森林管理：開(kāi)出應對氣候變化的“分解良方”

2013年建成的位于河南寶天曼森林生態(tài)系統國家野外科學(xué)觀(guān)測研究站的櫟類(lèi)林模擬干旱實(shí)驗平臺。欒軍偉供圖

“分解者生物群落的復雜性是森林生物多樣性的一個(gè)核心組成部分，但一直以來(lái)被學(xué)術(shù)界所忽視。”國家林業(yè)和草原局國際竹藤中心研究員欒軍偉11年前在加拿大留學(xué)期間，就對生物多樣性與生態(tài)系統功能之間的關(guān)系萌生了研究興趣。

近日，他與中國工程院院士、中國林業(yè)科學(xué)研究院研究員劉世榮團隊合作發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》的最新研究成果，揭示了森林生態(tài)系統生物多樣性在應對氣候變化方面的重要作用，提出分解系統中的生物多樣性能夠減緩干旱對跨區域生物群落的影響。

該研究成果在國際上首次從生態(tài)系統分解過(guò)程的視角，提供了生物多樣性減緩氣候變化對關(guān)鍵生態(tài)系統功能負面影響的有力證據。

論文評審人指出，該成果十分及時(shí)地為生物多樣性損失以及氣候變化引起的森林生態(tài)系統營(yíng)養和碳循環(huán)變化提供了重要信息。

神秘的核心：森林凋落物分解

在森林生態(tài)系統中，生產(chǎn)者、消費者和分解者各司其職。生產(chǎn)者通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉化為化學(xué)能制造有機物，為整個(gè)生態(tài)系統提供能量和物質(zhì)基礎;消費者通過(guò)攝取植物或其他動(dòng)物來(lái)獲取能量和營(yíng)養，進(jìn)行物質(zhì)和能量的傳遞;分解者負責將動(dòng)植物遺體、排泄物等有機物分解為無(wú)機物質(zhì)，歸還到無(wú)機環(huán)境中供再次利用，維持生態(tài)系統的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。

“生物多樣性與生態(tài)系統功能之間的關(guān)系是近年來(lái)國際生態(tài)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。”論文共同通訊作者劉世榮告訴《中國科學(xué)報》，國內外普遍認為，生物多樣性越高，生態(tài)系統功能越強、穩定性越高，尤其是抵御脅迫或極端氣候的能力越強。

“然而，國內外相關(guān)研究大多關(guān)注生產(chǎn)力(即植物生長(cháng))與生物多樣性的關(guān)系，而生物多樣性變化是否在不同營(yíng)養級水平影響生態(tài)系統功能并不清楚。”劉世榮說(shuō)。

論文第一作者、共同通訊作者欒軍偉告訴《中國科學(xué)報》，分解過(guò)程是受多個(gè)營(yíng)養級水平共同控制的生態(tài)過(guò)程。森林凋落物的分解過(guò)程是陸地生態(tài)系統最為重要的過(guò)程之一。它決定著(zhù)生態(tài)系統的碳循環(huán)和養分循環(huán)，影響著(zhù)群落結構及動(dòng)態(tài)，繼而影響生態(tài)系統功能。

凋落物被微生物分解時(shí)，其中的有機碳會(huì )轉化為二氧化碳釋放到大氣中。“因此，凋落物分解影響著(zhù)大氣圈與生物圈的碳反饋，進(jìn)而影響氣候變化。”欒軍偉說(shuō)，同時(shí)，大量的礦質(zhì)元素，如氮、磷、鉀等，在分解過(guò)程中被釋放出來(lái)，成為土壤養分的重要來(lái)源。

近年來(lái)，全球氣候變暖問(wèn)題日益嚴峻，干旱直接影響陸地生態(tài)系統，導致生態(tài)系統功能和穩定性顯著(zhù)下降。學(xué)界普遍認為，生物多樣性可能有助于提高生態(tài)系統的抵抗力和復原力，緩解氣候變化的影響。

跨區域跨類(lèi)型：龐大的數據分析

2016年，從加拿大回國的欒軍偉了解到，我國從事森林生態(tài)學(xué)研究的科學(xué)家在中國4個(gè)氣候帶5種森林類(lèi)型中，依托生態(tài)系統定位觀(guān)測研究站開(kāi)展了森林模擬干旱實(shí)驗，各個(gè)實(shí)驗平臺由科學(xué)家自發(fā)通過(guò)不同渠道籌措科研經(jīng)費建立并維護。這些獨立的平臺聯(lián)合起來(lái)，便形成一個(gè)聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗平臺——森林模擬氣候干旱聯(lián)網(wǎng)研究平臺。

于是，他很快聯(lián)系上相關(guān)平臺負責人，開(kāi)始對凋落物分解這一影響森林生態(tài)系統的碳和養分循環(huán)的重要過(guò)程展開(kāi)系統研究。

“影響凋落物分解的生物多樣性主要包括凋落物本身的多樣性和分解凋落物的分解者的多樣性?xún)蓚€(gè)層面。”劉世榮說(shuō)。

為此，該實(shí)驗在設置樹(shù)種凋落物葉豐富度梯度的基礎上，采用不同網(wǎng)孔大小的凋落物分解袋來(lái)分離解析分解者功能群及其群落的復雜性。該研究共布設了1620個(gè)分解袋，開(kāi)展了不同樹(shù)種凋落物葉組配的分解實(shí)驗。

“最大的難題就是樣品量大、工作量大、分離難度大。”欒軍偉表示，1000多個(gè)分解袋，有的凋落物分解袋中裝有2~4種不同類(lèi)型的葉凋落物。研究人員將這些凋落物放置在野外分解一段時(shí)間后帶回實(shí)驗室，把每一個(gè)分解袋中的葉凋落物按種類(lèi)分辨后用鑷子分離出來(lái)分別烘干稱(chēng)重，并測定元素含量。

這是一項龐大的工程。論文評審人指出，實(shí)驗設計令人印象深刻，其間工作量之大難以想象。因此，實(shí)驗的規模使該研究結果適用于全球各地的生態(tài)系統。

研究發(fā)現，不同森林類(lèi)型中，模擬干旱減少了凋落物分解過(guò)程中碳尤其是氮元素的降解，而凋落物葉的多樣性和分解者群落的復雜性均緩解了干旱對上述生物地球化學(xué)循環(huán)的負面影響。

適應性管理：引入更高的生物多樣性

欒軍偉解釋說(shuō)，首先，分解者生物群落的復雜性緩解了干旱對碳和氮循環(huán)的負面影響，尤其是土壤大型動(dòng)物參與分解過(guò)程能充分補償干旱對微生物驅動(dòng)的分解的影響。

其次，隨著(zhù)凋落物物種豐富度的增加，由互補驅動(dòng)的多樣性效應隨之增加。與較低的凋落物物種數量相比，較高的物種數量可以在更大程度上抵消干旱效應。

最后，當氣候條件變得更干燥時(shí)，生物多樣性對生態(tài)系統功能的緩解效應在不同森林類(lèi)型中表現出穩健性和可預測性，有助于采取適應性管理措施來(lái)應對氣候變化影響。

“人工營(yíng)造或改造生態(tài)系統過(guò)程中，引入更高的生物多樣性會(huì )有效提高這類(lèi)生態(tài)系統對干旱等氣候變化的抵御能力。同理，在干旱環(huán)境下，擁有高的生物多樣性的系統可以有效抵御干旱等脅迫進(jìn)而實(shí)現更高的生態(tài)系統功能，為其他生物提供更多的棲息地和更好的環(huán)境，形成生物多樣性保護的正向反饋。”劉世榮表示。

“這為森林管理部門(mén)提供了參考。”欒軍偉說(shuō)，今后在人工造林或低效人工林改造過(guò)程中，一方面可以考慮樹(shù)種、喬灌草等混交以提高植物多樣性，另一方面可以提高分解者群落的復雜性，以穩定生態(tài)系統功能的發(fā)揮。

不過(guò)，欒軍偉強調，研究中測量的這些直接影響低估了凋落物結構和化學(xué)多樣性的重要性，因為它們也可以增加分解者的復雜性和豐富度，使凋落物多樣性產(chǎn)生更大的總體影響。

“長(cháng)期來(lái)看，物種的分布、群落組成及相關(guān)物種的豐富度都將受氣候變化影響。受此影響的凋落物組成和分解者群落復雜性的變化都會(huì )改變當前研究所報道的緩解效應，這取決于未來(lái)上述成分變化的方向和程度。”欒軍偉說(shuō)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2313334121