近日，蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院樹輪團(tuán)隊(duì)在《Forest Ecosystems》期刊發(fā)表森林模擬方向的研究成果。該團(tuán)隊(duì)對(duì)廣泛應(yīng)用的森林生長(zhǎng)模型3-PG實(shí)施關(guān)鍵性改進(jìn)，顯著提升其在樹輪寬度與樹輪碳穩(wěn)定同位素模擬上的性能，最終實(shí)現(xiàn)高模擬精度，為高質(zhì)量的森林模擬提供重要技術(shù)支撐。

作為當(dāng)前應(yīng)用最普遍的基于過程的森林模型之一，3-PG模型兼顧植物生理機(jī)制完整性與易用性，通過碳吸收與固定、生物量分配與損耗、土壤水分動(dòng)態(tài)平衡等模塊，模擬森林在環(huán)境與人為因素影響下的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，并長(zhǎng)期服務(wù)于森林生產(chǎn)和科研。但傳統(tǒng)3-PG模型在樹輪形成模擬中存在明顯局限：一方面無法考慮碳儲(chǔ)存的“記憶效應(yīng)”（legacy effect），難以反映樹木過往碳儲(chǔ)備對(duì)當(dāng)前樹輪生長(zhǎng)的影響；另一方面無法適配現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中樹輪形成峰值與光合作用峰值時(shí)間不同步的問題。這些缺陷極大限制了模型對(duì)長(zhǎng)期森林動(dòng)態(tài)變化的精準(zhǔn)模擬能力。

為突破上述瓶頸，蘭州大學(xué)樹輪團(tuán)隊(duì)針對(duì)性優(yōu)化3-PG模型：一是新增碳儲(chǔ)存模塊，讓模型可調(diào)用樹木儲(chǔ)存的碳水化合物參與當(dāng)年樹輪形成，有效納入碳儲(chǔ)存“記憶效應(yīng)”；二是加入控制樹輪生長(zhǎng)時(shí)間的物候限制條件，使樹木早春徑向生長(zhǎng)量能遵循自然節(jié)律調(diào)節(jié)。這些改進(jìn)讓樹輪形成模擬過程更貼合實(shí)際植物生理機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)基于北美兩個(gè)同齡大冷杉(Abies grandis；圖1)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，改進(jìn)后的3-PG模型能夠很好地模擬樹輪寬度和樹輪碳穩(wěn)定同位素的年際變化（如圖2）。模擬的樹輪碳穩(wěn)定同位素和觀測(cè)值的相關(guān)性R2值在兩個(gè)樣點(diǎn)達(dá)到了0.50和0.73；其中R2=0.73的結(jié)果在現(xiàn)有相關(guān)研究中處于最優(yōu)水平。該模型對(duì)原始樹輪寬度的模擬質(zhì)量較為理想，觀測(cè)值與模擬值在兩個(gè)樣點(diǎn)的相關(guān)性R²達(dá)0.91和0.68。改進(jìn)后模型對(duì)樹輪寬度指數(shù)的模擬也有顯著提升。在1991-2007年有實(shí)地觀測(cè)的高質(zhì)量氣象數(shù)據(jù)的時(shí)段，兩個(gè)樣點(diǎn)模擬值與觀測(cè)值R2分別達(dá)0.34和0.37；而依賴周邊氣象站數(shù)據(jù)所推算的氣象數(shù)據(jù)時(shí)，觀測(cè)值與模擬值無相關(guān)性（詳見原文）。這也充分體現(xiàn)了該模型所模擬的樹輪寬度指數(shù)對(duì)于氣候數(shù)據(jù)質(zhì)量的高敏感性。

該研究由蘭州大學(xué)博士生王延芳擔(dān)任第一作者，魏亮教授為通訊作者，同時(shí)得到John D. Marshall、仲力恒、王放三位外校合作者的大力支持。這項(xiàng)研究也是魏亮及合作者持續(xù)改進(jìn)森林模型并提升基于過程的樹輪模擬(Wei et al., 2014 PCE 37: 82-100; Wei et al., 2018 AFM 259: 211-221;Wei, L., et al. 2022,DOI:10.1007/978-3-030-92698-4_26;Yu, et al., 2024 FEM 569:122154)的又一項(xiàng)成果。這項(xiàng)工作不僅提升了3-PG模型的樹輪模擬性能，更為未來森林生長(zhǎng)模型的改進(jìn)提供了新的思路與方法。此外，由于精準(zhǔn)模擬樹輪需先對(duì)樹木光合作用、冠層導(dǎo)度、碳分配等關(guān)鍵生理過程進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫，該研究也進(jìn)一步增強(qiáng)了樹輪信息作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)將擴(kuò)大3-PG模型在樹輪氣候重建、森林生態(tài)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2025.100384

圖1:同齡(even-aged)大冷杉(Abies grandis)樣地（魏亮攝）

圖2:添加碳儲(chǔ)存模塊前后對(duì)樹輪碳穩(wěn)定同位素(δ¹³C)、原始樹輪寬度和樹輪寬度指數(shù)模擬的對(duì)比。圖中R_n²為無碳儲(chǔ)存模塊時(shí)的模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)性；Rs²為有碳儲(chǔ)存模塊時(shí)的模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)性。GF1和GF2為兩個(gè)樣點(diǎn)。