Nature Communications | 中山大学苏佳佳博士后揭示基岩岩性重塑森林干旱脆弱性的年龄—径级响应格局

研究论文：Bedrock lithology determines forest demographic responses to drought

       近日，中山大学生态学院苏佳佳博士后等在国际学术期刊《Nature Communications》发表题为“Bedrock lithology determines forest demographic responses to drought”的研究论文。研究以中国西南喀斯特及邻近非喀斯特森林为天然实验场，整合树轮宽度、卫星遥感、树轮稳定碳同位素和树木死亡记录，发现基岩岩性能够通过调控近地表水分的储存与排泄，重塑不同年龄和径级树木的干旱脆弱性格局。研究提示，在极端和持续性干旱加剧的背景下，年轻和小径级树木的高脆弱性可能形成森林更新瓶颈，进而影响中国西南喀斯特森林的天然更新和种群稳定。

研究背景

       在全球变暖背景下，极端和持续性干旱正成为威胁森林碳汇、生物多样性和生态系统稳定性的关键因素。森林干旱风险通常被认为主要受降水、温度、土壤性质及植物功能性状等因素控制。然而，降水进入生态系统后能否被土壤和风化层有效储存，很大程度上取决于地下基质。对于喀斯特地区而言，碳酸盐岩的高溶蚀性和裂隙化结构会形成复杂的地表—地下水文通道，使降水快速下渗和排泄，导致“气候上湿润、植物可利用水却受限”的特殊生态水文环境。尽管全球喀斯特森林分布广泛，基岩和风化层水文过程长期以来仍较少被纳入森林干旱脆弱性研究与大尺度生态模型。

       中国西南是世界上面积最大且地貌类型最丰富的连片喀斯特区之一。碳酸盐岩溶蚀形成的裂隙和地下通道会促进降水快速下渗与排泄，使表层土壤和风化层的水分保持能力往往低于非碳酸盐岩基质。与此同时，该区域喀斯特森林与邻近非喀斯特森林在宏观气候条件上高度重叠，为区分“气候效应”和“基岩效应”提供了天然实验场。研究团队据此提出：基岩岩性不仅可能解释了森林干旱敏感性的空间分异，还可能改变不同年龄和径级树木之间的相对脆弱性。

图1｜基岩岩性影响森林不同年龄和径级树木干旱脆弱性的概念框架。喀斯特碳酸盐岩裂隙发育、近地表储水能力弱，可能使年轻和小径级树木在干旱中更早受到水分限制；非喀斯特森林呈现相反的年龄—径级响应。来源：原论文图1。

核心结果
1. 基岩控制的水分流失是森林干旱响应的重要空间约束

       研究首先利用MODIS地表温度与归一化植被指数（NDVI）计算温度植被干旱指数（temperature vegetation dryness index, TVDI），进而在1 km空间分辨率下估算风化层水分流失速率（regolith water loss rate, RWLR）。RWLR是连续无降水时段近地表干燥速率的基于过程的空间代理指标，反映降水停止后地表水分亏缺形成的速度：数值越高，通常意味着近地表水分衰减越快、缓冲能力越弱。研究将RWLR与来自40个森林样地、849株树木的1721条年轮序列，以及气候、土壤、林分结构和植物功能性状等数据共同纳入增强回归树与线性混合效应模型。结果表明，RWLR是多项干旱响应中最重要或最稳定的预测因子之一，尤其能够解释恢复能力与相对韧性的空间差异。

       区域尺度比较进一步显示，喀斯特森林总体上对干旱更加敏感。极端干旱期间，其生长下降幅度比非喀斯特森林高约95%，恢复到旱前生长水平所需时间也更长：非喀斯特森林通常在2年内恢复，而喀斯特森林约需3—4年。这说明宏观气候相近并不意味着树木经历的实际水分环境相同，基岩控制的储水与排泄过程能够显著放大或缓冲气候干旱的生态影响。

2. 喀斯特基岩“反转”了常见的年龄—径级干旱脆弱性格局

       研究最突出的发现是，不同基岩背景下森林的年龄和径级响应呈现相反方向。在非喀斯特森林中，年轻和小径级个体通常具有更高的干旱抵抗力和更快的恢复速率，而老龄和大径级个体更容易出现显著生长下降；这一模式与许多既有森林研究中“大树更脆弱”的认识一致。

       然而，在喀斯特森林中，这一格局发生反转：年轻和小径级树木的抵抗力、恢复能力和总体韧性更低，而年龄更大、径级更大的树木相对更能维持和恢复生长。研究推测，喀斯特地区浅薄且不连续的土壤和高度裂隙化的碳酸盐岩会快速耗减近地表水分；年轻和小径级树木的根系通常分布较浅，更难利用深部风化层或基岩裂隙中的残余水分，而较大的成熟树木可能凭借更深的根系或取水路径获得一定缓冲。跨物种分析未发现显著的物种水平差异，表明这一年龄—径级格局在研究网络所覆盖的多个优势针叶树种之间具有较高一致性。

图2｜研究区样地分布及喀斯特与非喀斯特森林相反的年龄组干旱响应。非喀斯特森林中老树受旱更重，而喀斯特森林中年轻树表现出更低的抵抗力和恢复能力；树木生长对水分变化的敏感性也随基岩背景而改变。来源：原论文图2。

3. 持续性干旱进一步放大年龄差异，生理和死亡记录提供独立证据

       研究将干旱区分为1年短期干旱和2—3年持续性干旱后发现，喀斯特与非喀斯特森林之间的年龄差异在持续性干旱下更加显著。对于年轻树木，其恢复能力和相对韧性随RWLR升高，在短期干旱下呈上升趋势，而在持续性干旱下转为下降或趋于平缓；老龄树木的恢复能力和相对韧性则在两类干旱下均随RWLR升高而增强。这表明，当浅层土壤和表层风化带中的水分持续被消耗后，基岩造成的水分获取差异会被进一步放大。

       两个代表性死亡样地的长期记录与区域尺度结果相互印证：在喀斯特样地，死亡主要集中于年轻和小径级个体；在非喀斯特样地，死亡更多发生于老龄和较大个体。树轮稳定碳同位素（δ¹³C）分析显示，在严重干旱阶段，内在水分利用效率（intrinsic water-use efficiency, iWUE）显著升高，同时胞间CO₂浓度（Cᵢ）与大气CO₂浓度（Cₐ）的变化发生脱耦，反映气孔关闭和碳同化受限；这些变化与径向生长下降、缺失轮和死亡高发期同步。湿润条件恢复后，存活树木的Cᵢ回升，iWUE在较高水平趋于稳定，径向生长随之恢复。

图3｜代表性非喀斯特与喀斯特样地的长期生理指标、径向生长与干旱相关死亡轨迹。严重干旱期间，iWUE上升、基面积增量（BAI）下降，并伴随不同年龄组的死亡事件。来源：原论文图5。

结论与启示

       该研究表明，森林对干旱的脆弱性不能仅由气候背景或植物性状解释。基岩岩性通过控制土壤—风化层—基岩系统中的水分储存和可利用性，能够改变不同年龄和径级个体所承受的干旱压力，从而重塑森林的年龄—径级干旱响应格局。换言之，在本研究覆盖的针叶树占优势森林和混交林中，“大树是否更脆弱”不能脱离地质背景一概而论。

       这一发现对中国西南喀斯特生态恢复具有直接启示。该区域许多喀斯特景观在长期造林和生态恢复后，以年轻次生林或人工林为主。如果持续性干旱优先影响甚至淘汰幼龄和小径级树木，可能造成种群更新瓶颈，削弱森林更新，并减慢干旱后的生物量恢复和碳汇重建。未来的森林脆弱性评估、植被动态模型、生态预报以及生态恢复和经营策略，应更明确地纳入基岩异质性、地下基质中的水分可利用性和林分年龄结构。

论文信息

       论文题为“Bedrock lithology determines forest demographic responses to drought”。中山大学生态学院苏佳佳博士后为论文第一作者，并与兰州大学资源环境学院勾晓华教授共同担任通讯作者；中山大学生态学院为论文第一署名单位。其他共同作者包括中山大学生态学院储诚进教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Janneke Hille Ris Lambers教授、荷兰瓦赫宁根大学Pieter A. Zuidema教授、捷克科学院植物研究所Jan Altman教授、瑞士伯尔尼大学Rubén D. Manzanedo副教授、广西师范大学王毅博士、兰州理工大学谷富讲师、中山大学生命科学学院博士生郑无忌。该研究得到了国家自然科学基金、教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家资助博士后研究人员计划、中国博士后科学基金等相关科研项目的支持。

原文信息

Su, J. et al. Bedrock lithology determines forest demographic responses to drought. Nature Communications 17, 8574 (2026).

DOI: 10.1038/s41467-026-76754-3

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-026-76754-3