种子大小和森林地面条件决定树苗在极端天气下的存活率

全球气候变化导致从严重干旱到暴雨事件的极端降水事件增加，预计这两种情况将在21世纪变得更加普遍。强大的天气事件已经影响到人类环境，引发了强烈的火灾和洪水，并极大地改变了自然生态系统。

这些过度降雨或干旱时期将如何影响森林树种的建立及其未来分布——它们如何迁移、生存和适应不断变化的气候?在一棵树的生命中，幼苗期对极端气候最敏感，因为根系较浅，而且不易获得土壤中储存的水分。

在《生态学》杂志上发表的一项新研究中，佛蒙特大学(UVM)的研究人员调查了极端降水模式对北部阔叶林中树木幼苗存活的影响。他们发现，生存取决于苗床条件、种子大小和降水变化的综合影响——而不仅仅是严重干旱或降雨事件的发生。他们记录了10种树种之间的生存差异。

“我们的研究结果强调了苗床条件和树种再生特征(如种子大小)在缓冲极端降水对美国东北部温带森林中幼苗存活的影响方面的重要性，”进行这项研究的UVM博士后助理彼得克拉克说。作为博士研究学生。

极端降雨和干旱影响

鲁宾斯坦环境与自然资源学院的Clark和AnthonyD'Amato在佛蒙特州西北部的UVM杰里科研究森林进行的野外试验中操纵降雨。他们测试了在三种不同的极端降水情景(干旱、干旱加暴雨和频繁暴雨)以及历史降雨情况下从种子长出的幼苗的第一年存活率。

研究人员创建了三个占地四分之一英亩的森林树冠开口——间隙大小可能是由于树木在风扰动期间倒下或东北地区普遍采用的森林采伐造成的。他们在每个开口处建造了一个类似温室的结构，以排除自然降水，他们收集这些降水用于在避难所中进行灌溉，以模拟降雨事件。

播种在围栏中的种子的存活在很大程度上取决于它们收到的降水量。虽然降水增加了幼苗的存活率，但在干旱之后，即使是极端降雨事件也无法提供足够的水来弥补干旱期。鉴于科学家预测未来的降水将更加零星，干燥时间更长，大雨事件会打断，这项研究强调了这些气候变化对未来森林再生的潜在影响。

苗床效应

森林地面上的苗床条件是树木幼苗存活的复杂平衡行为。为了建立和成长，幼苗需要在根部周围获得稳定的水分供应。研究人员测试了森林中常见的两种苗床类型。未受干扰的苗床包含覆盖着天然落叶层和腐烂腐殖质层的完整土壤。一个松动的苗床已经松动了上层土壤并暴露了矿质土壤，这种情况在被风吹倒的树木底部自然存在，或者是作为森林管理技术故意创造的。

在这项研究中，尽管降水起着关键作用，但苗床类型在决定幼苗存活方面的重要性超过两倍。松土苗床中幼苗的成活率是未扰动苗床中幼苗的七倍。虽然暴露的土壤可能会更快变干，但松土床的条件也能让水分更快地渗入土壤，从而防止幼苗死亡。

极端干旱或大雨事件的有害影响被幼苗在暴露的、松动的土壤中以更高的速度生长的能力所抵消。利用这一新信息，森林管理者可以选择在管理策略中应用土壤疏松，以缓冲东北地区降水变化对森林再生的负面影响。

树种差异

研究人员选择研究该地区的原生树种，包括几种预计会随着气候条件变化而增加的树种。树种包括：美国山毛榉、美国板栗、苦胡桃木、黑桦或甜桦、黑樱桃、东部铁杉、东部白松、北部红橡、糖枫和黄桦。

他们播种以观察新发芽幼苗的存活率。鉴于人们对旨在适应全球变化和减少温室气体排放的植树计划的热情越来越高，他们还种植了一些四岁的苗圃种植的幼苗，以评估结果如何随年龄变化。

对水分的敏感性因物种而异，并取决于种子大小。在干旱条件下，种子越大，幼苗的抗性越强。种子大小不是潮湿条件下的生存因素。

降水处理(湿法或干法)不会改变种子较大的树种的存活率——北方红橡树、美国板栗、苦胡桃木、美国山毛榉和黑樱桃。种子较小的物种——糖枫、东部白松、东部铁杉、黑桦和黄桦——在潮湿条件下比在干燥条件下的存活率更高。

降雨和稀疏的苗床相结合，使这些种子小、对水分敏感的物种的存活率提高了28%。对于某些树种，如糖枫，落叶层可提供养分、保护性降温和保湿。另一方面，裸露的矿质土壤可以帮助幼苗开始生长，尤其是那些种子较小的种子，如黄桦，否则它们将无法穿透森林地面的枯枝落叶层。

“通过测试播种的种子，就像森林中的自然再生一样，结果表明未来的降水模式可能会影响某些树种的发芽和存活，但这些影响会因苗床条件而异，”林业教授D'Amato说.“这些发现将有助于保护生物学家和自然资源管理者，他们正在考虑采用不同的人工再生技术，以在未来的气候条件下维持、恢复或适应森林生态系统。”

降水处理不影响更成熟的苗圃移植幼苗的存活率，其存活率远高于种子培育的第一年幼苗，尤其是小种子东部白松、东部铁杉和黑桦。

研究人员认为，种子特性可能会与植物对未来气候的反应区分开来，较小的种子物种在被强降雨打断的长时间干旱下表现不佳。更能容忍极端降水变化的物种，如北方红橡树，可能会更好地适应新的和不断变化的条件。

“我们的研究结果支持越来越多的证据表明，虽然气候仍然很重要，但其他生物物理因素可能会相互作用或可能超越气候变化对森林树木建立和分布的影响，至少在短期内是这样，”克拉克说。“这项工作有助于完善物种分布模型，并为重新造林战略提供信息，以在极端气候增加的情况下维持森林生物多样性和生态系统功能。”