植被分布格局是植被对气候长期适应的结果,而现时气候的快速暖化将对植被分布、群落结构以及种群动态等产生显著影响。目前关于植被限界动态的研究多集中于纬度和海拔等单一梯度,但缺乏对三维地理尺度(纬度、经度和海拔)种群动态与成因的相关研究。本文以我国广布种栓皮栎(Quercus variabilis)为研究对象,首先利用最大熵(Maxent)模型模拟和预测过去(6000年前)、当前(1950-2000)和未来(2050年)气候情境下栓皮栎潜在分布格局及其主导气候因子,然后经实例调查,比较和分析纬度、经度和海拔梯度上天然种群更新动态(种群密度、年龄结构、死亡率、更新率和转化率)、个体生长(径向生长和高生长)以及空间格局的差异,并利用冗余分析和线性混合效应模型结合生物(林分状况)和非生物因子(土壤、气象等)共同探讨栓皮栎分布限界的地理格局及其潜在环境解释,为预测森林植物群落对全球气候变化的响应,以及森林恢复和经营奠定了重要的理论基础。主要结果如下:(1)栓皮栎分布模拟。现实气候条件下东亚栓皮栎适生区(适宜和低适宜生境)面积占总研究区面积的21.88%,其中适宜生境面积占5.69%,随着全球气候的波动性变化,栓皮栎适宜生境有逐渐向秦岭和大巴山脉、四川、重庆和云贵高原等区域集中,并使该分布中心的面积逐渐扩大;影响栓皮栎分布的主要气候因子为最冷月最低气温、最冷季平均气温和年降水量,三者的贡献率分别为48.6%、21.4%和14.2%。(2)种群结构与更新动态。在水平梯度上,北部、中部和西部区域种群呈进展型种群,而南部和东部区域种群呈衰退型种群;幼苗和相对幼苗密度以及最高等级更新苗密度(SR)均呈现出由中部向分布边缘递减的变化趋势,尤其是南部和东部边缘种群;海拔梯度上,低海拔和中海拔种群属于进展型种群,而高海拔属于衰退型种群,且幼苗和幼树密度均随着海拔高度的增加而减小。然而成年树总胸高断面积和密度在纬向、经向和海拔梯度上均没有明显变化趋势。此外,在水平和垂直梯度上,萌生和实生幼苗密度均呈现较一致的变化趋势,说明栓皮栎种群依靠有性和无性繁殖共同维持种群的发展,且二者表现出一定的协同关系。(3)个体生长。纬向和经向梯度对栓皮栎生长具有显著的影响,而海拔梯度对其影响较小。纬向梯度上,晚材和全材的径向生长(平均年轮宽度、生长速率和断面积生长量)均随纬度的增加而增大,而高生长无明显的纬向差异。经向梯度上,晚材径向生长和高生长均呈显著递减的变化趋势,而早材和全材无明显的经向差异。海拔梯度上,早材和全材的径向生长以及高生长均没有明显海拔差异,而高海拔区域晚材径向生长要显著大于低海拔。各地理梯度栓皮栎种群胸径与年龄关系均呈显著正相关关系。(4)个体生长对气候的响应。分布最北端(北京),栓皮栎径向生长主要受到当年4月和6月降水以及当年6月最高温的影响,而北部其他区域(河北临城,LC和河南济源,JY)和中部(河南宝天曼,BTM)径向生长对气候的响应较相似,均表现出与上年9月和当年春季温度呈显著正相关关系;但与上年9月降水呈显著负相关关系。与北部种群相比,南部种群早材和全材受气候的影响较小(晚材除外)。西部(TS、MX和SL)和中部(BTM)栓皮栎径向生长(早材和全材)均与上年和当年9月降水呈显著正相关关系,而东部(NJ和JZ)均与降水无显著相关关系。东部(JZ和MX)早材和全材径向生长多与温度呈负相关关系,而晚材多与温度呈正相关关系。海拔梯度上栓皮栎生长格局及其对气候的响应均没有明显差异,其径向生长均表现出与上一年6月和当年春季和初夏温度呈显著正相关关系,而与上一年9月温度呈显著负相关关系;高海拔与上年冬季降水呈显著负相关关系,而中、低海拔区域均与降水无显著相关关系。(5)空间格局。在水平环境梯度上,北部区域成年树呈随机分布,而中部、南部和东部区域均呈集群分布,幼树在南部和东部均呈随机分布,其他区域均为集群分布。幼树和成年树聚集强度均表现为中部高于边缘区域;在海拔梯度上,幼年和成年树均呈集群分布(低海拔成年树除外),幼树和成年树的聚集强度均为中海拔>高海拔和低海拔,且幼树的聚集强度均高于成年树。(6)种群更新和个体生长的环境解释。在大区域尺度上,影响栓皮栎种群更新的主要环境因子为郁闭度、年降雨量和土壤pH值,且均表现为负效应关系;个体生长主要受到温度、降水、大树密度、总胸高断面积和土壤Ca、Mg的影响,均表现为负效应;晚材生长主要受到温度和土壤(Ca、Mg、和N)的影响。因此,竞争(郁闭度、大树密度和总胸高断面积)和土壤因子(pH、Ca和Mg)是栓皮栎种群生长和更新地理变异的直接影响因子,而气候作为间接的驱动因子通过影响竞争等生物作用对树木生长和更新产生影响,尤其表现在南部、东部区域,并支持低的边缘竞争限制假说(lower-margin-competition)和胁迫梯度假说(stress-gradient hypothesis),而且在未来气候变暖的背景下,很可能会加重这一现象,引起南部、东部以及高海拔区域种群逐渐衰退,导致种群限界收缩,相比北部、西部以及中、低海拔区域种群变化不明显,同时这一结果与我们模型预测结果基本相一致。