树木生长在多圈层交互作用最为频繁的地球关键带，其根系深入土壤和岩石，叶片伸展于大气中，对生境内能量与物质及其再分配过程的变化响应敏感，并通过木质部周期性生长形成可精准定年的长期树轮记录（图1a）。因此，树轮是天然具有时（长时间序列）空（地球系统多圈层）连接属性的环境变化代用资料，具有锚定地球系统关键过程的巨大潜力。
尽管气候信号在树轮研究中得到较多关注，但大多数样点气候年际变异的解释率往往低于50%（图1b）。除了对气候的非线性响应，地球系统关键过程引发的损伤与生境变化都可能影响树木生长，这在单点上被视为“噪声”。逐渐积累的全球树轮数据，结合地球系统观测数据，使得解码这些潜在信息成为可能。
基于此，中国科学院青藏高原研究所生态系统格局与过程团队回顾了近年研究树木生长变化揭示地球系统多圈层相互作用的典型案例，强调了大空间尺度与多样点分析对于发挥树轮的时空连接优势与锚定地球系统关键过程的重要性。通过对大空间多样点气候信号外“噪声”的研究，可以发现树木生长对干扰等外强迫响应的空间异质性，揭示在局地尺度上无法识别的新格局，而大量的数据使统计方法更加可信，有利于探究验证新过程与新机制。
此外，科研人员指出在应用树轮信息提取地球系统关键过程与圈层交互作用过程中仍然面临着诸多挑战，包括：（1）树轮样点的代表性；（2）树轮中关键过程信号的分解；（3）空间与树种等异质性引发的不同树木对相同过程的响应差异性。较易实现的改进是向树轮数据库（例如国际年轮数据库）共享新的树轮数据的同时，纳入更多如地形、林龄、垂直结构、土壤类型等微环境信息，以便更好地分类解释响应差异。
提高地球系统模型的预测能力，纳入关键的地球系统过程，已成为新时代地理与生态科学家面临的重大挑战。树轮记录的信号与全球陆面模式中的多种过程相对应，有潜力为地球系统模型提供长序列基准。除了常用于模型校准的年龄依赖生长趋势和气候依赖生长响应之外，树轮中的隐藏信息可以帮助锚定关键地球系统过程与圈层交互作用。树轮研究还强调了地球系统与人类社会之间的动态联系。作者认为，树轮数据可成为研究地球系统多圈层交互作用的重要时空隧道。
近期，上述研究以“Tree rings uncover dynamic linkages of Earth spheres”为题，发表在《Science Bulletin》杂志。我所高姗副研究员为论文第一作者，梁尔源研究员为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院国际合作局未来伙伴网络专项的联合资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.10.015
图1 树木生长受多圈层交互作用影响
（a）大气圈、水圈、生物圈、地质圈与人类活动交互影响树木生长示意图；（b）主导气候因子对树轮宽度变异的解释率有限
