样更耐旱的栎树物种的 concurrent 扩张，表明由于更早生长开始导致的延长物候的潜在益处正逐渐被其他功能尺度或过程的夏季干旱胁迫影响所抵消。生长开始更早和夏季胁迫增加之间这种新兴权衡可能最终降低樟子松的竞争力，可能导致一些地区从松栎混交林缓慢转变为栎树主导的林分。这种组成变化将对生态系统产生负面影响，因为具有更高物种多样性的森林往往更具生产力和稳定性。

5 结论

我们独特的11年木质部发生数据集，包括在其过渡生态交错带共存的针叶和阔叶物种，提供了一个非凡的机会来表征具有对比功能策略和不同耐旱性的两个物种的长期物候可塑性和对气候变化的敏感性。我们确定了所研究混交林中物种特异性物候响应背后的气候驱动因素。我们的结果强调了在气候变化下松树和栎树之间对比的物种特异性响应，特别是在木质部发生开始方面。

温度成为松树形成层复活的关键驱动因素，变暖条件提前了形成层活动开始。然而，栎树形成层复活表现出较低的年际变率，表明气候条件调节较弱。两种研究物种生长停止（即细胞膨大结束）的时间几乎相同，受炎热干燥夏季条件的强烈约束。结果，活跃生长期（即细胞膨大阶段）在松树中通常短于栎树。因此，尽管温暖冬季的影响加速了樟子松的形成层恢复，但径向生长持续时间通常短于栎树。径向生长持续时间在栎树中对气候比松树更敏感。膨大持续时间（即径向生长）和木质部发生更依赖于膨大和壁增厚的停止日期，而不是膨大开始，特别是在松树中。

我们的结果表明，温暖冬季触发的松树更早生长开始的潜在有益效应可能很可能被增加的夏季干旱胁迫所抵消。增加的干旱度最终将缩短两种物种的生长持续时间，这可能潜在地降低森林在气候变化下的恢复力。我们的发现强调了处理年内功能动态和联合考虑形成层活动开始和停止的作用在评估气候对树木生长影响时的重要性。研究木质部发生性状增强了我们对混交林动态的理解，并有助于表征所研究干旱樟子松后缘种群中观察到的衰退的功能表达。未来温度和干旱严重性的增加很可能约束两种物种的生长。这种对气候的生长敏感性与物种动态和功能策略的研究兼容，强烈表明增加的干旱度将更负面地影响混交林中那些耐旱性较低的物种。