气候变化下全球树木的细长程度

《Journal of Ecology》：Global tree slenderness under climate change

树干细长性（TSC）作为多维资源分配策略指标，研究其与气候、植被及人类活动的非线性关联及全球变化响应。基于277,384棵树木的全局数据集，运用随机森林与SHAP模型揭示太阳能辐射、NDVI指数、干旱指数及叶面积指数为关键驱动因素，TSC对环境压力的非线性响应存在生态阈值，未来气候变暖将普遍降低TSC但存在显著的生物地理分异。

　　

摘要

1. 预测树木在气候变化下的响应是植物生态策略的核心挑战。以往的研究通常使用一维指标（如直径或高度）来评估树木的生长策略；这可能无法全面反映资源分配中的权衡。树木的细长程度提供了一个更全面的替代指标，因为它反映了在环境压力下树木资源分配策略的多维适应性变化。研究假设树木的细长程度是由多种生态机制共同作用的结果，包括生物力学限制、水分限制和光照竞争等因素。然而，关于树木细长程度的全球分布模式及其驱动因素，目前知之甚少。
2. 在这里，我们利用来自全球277,384棵树木的异速生长数据，研究了环境压力、植被特征、功能性状和人类活动如何影响树木的细长程度系数（TSC）。我们使用随机森林模型和Shapley加性解释方法，估算了TSC对多个主要因素的响应阈值，这些因素涵盖了全球范围和特定生物群落尺度。此外，我们还预测了在不同未来气候情景（SSP1-26、SSP2-45、SSP3-70和SSP5-85）以及时间段（2021–2040、2041–2060和2061–2080）下，全球及各生物群落中TSC的变化情况。
3. 我们发现了一个明显的系统发育信号，表明在这些进化上不同的树系中，TSC表现出保守的生态特征。研究结果表明，TSC对环境因素、植被特征、功能性状和人类活动的响应呈现出非线性模式，并存在生态阈值。太阳辐射、归一化植被指数（NDVI）、干旱指数和比叶面积是全球范围内影响TSC变化的主要因素。较高的太阳辐射和更干燥的条件会导致TSC降低；相反，较高的NDVI和比叶面积则会增加TSC。此外，预计未来全球范围内的树木细长程度将会减小，但不同生物群落之间的变化幅度存在显著差异。
4. 总结：我们的研究结果为树木生长策略与多种环境驱动因素之间的非线性关系提供了新的见解。通过将全球植物策略的模式与影响树木生长的过程（特别是从树木细长程度的角度）联系起来，可以增强生态学家对气候变化下树木表现的理解。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些因素可能会影响本文的研究结果。

数据可用性声明

本研究中用于建模和预测的数据来源于多个已发表的数据库。全球单株树木的异速生长数据来自Tallo数据库（Jucker等人，2022），可在https://doi.org/10.5281/zenodo.6637599获取。网格化的年气候数据来自WorldClim数据库（Fick和Hijmans，2017），可在https://worldclim.org/查阅。全球土壤物理化学性质数据来自SoilGrids数据库（Hengl等人，2017），可在https://soilgrids.org/获取。叶片功能性状数据来自TRY植物性状数据库（Kattge等人，2020），可在https://www.try-db.org/获取。木材密度数据来自全球木材密度数据库（Chave等人，2009），可在https://doi.org/10.5061/dryad.234获取。物种特定的水分势数据（P50）来自Choat等人（2012），可在https://www.nature.com/articles/nature11688获取。全球地形数据来自EarthEnv数据库（Amatulli等人，2018），可在https://www.nature.com/articles/sdata201840获取。人类活动数据来自Kennedy等人（2019）。