气候变化下大兴安岭寒温带森林树种分布变化的多尺度过程解析

Forest tree species distribution changes are a result of multi-scale processes: site, landscape, and regional scales. Recent efforts efficiently account for regional-scale abiotic factors (e.g., climate change), however, site- and landscape-scale processes are usually ignored or simplified and thus constitutes a large amount of uncertainty in projections of future forest tree species distribution. In this project, we will address the following three primary research questions: (1) how can these multi-scale processes be incorporated into future forest tree species distribution projections, (2) how do landscape-scale fire and permafrost degradation affect tree species shifts and distribution changes under climate change? (3) how do we handle the uncertainty in future projections of tree species distribution changes? We will use a coupled ecosystem process model and landscape modeling approach combining large amount of inventory and experimental data to project the future forest tree species distribution changes in the Great Hing’an Mountains at fine temporal and spatial resolutions (5 years, 100m). Our results will demonstrate the spatial-temporal dynamics of forest tree species distributions under the combined effects of multi-scale processes, reveal the mechanism of coupled impacts of climate change, forest fire, and permafrost degradation on tree species distribution changes, provide scientific basis for natural resource management and species conservation, and inform adaptation decision-making.

树种分布受多尺度(林分、景观、区域)过程的共同影响, 目前的研究主要考虑了区域尺度过程如环境因素(如气候、土壤)对树种分布的影响，忽视了林分与景观尺度过程，导致对未来树种分布变化预测的不确定性。本项目以我国大兴安岭寒温带森林为对象，研究以下三个科学问题：（1）如何将多尺度过程纳入树种分布对未来气候响应的预测中？（2）景观尺度过程（林火和冻土退化）将怎样改变气候变化下的树种迁移及分布变化？（3）如何处理未来树种分布预测中的不确定性问题？本项目拟通过野外调查、生态系统过程模型与景观模型耦合模拟相结合的方法，采用高时间(5年)和空间分辨率(100m),预测未来100年我国大兴安岭寒温带森林树种迁移及分布变化，阐明树种分布在多尺度过程共同作用下的时空变化规律，揭示气候变化、林火、及冻土退化对森林树种分布的耦合影响机制，为资源管理和物种保护提供理论基础，也为制定适应气候变化的策略提供科学支撑。

近来研究表明森林树种迁移可能赶不上气候变化的速率,这将影响森林分布、组成和生产力，进而导致森林生物多样性丧失和生态系统功能衰退。树种分布受多尺度(林分、景观、区域)过程的共同影响, 但目前的研究主要考虑了区域尺度过程如环境因素而忽视了林分与景观尺度过程对树种分布的影响，导致对未来树种分布变化预测的不确定性。本项目采用景观模型与生态系统过程模型耦合的方法，研究了森林树种分布的变化规律，揭示了多尺度过程对森林分布的耦合影响机制。具体开展了1）森林干扰机制变化特征及其驱动机制，2）森林树种分布变化规律，3）景观干扰过程与气候变化对森林树种分布的耦合影响机制。得出主要结论:1）近40年森林干扰速率、频率和面积在大兴安岭森林减弱，主要受生态保护和恢复政策的驱动；2）近40年大兴安岭主要森林树种在森林和湿地的分布都呈显著增长趋势，未来大部分的北方树种的分布面积将缩减，温带树种的分布面积将扩张；3）种群动态是影响树种分布变化最重要的过程；在短期和中期，景观干扰的作用比气候变化的作用大，但在长期，气候变化的作用比干扰的作用大；景观干扰和气候变化有交互作用，干扰将加速由气候变化导致的分布面积缩减（特别是北方树种）和分布面积扩张（特别是温度树种）。本项目把影响树种分布的多尺度过程纳入对气候变化响应的预测，解析了多尺度过程的相对与绝对贡献，完善了树种分布预测的模型理论，有助于掌握寒温带森林树种迁移及分布变化的规律，为资源管理和物种保护提供理论基础，也为制定适应气候变化的策略提供科学支撑。