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研究亮点
HIGHLIGHTS
1. 标准化树冠相关术语的定义：树冠形态和分支结构；
2. 将树冠特征与干旱胁迫下树木径向生长相关联，简化了树木生长响应气候压力的研究；
3. 研究成果可协助林业管理者通过间伐措施促进特定类型的树冠生长。
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研究背景
在适应环境变化的过程中，树木会调整其形态特征，发展出多种适应性特征，其中树冠形态和分支结构是两个关键的适应性特征。这些特征具有显著的可塑性，使得树木能够优化其结构，以更有效地适应环境条件并获取资源。树冠形态是树木在当前和历史环境条件下生长过程相互作用的结果，它反映了树木对环境变化的响应。因此，深入理解树冠形态和分支结构的功能，对于揭示树木形态、功能与生态策略之间的复杂联系极为关键。树冠形态(crown morphology)描述了树冠的外部特征，如其大小、长度、体积和对称性；而分支结构(branch architecture)则涉及内部特征，包括分支节点的数量、水力传导路径的长度和分支形态特征。尽管已有研究探讨了分支结构如何影响树木在干旱胁迫下的生长，但这些研究尚未将分支结构特征与树木的径向生长直接联系起来。实际上，树冠特征，尤其是树冠分支结构和形态，与树木在干旱条件下的径向生长之间的关系，对于许多树种而言仍是研究空白。
欧洲水青冈(Fagus sylvatica L.)是中欧森林中极为常见的落叶树种。随着气候变化的加剧，干旱事件的频率、强度和持续时间的不断增加，即便是竞争力强的欧洲水青冈也面临着生存的极限挑战。该树种展现出高度的形态可塑性，能够通过调整树冠形态和分支结构来适应环境的变化。本研究通过详细分析欧洲水青冈的树冠形态和分支结构，探索是否存在一种树冠原型，能最大限度地减少干旱对树木径向生长的负面影响。我们利用现代遥感技术对这些特征进行评估，并尝试将其与干旱胁迫下的径向生长表现相关联，以期为森林管理提供科学依据，帮助森林更好地适应气候变化和干旱胁迫。
02
研究方法
研究地点位于德国西南部，靠近弗莱堡的一处森林地块。使用RIEGL VZ-400i扫描仪于冬季休眠期间收集数据；采用多位置扫描方法，通过沿网格多角度扫描以确保森林的全面覆盖，并对原始扫描数据进行预处理。利用地面激光扫描(TLS)数据，构建定量结构模型(QSMs)，从而计算出树冠形态和分支结构的特征。基于QSMs计算出的树冠形态和分支结构特征，使用主成分分析(PCA)减少变量间的共线性，并通过k均值聚类分析将样本树分类为不同的树冠原型。
使用标准增长钻头在胸高处采集样本树的年轮数据，测量年轮宽度(trws)，并计算基底面积的相对增长(riba)。从德国国家气象局获取研究地点的月平均温度和降水量数据，计算标准化降水蒸散指数(SPEI)，评估干旱胁迫的严重程度，并使用网格数据识别晚霜和果实形成事件。使用线性混合效应模型(LMEMs)分析树冠形态、分支结构与树木径向生长之间的关系。模型中包括固定效应(如树干直径、环境变量、树冠形态和分支结构变量)和随机效应(树ID)，并通过模型诊断图验证模型假设。
图 1｜研究地点全景
03
研究结果
图 2｜三种树冠形态原型：I型(紫色)、II型(蓝色)和III型(绿色)
图 3｜研究期内每月的标准化降水蒸散指数(SPEI12)变化
图 4｜2015-2022年各树冠原型的树木年生长模式及环境影响概览
图 5｜不同树冠原型的年轮宽度预测平均值
图 6｜ (a) 2015-2022年间各树冠原型的实测与预测年轮宽度与5-7月的标准化降水蒸散指数(SPEI12MJJ)的关系；(b) 各树冠原型的模型预测斜率值
Cite this article
Kröner, K., Larysch, E., Schindler, Z., Obladen, N., Frey, J., Stangler, D.F., Seifert, T., 2024. Influence of crown morphology and branch architecture on tree radial growth of drought-affected Fagus sylvatica L. For. Ecosyst. 11, 100206.
https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100237
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100237
关于本刊
《森林生态系统(英文)》（Forest Ecosystems）是由教育部主管、北京林业大学主办的林学、生态学类的开放获取学术期刊。主要收录森林生态系统、森林群落、森林环境、遥感、气候变化、大数据等相关研究领域的高质量、原创性研究论文和评论性文章。影响因子3.8，在中科院期刊分区表中居农林科学大类一区，林学小类一区。
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森林生态系统(英文)
微信号：Forest Ecosystems
https://www.sciencedirect.com/journal/forest-ecosystems
编辑：唐珊珊
审核：李杰
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