区域时空水文气候变异性与前期生产力塑造橡树和山毛榉径向生长格局：干旱响应的万花筒

《Agricultural and Forest Meteorology》：Regional spatiotemporal hydroclimatic variability and prior productivity shape radial growth patterns of oak and beech – A kaleidoscope of drought responses

　　

研究人员以非参数化细节描述了年际生长变化的驱动因子；与橡树相比，欧洲山毛榉表现出预期更高的干旱敏感性；在中位条件下，两个树种的相对生长响应相似；干旱的时空格局与树木的前期生产力具有决定性作用；研究发现，干旱响应明显具有特定历史事件的专一性。

气候变化背景下，干旱等极端事件日益频繁，对森林生态系统构成直接威胁。此前关于树木干旱响应的研究多基于固定时段的气候响应或孤立事件，缺乏对时空变异性和事件特异性的系统性刻画。为此，研究人员基于奥地利北部和东部大规模森林样地数据，以橡树（Quercus petraea 和 Quercus robur）和欧洲山毛榉（Fagus sylvatica）为对象，运用随机森林（Random Forest，RF）模型对年际生长变化进行非参数建模，旨在揭示径向生长对干旱的时空响应模式及事件依赖特征。研究人员在奥地利布尔根兰、下奥地利和上奥地利三个联邦州约160万公顷森林中，通过分层采样获得1984个样地，选取其中海拔低于800米的样本，最终保留519个橡树样地和610个山毛榉样地，共得到665个橡树和750个山毛榉的树轮宽度序列。基于这些数据，研究人员计算了两种生长指标：传统去趋势序列（TRWI）和相对于前三年平均生长的相对变化量（δTRW）。采用随机森林模型对两种指标分别建模，预测变量包括多年平均气候水平衡、生长季分时段的水分平衡和蒸汽压亏缺、土壤有效水容量（PAWC）、地形因子以及树木年龄等。模型通过偏依赖图分析变量效应，并选取2000/2003和2017/2018年两对干旱事件进行事件特异性分析。模型解释了约23%–32%的方差，证明该方法能有效捕捉生长响应。

研究结果分为三部分：3.1 干旱与生长响应的时空变异性：基于站点SPEI和生长序列分析，发现研究区域整体气候模式在多数时期一致，但2018年后站点间差异增大；山毛榉的生长变幅更宽，极端年份频繁；根据极端值频率选取2000、2003、2017、2018年作为案例年份。空间可视化显示，生长下降的聚类与干旱影响区域一致，且发生在绝对和相对水分亏缺叠加的地区；重复干旱会削弱后续响应，但2018年部分地区例外。3.2 径向生长序列的随机森林模型：模型性能良好，加入时间项可略微提升解释力至25%–32%。预测因子重要性分析显示，前期三年平均生长（mTRWp3）为最重要的预测因子，其次为生长季春季（2–4月）和夏季（5–7月）水分平衡；不同物种间重要性排序相似。3.3 模型预测因子的偏依赖性：偏依赖曲线显示，高前期生长导致更强的相对生长下降；山毛榉在较低水分亏缺阈值下即发生更陡峭的下降，而橡树对春季水分平衡更敏感；前一年秋季水分平衡对橡树影响更大；生长响应具有明显事件依赖性，2003和2018年的响应曲线较平缓，表明前期干旱削弱了后续敏感性。

讨论指出，模型结果支持山毛榉比橡树更具干旱敏感性的假设，但两种在中位条件下的相对响应相似。前期生长与δTRW间可能存在数学耦合，需谨慎解释。年龄效应在山毛榉上更明显，老树更敏感。研究还强调，干旱响应受时空水分亏缺格局和前期条件调控，简单的极端事件指标可能不足以反映真实敏感性。

结论部分：基于树轮的研究已成为评估干旱对树木和森林生态系统影响的关键工具，但时空变异性和干旱定义的分歧挑战了基于极端事件分析的比较与综合。依托广泛的区域采样树轮数据和探索性机器学习模型，研究人员证明了中欧森林两个优势树种的径向生长响应具有事件依赖性的气候驱动时空非线性模式。与以往研究一致，山毛榉对干旱的生长敏感性总体高于橡树；然而，在各自区域分布的中位条件下，两个树种的相对生长响应相似。最后，研究建议在基于特定种群和历史事件评估树种干旱敏感性时需谨慎进行背景化处理，并强调综合建模框架对于理解干旱导致的生产力下降至关重要。