解析 PDG - Arena 模型：解开混交林生态奥秘的新钥匙

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【字体：大中小】 时间：2025年02月26日 来源：Annals of Forest Science 2.5

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　　为深入理解混交林生态生理机制，法国研究人员开发 PDG - Arena 模型，该模型模拟效果良好且揭示了混交林的诸多特性，对森林研究意义重大。

　　在全球气候和生物多样性危机的大背景下，混交林作为一种可持续的森林管理模式，正逐渐成为科学界关注的焦点。想象一下，在大自然的舞台上，不同种类的树木就像各具特色的演员，它们共同构成了混交林这个复杂而精彩的生态系统。混交林相比单一树种的森林，不仅能更好地维持生态系统的关键服务功能，还能增强森林的韧性，就像一支多元化的团队往往比单一技能的团队更能应对各种挑战一样。然而，这个生态系统中树木之间的 “互动” 却充满了神秘色彩。尽管人们知道混交林的诸多优势，比如物种混合通常能提高森林生产力（即所谓的超产效应，overyielding），但这种效应并非一成不变，它会受到林分结构（如树木密度、大小差异等）、物种组成以及非生物条件（如土壤水分、光照等）的影响。而且，关于树木物种丰富度对森林抵御干旱能力的影响，科学界也没有统一的结论。这些不确定性就像一团团迷雾，笼罩着混交林生态生理功能的研究领域。
为了驱散这些迷雾，法国的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们开发了一种全新的基于个体和过程的森林生长模型 ——PDG - Arena（Physio - Demo - Genetics Arena，代表林分是树木竞争和相互作用的场所），试图通过这个模型来揭开混交林的神秘面纱，探索其中碳、水和辐射截留的动态变化。相关研究成果发表在《Annals of Forest Science》期刊上。
在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们利用了已有的数据资源，包括来自法国阿尔卑斯山前地区 39 个山毛榉、冷杉及山毛榉 - 冷杉混交林样地的调查数据，涵盖了 1996 - 2013 年的树木生长信息。其次，他们借助了已有的模型基础，PDG - Arena 模型是在已验证的生态生理林分尺度模型 CASTANEA 的基础上开发而来。此外，通过生成不同类型的虚拟库存（RM、R 和 O），模拟不同的林分结构和物种多样性情况，以便对模型进行全面评估。
研究结果主要从以下几个方面展开：

PDG - Arena 与 CASTANEA 的比较：当使用规则化的单一物种库存（RM）时，PDG - Arena 和 CASTANEA 对林分水平的总初级生产力（Gross Primary Production，GPP）预测相似，不过 PDG - Arena 模拟的 GPP 平均比 CASTANEA 大 4.2%。而且，在使用规则化库存（R）和规则化单一物种库存（RM）时，PDG - Arena 的模拟结果与 CASTANEA 更为接近。
模型性能评估：通过与实地测量的木材体积增量进行对比，发现 PDG - Arena 和 CASTANEA 的平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）在不同林分类型中较为接近。但综合来看，PDG - Arena 在模拟混合林和山毛榉林时表现更优。例如，使用原始库存（O）时，PDG - Arena 在混合林和山毛榉林中的决定系数（）比 CASTANEA 更高。在个体树尺度上，PDG - Arena 能解释树木生长变异性的一半，但平均绝对误差较大，意味着模型在预测时可能需要更精细的校准。
混交和结构效应：研究发现物种混合对 GPP、冠层吸收率、蒸腾作用和最大缺水率有显著影响。通过对比 R 和 RM 库存的模拟结果，发现物种混合使 GPP 增加了 5.5%，冠层吸收率提高了 11.1%，蒸腾作用增加了 15.8%，最大缺水率增加了 13.7%。而结构效应（对比 O 和 R 库存）则使 GPP、冠层吸收率、蒸腾作用和最大缺水率均有所下降。
在结论和讨论部分，PDG - Arena 模型展示了其独特的优势和价值。它能够模拟单物种和混交林中树木之间的相互作用，并基于明确的树木清单预测生产力。与 CASTANEA 相比，PDG - Arena 在预测山毛榉和山毛榉 - 冷杉混交林方面具有更好的能力。同时，该模型可以模拟不同结构和物种组成的小型林分（小于 1 公顷）的生长，为森林生态系统的研究提供了有力的工具。不过，研究也存在一些局限性，比如用于评估模型的数据性质与 CASTANEA 校准所用的数据不同，碳分配的模拟可能存在误差，气候参数化的分辨率也有待提高。
尽管如此，PDG - Arena 模型的出现，为森林生态系统的研究开辟了新的道路。它可以用于测试关于混交林的特定假设，帮助科学家更好地理解森林中多样性与功能之间的关系。例如，研究人员可以利用该模型探索超产效应是否更易在生产力较低的地区发生，混交林是否会增加水分胁迫，以及混交林对干旱的抵御能力如何等问题。此外，基于其构建基础，PDG - Arena 还可用于评估种群功能性状的进化动态，为森林管理和生态保护提供了重要的理论支持和实践指导。
【本研究主要技术方法：利用法国阿尔卑斯山前地区混交林样地调查数据，基于 CASTANEA 模型开发 PDG - Arena 模型，通过生成不同虚拟库存评估模型。

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