森林管理：开出应对气候变化“分解良方”

转自：中国科学报

“分解者生物群落的复杂性是森林生物多样性的一个核心组成部分，但一直以来被学术界忽视。”国际竹藤中心研究员栾军伟11年前在加拿大留学期间就开始对生物多样性与生态系统功能之间的关系萌生研究兴趣。

3月18日，他与中国林业科学研究院研究员、中国工程院院士刘世荣团队合作发表于美国《国家科学院院刊》的最新研究成果，揭示了森林生态系统生物多样性在应对气候变化方面的重要作用，提出分解系统中生物多样性能够减缓干旱对跨区域生物群落的影响。

2013年建成位于河南宝天曼自然保护区栎类林模拟干旱实验平台。栾军伟供图

该研究成果在国际上首次从生态系统分解过程的视角，为生物多样性在减缓气候变化对生物圈-大气碳交换和营养循环等关键生态系统功能负面影响方面提供了有力证据。

论文评审人指出，这是一项针对生态系统生态学中一个重要主题的深思熟虑且执行出色的研究。该项成果十分及时地为生物多样性损失和气候变化引起的森林生态系统营养和碳循环的变化提供重要信息。 

神秘的核心：森林凋落物分解

在森林生态系统中，生产者、消费者和分解者各司其职。生产者通过光合作用将太阳能转化为化学能制造有机物，为整个生态系统提供能量和物质基础；消费者通过摄取植物或其他动物来获取能量和营养，进行物质和能量的传递；分解者负责将动植物遗体、排泄物等有机物分解为无机物质，归还到无机环境中，供再次利用，维持生态系统的物质循环和能量流动。

“生物多样性与生态系统功能之间的关系是近年来国际生态学界关注的焦点问题之一。”论文共同通讯作者刘世荣告诉《中国科学报》，国内外普遍认为，生物多样性越高，生态系统功能越强，稳定性越高，尤其是抵御胁迫或极端气候的能力越强。

“然而，国内外相关研究大多数关注生产力（即植物生长）与生物多样性的关系，而生物多样性变化是否在不同营养级水平影响生态系统功能并不清楚。”刘世荣说。

论文第一作者、共同通讯作者栾军伟告诉《中国科学报》，分解过程是受多个营养级水平共同控制的生态过程。森林凋落物的分解过程是陆地生态系统最为重要的过程之一，它决定着生态系统的碳循环和养分循环，影响着群落结构及动态，继而影响生态系统功能。

凋落物被微生物分解时，其中的有机碳会转化为二氧化碳释放到大气中，因此，“凋落物分解影响着大气圈与生物圈的碳反馈，进而影响气候变化。”栾军伟说，另一方面，大量的矿质元素，如氮、磷、钾等则在分解过程中被释放出来，成为土壤养分的重要来源。 

近年来，全球气候变暖问题日益严峻，干旱直接影响着陆地生态系统，导致生态系统功能和稳定性显著下降。学界普遍认为，生物多样性可能有助于提高生态系统的抵抗力和复原力，籍以缓解气候变化的影响。 

跨区域跨类型：庞大的数据分析

2013~2016年，栾军伟在留学期间关注的是北方泥炭地生态系统生物多样性如何影响调控温室气体排放过程。

2016年，栾军伟回国后了解到，我国从事森林生态学研究的科学家们相继在中国温带、暖温带、亚热带、热带等五个气候带上，依托国家林草局、中国科学院等部门建立的生态系统定位观测研究站，开展了森林模拟干旱实验，各个实验平台由科学家自发通过筹措不同渠道科研经费建立并维护。这些独立的平台联合起来便形成一个联网实验——森林模拟气候干旱联网研究平台。

该实验将森林内穿透雨部分截留后排出样地外，使样地内接收到更少的降雨量，造成一定程度的干旱胁迫。借此研究和揭示我国不同地区森林生态系统过程与功能对未来潜在气候干旱的响应机理和机制。

“这个实验为验证相关科学问题提供了很好的平台。尤其是当前全球气候变暖引起的干暖化及干旱问题日益严峻，威胁着森林生态系统健康和服务功能的有效发挥。”栾军伟说，探讨森林生物多样性是否能够有效缓解干旱的影响等理论问题，可以为未来森林生态系统管理提供有益的借鉴。

于是，他很快联系上相关平台负责人，开始着手对凋落物分解这一影响森林生态系统碳和养分循环的重要过程开展系统研究。

“影响凋落物分解的生物多样性主要包括凋落物本身的多样性和分解凋落物的分解者的多样性两个层面。”刘世荣说。

为此，该实验在设置了树种凋落物叶丰富度梯度的基础上，采用不同网孔大小的凋落物分解袋来分离解析分解者功能群及其群落的复杂性。该项研究共计布设了1620个分解袋，开展了不同树种凋落物叶组配的分解实验。

“最大的难题就是样品量大、工作量大、分离难度大。”栾军伟表示，1000多个分解袋，有的凋落物分解袋中装有2~4种不同类型的叶凋落物。这些凋落物放置在野外分解一段时间后取回实验室，把每一个分解袋中的叶凋落物按种类分辨后用镊子分离出来分别烘干称重，并测定元素含量。

这是一项庞大的工程。论文评审人指出，实验设计令人印象深刻，投入其中的工作量难以想象。因此，实验的规模使该研究的结果适应于全球各地的生态系统。

结果发现，不同森林类型中，模拟干旱降低了凋落物分解过程中碳尤其是氮元素的降解，而凋落物叶的多样性和分解者群落的复杂性均缓解了干旱对上述生物地球化学循环的负面影响。 

森林管理有了新的生物多样性举措

栾军伟解释道，首先，分解者生物群落的复杂性缓解了干旱对碳和氮循环的负面影响，尤其是土壤大型动物（如千足虫和等足类动物）参与分解过程能充分补偿干旱对微生物驱动的分解的影响。

其次，随着凋落物物种丰富度的增加，由互补驱动的多样性效应（即物种数越多，分解速率越高，且超过简单加和，即互补效应）随之增加，与较低的凋落物物种数量相比，较高的物种数量可以更大程度上抵消干旱效应。

最后，当气候条件变得更干燥时，生物多样性对生态系统功能的缓解效应在不同森林类型中表现出稳健性和可预测性，有助于采取适应性管理措施来应对气候变化的影响。

“人工营造或改造生态系统过程中，引入更高的生物多样性会有效提高这类生态系统对干旱等气候变化的抵御能力。同样的道理，在干旱环境下，一个拥有高的生物多样性的系统可以有效抵御干旱等胁迫进而提供更高的生态系统功能，从而为其它生物提供更多的栖息地和环境，形成生物多样性保护的正向反馈。”刘世荣说。

“这为森林管理部门提供了参考。”栾军伟说，今后在人工造林或低效人工林改造过程中，一方面可以考虑树种、乔灌草等混交以提高植物多样性，另一方面可以提高分解者群落的复杂性来稳定生态系统功能的发挥。

对森林管理部门来说，通过促进植物多样性和复杂的分解者群落，有利于在未来气候条件下维持森林生态系统功能和稳定性，并能够提升森林的韧性。

不过，栾军伟强调，研究中测量的这些直接影响低估了凋落物结构和化学多样性的重要性，因为它也可以促进分解者的复杂性和丰富度，进而使凋落物多样性可能会产生更大的总体影响。

“长期来看，物种的分布、群落组成及相关物种的丰富度都将受到气候变化的影响。受此影响的凋落物组成和分解者群落复杂性的变化将来会改变当前研究所报道的缓解效应，这取决于未来上述成分变化的方向和程度。”栾军伟说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2313334121

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