大阪公立大学植物园日本11种森林类型47年树木清查数据

《Ecological Research》：Forty-Seven Years of Tree Census Data at the Botanical Gardens of Osaka Metropolitan University, Japan

　　

： 随着生态系统功能与服务的重要性日益受到关注，有必要理解不同生态系统在功能与服务上的差异。然而，在排除环境差异影响的前提下考察不同森林类型间生态系统功能与生态系统服务的差异十分困难，原因在于自然界中不同森林类型生长于不同环境之中。大阪公立大学植物园拥有一处独特的研究样地，该样地展示了11种日本森林类型，历时超过60年。这11种森林类型生长于同一植物园内的"单一"环境条件下，因此该研究样地可被视为"森林类型同园试验"，研究者得以在排除环境差异影响的前提下探索生态系统功能与服务的差异。这一大型项目始于1950年植物园建立后不久，主要由吉良龙夫博士发起，自1978年起由植物园工作人员开展树木清查。本文报告了树木清查数据，包括在11种森林类型中测定的所有胸径大于5厘米树干的胸径及树高，这些森林类型包括5种常绿林、3种落叶林和3种针叶林。本摘要的元数据及完整数据集可在JaLTER的MetaCat中获取，网址为https://doi.org/10.20783/DIAS.JLE.96。

论文解读：

一、研究背景与意义

不同环境条件造就了不同类型的森林，温度和降水被认为是决定森林类型的两个主要因素。这一事实也意味着，在研究不同森林类型之间生态系统功能或服务的差异时，几乎不可能排除环境差异的影响。例如，暖温带气候下森林的生长速度快于凉温带气候下的森林，这不仅是由于物种组成不同，还因为暖温带较高的温度能够提高光合作用速率。因此，为了在排除环境差异影响的前提下探究不同森林类型间生态系统功能或服务的纯粹差异，有必要开展大规模同园实验，即森林类型同园实验。

大阪公立大学植物园展示了11种日本森林类型，历时超过60年。这一大规模"同园实验"项目始于1950年植物园建立后不久，主要由提出温暖指数和寒冷指数等"热气候指标"的吉良龙夫博士发起。来自日本不同环境中不同类型森林的各种树木被移植到25.5公顷区域内的"单一"环境中，植物园工作人员自1978年起持续开展树木清查。同园实验一直被认为是探索植物物种或生态型差异而排除不同生长环境影响的重要方法，但以往研究多集中于草本物种或树木幼苗，针对成熟树木的同园实验因周期过长而极为罕见。因此，大阪公立大学植物园中涵盖多种树种的大规模同园实验，将为阐明不同树木、森林和生态系统之间的生态学与功能差异做出重要贡献。此外，将植物园内森林类型与原始自然森林类型进行比较，可为树木、森林和生态系统的环境响应研究提供关键信息。

大阪公立大学植物园位于日本本州岛中部的生驹山脉西北侧。该区域气候条件下预期的顶级群落为温带常绿林，但1950年建园时此处为次生落叶林，该区域森林千余年来一直被用于获取建筑材料或薪柴，二战时期采伐进一步加剧，最终形成了以枹栎和赤松为优势种的次生林。植物园海拔40至120米，基岩主要为花岗岩，园内有三个山谷和四条山脊。

二、研究内容与主要结论

本文报告了大阪公立大学植物园11种森林类型的树木清查数据，包括5种常绿林、3种落叶林和3种针叶林。其中一个针叶林中针叶树数量已大幅减少。虽然各森林类型的监测周期有所不同，但树木清查每5年进行一次，持续超过21年。

11种森林类型包括：冷杉铁杉型针叶林，优势种为日本冷杉和日本铁杉；日本花柏型针叶林，优势种为日本花柏和日本柳杉；松栎型林，优势种为青冈栎、柯和日本五针松；北温带落叶林，优势种为色木槭、连香树、日本厚朴和玉铃花；南温带落叶林，优势种为榉树和水青冈；暖温带落叶林，优势种为枹栎、千金榆和糙叶树；高地栎型常绿林，优势种为柳叶青冈、云山青冈和日本常绿栎；低地栎型常绿林，优势种为青冈、青冈栎和柯；海岸常绿林，优势种为乌冈栎、石斑木和海桐；红楠型常绿林，优势种为红楠、香樟和石栎；栲树型常绿林，优势种为栲树和全缘冬青。需要说明的是，植物园原本设有"赤松型"针叶林，但因松材线虫病流行导致赤松数量急剧减少，树木清查已不再针对"赤松型"针叶林进行，而是改为对松栎型林进行清查，且即使在松栎型林中针叶树数量也已减少。

在数据采集方法方面，在11种森林类型中，对所有胸径大于5厘米的植物进行清查，测量所有胸径大于5厘米树干的胸径以及树高，其中SubID表示同一棵树的不同树干。近年来缺乏树高信息的个体数量逐渐增加，原因是树木高大茂密导致目视确认困难。物种名称基于被子植物系统发育网站和Haston等的分类系统进行确认并赋予相应的属和科信息。

该数据集涵盖225种、126属、60科裸子植物和被子植物的树木及藤本植物，时间跨度为1978年至2024年。数据文件按森林类型分为11个CSV文件，变量包括区域编号、植物编号、树干编号、测量年份、测量月份、最长胸径、最短胸径、平均胸径、树高、科名、属名和种名。值得注意的是，红楠型林1978年的数据仅记录了平均胸径，可能是因为这是首次清查且测量规则尚未完全确定。该数据集采用知识共享署名-非商业性使用4.0国际许可协议提供。

三、主要分析方法与结果

利用该数据集，研究人员开展了多项分析。由于已知胸径的平方与树木生物量密切相关，数据集支持计算每株植物的相对生长速率。通过分析相对生长速率，可以展示各物种相对生长速率的大小依赖性。大多数树种表现出胸径平方与相对生长速率之间的负相关关系，表明随着树木体积增大，相对生长速率可能下降。因此，研究人员假设需要标准化相对生长速率来分析种间差异，并使用RGR_10cm，即胸径为10厘米时的相对生长速率，作为各物种代表性生长速率指标。RGR_10cm通过各物种胸径平方与相对生长速率之间的线性回归计算得出。

利用RGR_10cm可以展示代表各森林类型的树种标准化生长速率的差异。树木清查数据还使得计算代表性树种的死亡率成为可能。研究人员以各森林类型胸径平方之和作为森林生物量指标，考察了各森林类型的生长速率。计算得到的各森林类型生长速率与各森林类型代表性树种的RGR_10cm呈显著正相关。利用全部森林类型的数据集，还可以展示不同功能群树种间相对生长速率和死亡率的差异。例如，冠层物种的RGR_10cm高于亚冠层物种，但在相对生长速率和死亡率方面未发现其他差异。

四、结论

该数据集提供了每5年一次、持续超过21年的树木胸径测量数据，使研究人员能够分析每株植物的相对生长速率，并展示各物种相对生长速率的大小依赖性。通过标准化相对生长速率指标RGR_10cm，可以比较不同树种的生长速率差异。该数据集还支持计算代表性树种的死亡率以及各森林类型的生长速率。这一长期树木清查数据集为研究不同森林类型间生态系统功能和服务的差异提供了独特而宝贵的基础数据，在排除环境差异影响的条件下，为理解森林生态系统的结构与功能做出了重要贡献。