Tropical forests are the most diverse terrestrial ecosystems and home to numerous tree species competing for resources in space and time. Functional traits influence the ecophysiological performance of tree species, yet the relationship between traits and emergent long-term growth patterns is poorly understood. Here, we present a novel 3D forest stand model in which growth patterns of individual trees and forest stands are emergent properties of leaf traits. Individual trees are simulated as 3D functional-structural tree models (FSTMs), considering branches up to the second order and leaf dynamics at a resolution of one cubic meter. Each species is characterized by a set of leaf traits that corresponds to a specific position on the leaf economics spectrum and determines light-driven carbon assimilation, respiration and mortality rates. Applying principles of the pipe model theory, these leaf scale processes are coupled with within-tree carbon allocation, i.e., 3D tree growth emerges from low-level processes. By integrating these FSTMs into a dynamic forest stand model, we go beyond modern stand models to integrate structurally detailed internal physiological processes with interspecific competition and interactions with the environment in diverse tree communities. For model calibration and validation, we simultaneously compared a large number of emergent patterns at both the tree and forest levels in a pattern-oriented modelling framework. At the tree level, the specific leaf area and correlated leaf traits determined the maximum height and age of trees, as well as their size-dependent growth rate and shade tolerance. Trait variations along the leaf economics spectrum led to a continuous transition from fast-growing, short-lived and shade-intolerant to slow-growing, long-lived and shade-tolerant trees. These emerging patterns resemble well-known functional tree types, indicating a fundamental impact of leaf traits on long-term growth patterns. At the forest level, a large number of patterns taken from lowland Neotropical forests were reproduced, indicating that our forest model simulates structurally realistic forests over long time spans. Our ecophysiological approach improves the understanding of how leaf level processes scale up to the tree and the stand level, and facilitates the development of next-generation forest models for species-rich forests in which tree performance emerges directly from functional traits.

热带森林是最多样化的陆地生态系统，也是众多在空间和时间上争夺资源的树种的家园。功能性状影响树种的生态生理性能，但性状与新出现的长期生长模式之间的关系知之甚少。在这里，我们提出了一种新颖的 3D 林分模型，其中单株树木和林分的生长模式是叶性状的紧急属性。单个树被模拟为 3D 功能结构树模型 (FSTM)，考虑到二阶的分支和分辨率为 1 立方米的叶子动态。每个物种的特征是一组叶子特征，这些特征对应于叶子经济学光谱上的特定位置，并决定了光驱动的碳同化、呼吸作用和死亡率。应用管道模型理论的原理，这些叶尺度过程与树内碳分配相结合，即 3D 树木生长来自低级过程。通过将这些 FSTM 集成到动态林分模型中，我们超越了现代林分模型，将结构详细的内部生理过程与种间竞争以及与不同树木群落中环境的相互作用相结合。对于模型校准和验证，我们在面向模式的建模框架中同时比较了树木和森林级别的大量涌现模式。在树的水平上，特定的叶面积和相关的叶性状决定了树木的最大高度和年龄，以及它们与大小相关的生长速度和耐荫性。叶经济谱上的性状变异导致从快速生长、寿命短和不耐阴的树木不断过渡到生长缓慢、寿命长且耐阴的树木。这些新出现的模式类似于众所周知的功能树类型，表明叶性状对长期生长模式的根本影响。在森林层面，大量取自低地新热带森林的模式被再现，表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。对生长缓慢、寿命长且耐阴的树木寿命短且不耐阴。这些新出现的模式类似于众所周知的功能树类型，表明叶性状对长期生长模式的根本影响。在森林层面，大量取自低地新热带森林的模式被再现，表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。对生长缓慢、寿命长且耐阴的树木寿命短且不耐阴。这些新出现的模式类似于众所周知的功能树类型，表明叶性状对长期生长模式的根本影响。在森林层面，大量取自低地新热带森林的模式被再现，表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。这些新出现的模式类似于众所周知的功能树类型，表明叶性状对长期生长模式的根本影响。在森林层面，大量取自低地新热带森林的模式被再现，表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。这些新出现的模式类似于众所周知的功能树类型，表明叶性状对长期生长模式的根本影响。在森林层面，大量取自低地新热带森林的模式被再现，表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。表明我们的森林模型在很长一段时间内模拟了结构真实的森林。我们的生态生理学方法提高了对叶子水平过程如何扩展到树木和林分水平的理解，并促进了下一代森林模型的开发，用于物种丰富的森林，其中树木的性能直接来自功能特征。