云南典型森林生态系统的结构与功能多样性及其对气候变化的响应：基于林冠塔吊研究

Forest ecosystems play a key role in global carbon cycle, mitigating the effects of global climate change. Forest canopies are vital interaction interfaces between forest and the atmosphere, which are proved to be very sensitive to climate change. Due to difficult access to forest canopy and thus undertaking relevant measurements, the uncertainty in predicting the responses of forest ecosystems to global climate change increases. This project will use three forest canopy cranes constructed in tropical rainforest, subtropical evergreen broadleaved forest, and cold temperate conifer forest along an elevation gradient, as well as three 1-ha permanent plots covered by the cranes in Yunnan for study. A total of 18 traits that are sensitive to climate change, including hydraulic properties, plant functional traits, will be measured for 75 woody species. Associated with ground LiDAR, unmanned aerial vehicles, and hyperspectral camera, each site species-specific growth and stand productivity will be predicted through trait-based growth model. Combining climate change scenarios with species and site-specific traits, the trait-based dynamics global vegetation model will be used to predict how climate change influences forest composition and functioning over future 200 years, assess the changes in carbon stocks and sequestration, and functional diversity over time, and thus evaluating the carbon mitigation and biodiversity conservation potentials. Ultimately, this project can provide theoretical support for “the Belt and Road Initiative” from the perspective of environmental sciences.

森林生态系统在全球碳循环、减缓气候变化等方面扮演着关键角色。林冠是森林和大气相互作用的关键界面，对气候变化很敏感。由于林冠难以到达并进行测定，导致准确判定和预测森林对全球气候变化的不确定性显著增加。本项目将依托建在云南沿海拔梯度分布的热带雨林、亚热带常绿阔叶林、寒温性针叶林中的3座林冠塔吊，及其覆盖的3块1公顷永久样地，测定塔吊覆盖区域75种木本植物的水力学特征、功能性状等对气候变化敏感的18个指标，结合三维激光雷达、无人机、遥感超谱图像，利用基于性状的生长模型预测不同物种的生长及群落生产力。结合气候变化格局和植物性状，利用基于性状的全球植被模型，预测未来200年气候变化如何影响3种森林生态系统的物种组成和功能，揭示碳储量、碳固定、功能多样性随时间的变化规律，评估云南典型森林生态系统在碳减排及生物多样性保护上的潜力，为国家“一带一路”战略提供环境科学方面的理论支撑。

冠层木本植物是森林生物量的主体部分，且林冠是森林和大气相互作用的关键生态界面，驱动着生态系统的碳、氮、水耦合循环和生产力的形成，在全球碳循环中发挥重要作用。但是，由于林冠难以到达，科学家对林冠植物（包括树木和木质藤本）响应气候变化的机制仍知之甚少，导致准确判定和预测森林对全球气候变化（如温度升高、干旱加剧）的不确定性显著增加。云南是中国生物多样性最高的地区。我们有必要通过测定冠层木本植物对气候变化敏感的功能性状，揭示云南主要森林类型林冠木本植物对全球气候变化的响应机制。.在本项目的支持下，我们开展了云南3种典型森林生态系统中木本植物的水力特征与干旱耐性、林冠木本植物功能性状的测定，绘制和监测了这些森林生态系统的结构及功能性状，结合统计分析与模型，推测它们对未来气候变化的可能响应。.我们获得了超过226种植物的重要功能性状。通过分析，发现热带雨林和干热河谷木质藤本的光合能力无显著差异，解释了同属木质藤本和树木在机械需求和水力效率方面差异的原因，指出了用木材性状分析木质藤本和树木生态适应的可能性，为研究植物对气候变化的适应和响应提出了新思路；结合系统发育、模型模拟，分析了未来气候变化特别是极端气候事件对植物光合、水分、生长的影响，预测了不同植物类群对气候变化响应的规律。.这些重要数据为揭示云南典型森林生态系统（热带雨林、亚热带常绿落叶林、寒温性针叶林）中不同物种的耐旱机制及功能性状多样性随环境梯度的变化规律，预测不同物种的生长、不同群落的生产力对气候变化的响应格局，以及回答未来气候变化对云南典型森林生态系结构和功能影响等科学问题提供重要基础。在本项目的支持下，已发表国际、国内核心期刊论文23篇，培养博士后1名、博士3名、硕士3名。