《高山林線形成和變化機制》| 第二次青藏高原綜合科學考察研究叢書

第二次青藏高原綜合科學考察研究叢書

高山林線形成和變化機制

本書共12 章，主要內容包括：基于高原植被樣帶的調查數據，揭示從亞熱帶森林到高寒植被帶的生態系統結構和功能特征參數的海拔分布格局及其驅動機制；基于典型林線的長期定位觀測數據，明晰林線過渡帶不同生活型植物功能性狀隨海拔的變化機理，揭示樹木生長的季節變化特征及生理生態調控機制，量化林線樹木生長及氮循環對全球變化的響應，闡明氣候變暖下森林更新受限與林線穩定性機制。全書內容系統全面、資料嚴謹翔實，填補了全球海拔最高林線長期定位觀測研究的數據空白。

第二次青藏高原綜合科學考察研究專題“西風 – 季風協同作用及其環境效應”設置了“ 西風 – 季風協同影響下林線和草線的形成和變化”科考子專題，基于色季拉山和貢嘎山從亞熱帶森林到高寒植被帶的樣帶調查數據以及色季拉山典型林線的長期定位觀測數據，獲得如下新認識。

研究系統闡明了青藏高原植被與氣候關系的趨同演變特征及其全球意義。樣帶分析顯示，自然植被的地上/地下生物量、葉面積指數、凈初級生產力、葉壽命及相關葉性狀（葉氮含量、比葉面積、葉碳穩定同位素）與水熱氣候因子密切相關，其關系格局均符合非線性Logistic函數。通過系統實測數據，驗證了韋伯定律在高原陸地生態系統中的普遍性，即充分適應且穩定的植物群落在相似自然條件下具有相似干物質生產能力。

研究揭示了林線附近從森林到灌叢/ 草地群落的養分利用策略變化特征及其意義。樣帶調查數據支持如下假設：為實現冠層干物質生產的養分利用效率最大化，高山灌叢/ 草地群落主要通過增加地下生物量比例來提高單位氮的干物質產量（氮生產力），而森林喬木則主要通過增加葉壽命來提高氮在植物體內的平均存留時間。因此，冠層干物質生產量及其養分利用效率可為理解從森林到高山灌叢/ 草地的養分利用策略變化提供有用的測量指標。

本研究從水分利用策略的角度，解釋了林線過渡帶喬木被低矮灌木和草本植物替代的現象。通過對藏東南色季拉山林線不同生活型植物的分析，發現其在冷濕環境下水分利用策略迥異：高大喬木因樹高和生長季低溫限制了水分吸收與傳輸，不得不通過降低氣孔導度來減少水分散失，導致其葉片δ13C值顯著偏高。當土壤溫度低至某一閾值時，喬木被低矮植被替代。這種生活型的轉變不僅能改善根區土壤溫度、增強水分吸收，還縮短了水分運輸路徑，從而有效提升了冠層的光合生產能力。

本研究揭示了林線過渡帶植物生長速率和光合能力隨海拔升高的變化機理。針對高海拔植物生長受限的主因是光合生產不足還是低溫直接抑制細胞分裂這一爭議，研究以濕潤的色季拉山林線為對象展開分析。發現生長季早期土壤未完全解凍，其低溫效應會引起植物水分脅迫，對喬木和灌木尤為顯著。隨海拔升高，低溫等惡劣環境迫使植物調整葉功能性狀以適應脅迫，最終導致光合能力與生長速率均呈下降趨勢。這表明，海拔升高引起的植物生長下降，主要是由光合生產力受限所驅動的。該觀測結果為理解高山林線形成機制提供了關鍵新證據。

本研究揭示了光周期對高寒樹木生長及養分利用溫度敏感性的調控作用。在生長季短、氣候寒冷的林線地區，樹木如何確保新生組織在冬季前完成木質化是其生存關鍵。通過對藏東南色季拉山急尖長苞冷杉和方枝柏的長期監測發現：①兩樹種徑向生長高峰同步出現在夏至日附近，超過50%的年生長量出現在此前28-35天（此時土壤溫度仍較低）；②徑向生長與葉凋落動態耦合，通過養分回流提高了生長季早期的氮素利用效率；③夏至日前的生長量決定全年生長，且對溫度敏感，而此后生長量及敏感性均較低；④過去60年樹輪寬度主要響應生長季早期溫度，與北半球139個溫帶/寒溫帶森林點的規律一致。研究表明，以夏至日為節點的光周期鐘調控著高寒樹木的生長和養分利用過程，其生理代謝在夏至日附近的“共振”確保了組織木質化的順利完成。該發現為理解高寒木本植物生長與養分循環提供了新視角，拓展了樹輪記錄的生態學意義。

本研究揭示了林線樹輪生長持續增加主要得益于大氣CO?升高的施肥效應。盡管已知CO?濃度上升可提高光合速率，但其能否持續轉化為樹木生物量增長，以及樹輪序列能否記錄這一響應，尚不明確。關鍵問題在于，葉片凋落量與樹輪生長是否存在內在聯系，以及凋落物增加驅動的氮循環能否維持CO?對生長的促進作用。通過對藏東南色季拉山急尖長苞冷杉和方枝柏林線的10年連續觀測，發現：①樹木徑向生長量與前一生長季的葉凋落量、氮回流量及歸還量呈顯著滯后正相關；②近十年樹輪寬度、葉凋落量與氮通量均呈上升趨勢，主要受大氣CO?濃度升高驅動；③CO?升高通過增強葉周轉與氮循環間接促進樹木徑向生長，其直接與間接效應總和遠超氣候因子的影響；④類似模式在更長時間與空間尺度的樹輪序列中同樣存在。研究表明，近30年青藏高原林線樹輪生長普遍增加主要歸因于CO?施肥效應。凋落物增加所提升的氮循環可自主緩解樹木生長的氮限制，從而維持CO?對生長的長期促進作用。該發現為理解森林碳氮循環及改進陸地生物地球化學模型提供了新依據。

本研究揭示了氣候變暖背景下部分高山林線位置未發生明顯變化的原因。盡管低溫被認為是樹木生長的主要限制因子，但全球近半數林線并未隨氣候變暖而上移。基于藏東南色季拉山對急尖長苞冷杉和方枝柏的10年微氣象觀測與種苗移植實驗，研究發現：①冷杉幼苗分布上限可延伸至林線以上約40米，且其密度與灌木蓋度關聯較弱；②林線以上環境不影響種子萌發，但幼苗存活率受生長季早期凍害和強光照共同限制；③移植至易發生凍害的林線以上及陽坡區域的幼苗存活率低，而林內幼苗因無凍害存活率高；④觀測數據顯示，林線以上及陽坡區域生長季早期凍害頻率隨年平均氣溫升高而增加。結果表明，氣候變暖導致生長季提前，反而加劇了早期凍害發生，并與強光共同產生低溫光抑制效應，限制了幼苗在林線以上的存活與生長。這解釋了為何在氣候變暖背景下，該地區林線種群密度增加而林線位置保持穩定。生長季早期凍害因此成為評估亞高山森林對氣候變暖響應脆弱性的關鍵指標。

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本文摘 自《高山林線形成和變化機制》（ 羅天祥等著. 北京 : 科學出版社, 2025. 9.），有刪減修改，標題為編者所加。

(本文編輯：鄭紫宸）

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