地理与气候因素对日本水青冈(Fagus crenata)种子丰产现象的协同作用机制解析

时间：2025年5月15日

来源：Basic and Applied Ecology

编辑推荐：

本研究通过构建首个整合种群水平的种子生产过程模型，解析了日本水青冈(Fagus crenata)在550公里纬度梯度上102个种群的丰产模式。研究发现夏季高温作为气象信号的作用随纬度递减，而冬季降水通过影响种子害虫存活率间接调控丰产，为预测气候变化对森林生态系统的影响提供了新工具。

在温带森林生态系统中，树木通过间歇性大量结实（称为种子丰产现象，masting）的策略来调控繁殖成功率。这种现象在壳斗科植物中尤为显著，其中水青冈属(Fagus)作为北半球优势树种，其丰产模式直接影响森林更新和动物食物网。然而，当前研究存在两大瓶颈：一是多数模型未能整合地理变异与气候因素的交互作用，二是缺乏能同时解释资源分配、气象信号和捕食防御的多过程机制模型。日本水青冈(Fagus crenata)作为研究材料具有独特优势——其分布区涵盖550公里纬度梯度，且存在南北种群对低温春季/高温夏季的不同响应特征，为解析基因-环境互作提供了天然实验场。

日本林业综合研究所的科研团队在《Basic and Applied Ecology》发表的研究，构建了首个整合开花启动、资源分配和种子成熟全过程的种群模型。该模型创新性地将气象信号（T_HSM/T_LSP）、氮资源动态（β_SR）、花粉限制（β_RPF）和昆虫捕食逃避（β_EIP）等模块耦合，并开发了能将定性观测数据（结实等级）量化的观测模型。研究团队利用日本东北部至北海道102个样点20年的监测数据，结合金泽 riparian 森林的详细花/种子计数数据（1990-2008年，8个0.5m²种子陷阱），通过马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法进行参数估计。

关键方法：1) 构建包含气象信号响应（α_HSM/α_LSP）、资源分配（1-S^βSR）、花粉限制（1-F^βRPF）和捕食逃避（1-F_t-1^βEIP）的微分方程模型；2) 开发四等级（无/少量/中等/丰产）Logistic观测模型；3) 使用WorldClim数据库的6个气候因子（如BIO19雪季降水）进行地理分析；4) 通过1000年模拟验证模型稳定性。

主要结果：

模型验证：在测试点金泽森林，模型预测的花（F）和种子（S）数量与实际观测高度吻合（斜率1.000±0.115），最优P_max为590个/0.5m²。1000年模拟成功复现了实际观测的丰产间隔模式。
纬度梯度效应：夏季高温信号响应参数α_HSM随纬度升高而降低（r=-0.383），印证了南北种群遗传分化的假设。而春季低温信号α_LSP在40°N区域最强，可能反映局部适应。
气候关联：冬季降水（PCQ）与昆虫捕食逃避参数β_EIP正相关（r=0.256），暗示深雪可能抑制主要种子害虫Pseudopammene fagivora的越冬存活。
资源分配：β_SR值普遍>1（均值2.284），表明仅在丰产后次年会出现开花资源限制，而氮储存能在1年内恢复，这与Han等（2014）的生理学研究一致。

讨论与意义：该研究首次量化了地理遗传变异与局地气候对丰产现象的交互影响。发现夏季高温信号的响应强度呈现纬度梯度变化，这可能是导致日本水青冈（与欧洲水青冈不同）在400公里以上距离同步性减弱的关键机制。模型预测冬季增雪可能通过抑制害虫提高种子存活率，而暖化导致的夏季高温信号增强可能打破现有丰产节律。

该模型的创新性在于：1) 实现了从气象信号到种子生产的全链条模拟；2) 解决了定性数据定量化的难题；3) 为气候变化情景下的森林更新预测提供了工具。未来需结合分子实验验证气象信号感知的遗传基础，并将模型扩展至种子萌发和幼苗存活阶段，以全面评估气候变化对种群适合度的长期影响。研究强调，保护水青冈种群的纬度遗传多样性，对维持其应对气候变化的适应性至关重要。