中国典型温带森林针阔叶树木生长对升温响应差异的树轮解剖机理研究

Temperate forest in China is characterized by complex structures, abundant species and various vegetation types. It is strongly influenced by climate change and plays a critical role in maintaining ecological safety in northeast Asia. Recent large-scale studies of tree growth reported contrasting positive and negative effects of temperature in temperate conifer and broadleaf trees. However, the ecophysiological basis of these contrasting growth and distributional response to temperature remain poorly discussed and resolved. This project takes two typical temperate forests, broad-leaved Korean pine (Pinus koraiensis) forest and Chinese red pine (Pinus tabuliformis) conifer-broadleaf forest, as the research object. Under different temperature and precipitation gradients, tree-ring anatomical characteristics, width, density, stable isotope will be measured in different tree ages and different wood species in large-scale regions, using paraffin section technology, ultrasonics, tree physiological model, and mathematical statistics methods. Furthermore, we will explore the influence of water condition and freeze-thaw on tree-ring anatomy (especially embolism) features. Finally, we will reveal the mechanism of contrasting growth responses of conifers and broadleaf trees to climate warming in typical temperate forests of China. In addition, we attempt to explore the influence of climate warming on tree wood type or classification evolution. The results will give a new perspective for scientific assessment of response and adaptation mechanism of different tree species in temperate forests under climate change, and provide a scientific basis for protection and sustainable utilization of typical temperate forests of China.

我国温带森林结构复杂、物种丰富、类型多样，受气候变化影响强烈，在维系东北亚地区的生态安全中具有重要作用。最近多个研究表明温带森林针、阔叶树木生长对气候变暖表现出完全相反的生长响应，但这种差异响应的生态生理学机制还不完全清楚。本项目以中国两种典型温带森林-阔叶红松林和油松针阔混交林-为研究对象，在不同的温度和降水梯度下，利用石蜡切片技术、超声、树轮生理模型、数理统计等方法，研究不同年龄、不同材性的针阔叶树种在大尺度地理区域上的树轮解剖特征、宽度、密度、稳定同位素等变化。同时，比较水分条件和冻融变化对针阔叶树轮解剖(如栓塞)特征的影响。最终，揭示中国典型温带森林针、阔叶树木生长对气候变暖响应差异的树轮解剖机理，并试图探讨气候变暖对乔木树种材性(或分类)进化的影响。研究结果为科学评估气候变化下温带森林不同树种的响应与适应机理提供新视野，为典型温带森林的保护与可持续利用提供科学依据。

人类活动导致气候变暖加剧，不同树木生长对变暖的响应并不一致，但其内在机理还不完全清楚。本项目在中国温带典型森林区设置温度、水分样带，采集主要树种树轮样芯，用木材解剖学法，研究了水分、温度梯度下不同材性、不同树龄针阔叶树种木质部解剖特征及其对气候变化响应，模拟了针阔树种生长对未来气候变暖的响应。结果表明：.东北地区，除春榆外，环孔材和半环孔材木质部解剖特征多与温度正相关。除紫椴外，散孔材导管数量、导管总面积多与温度负相关。红松平均管胞面积与生长季降水正相关。樟子松管胞特征多与降水负相关。华北地区，在干旱时油松采取相对保守的水力策略，以提高对干旱的抵抗力。辽东栎早晚材导管的解剖结构，使其具有较高的特异性导水率，更好地应对暖干化。白桦的特异性导水率略高于油松，但是其中性的水力结构，使其在暖干时可能先于油松生长衰退。.升温所造成的暖干化对樟子松生长的限制作用低于其促进作用，而红松受到升温的抑制作用更强，持续升温将导致红松生长衰退。散孔材导管特征记录了升温触发的干旱信号，环孔材树种目前未受干旱影响或受影响较轻。在温度梯度下，东北南部的水曲柳、黄檗、蒙古栎、胡桃楸导管特征对升温响应多为正效应，而在更干旱的北部多为弱正效应或负效应。在水分梯度下，油松早材形成对水分的依赖性高于晚材。在干燥地区，油松形成低效但安全的木质部解剖特征，在湿润地区，油松形成高效但危险的木质部解剖特征。.VS、BTR模型较好地模拟了针阔树木生长。模拟的红松、白桦、水曲柳生长与气候因子关系基本与实测数据一致。BRT模型比VS模型具有更详细的木质部发生过程，能模拟更详细的木质部形成过程。VS、BTR模型预测表明：在RCP4.5情景下红松生长衰退，在RCP2.6、RCP4.5情景下水曲柳生长均增加。.我们的发现阐明了温带主要树种径向生长与气候关系的微观解剖机理，揭示了温带树木生长对气候变暖响应异同的解剖机制，为预测温带树木生长对未来气候变化响应提供了科学依据。