森林管理：开出应对气候变化的“分解良方”

2013年建成的位于河南宝天曼森林生态系统国家野外科学观测研究站的栎类林模拟干旱实验平台。栾军伟供图

“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所忽视。”国家林业和草原局国际竹藤中心研究员栾军伟11年前在加拿大留学期间，就对生物多样性与生态系统功能之间的关系萌生了研究兴趣。

近日，他与中国工程院院士、中国林业科学研究院研究员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，提出分解系统中的生物多样性能够减缓干旱对跨区域生物群落的影响。

该研究成果在国际上首次从生态系统分解过程的视角，提供了生物多样性减缓气候变化对关键生态系统功能负面影响的有力证据。

论文评审人指出，该成果十分及时地为生物多样性损失以及气候变化引起的森林生态系统营养和碳循环变化提供了重要信息。

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，同时，大量的矿质元素，如氮、磷、钾等，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，缓解气候变化的影响。

跨区域跨类型：庞大的数据分析

2016年，从加拿大回国的栾军伟了解到，我国从事森林生态学研究的科学家在中国4个气候带5种森林类型中，依托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不同渠道筹措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平台——森林模拟气候干旱联网研究平台。

于是，他很快联系上相关平台负责人，开始对凋落物分解这一影响森林生态系统的碳和养分循环的重要过程展开系统研究。

“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。该研究共布设了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。研究人员将这些凋落物放置在野外分解一段时间后带回实验室，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，其间工作量之大难以想象。因此，实验的规模使该研究结果适用于全球各地的生态系统。

研究发现，不同森林类型中，模拟干旱减少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。

适应性管理：引入更高的生物多样性

栾军伟解释说，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在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。同理，在干旱环境下，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实现更高的生态系统功能，为其他生物提供更多的栖息地和更好的环境，形成生物多样性保护的正向反馈。”刘世荣表示。

“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，以稳定生态系统功能的发挥。

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，因为它们也可以增加分解者的复杂性和丰富度，使凋落物多样性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气候变化影响。受此影响的凋落物组成和分解者群落复杂性的变化都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