森林管理：開出應對氣候變化“分解良方”

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“分解者生物群落的復雜性是森林生物多樣性的一個核心組成部分，但一直以來被學術界忽視。”國際竹藤中心研究員欒軍偉11年前在加拿大留學期間就開始對生物多樣性與生態系統功能之間的關系萌生研究興趣。

3月18日，他與中國林業科學研究院研究員、中國工程院院士劉世榮團隊合作發表于美國《國家科學院院刊》的最新研究成果，揭示了森林生態系統生物多樣性在應對氣候變化方面的重要作用，提出分解系統中生物多樣性能夠減緩干旱對跨區域生物群落的影響。

2013年建成位于河南寶天曼自然保護區櫟類林模擬干旱實驗平臺。欒軍偉供圖

該研究成果在國際上首次從生態系統分解過程的視角，為生物多樣性在減緩氣候變化對生物圈-大氣碳交換和營養循環等關鍵生態系統功能負面影響方面提供了有力證據。

論文評審人指出，這是一項針對生態系統生態學中一個重要主題的深思熟慮且執行出色的研究。該項成果十分及時地為生物多樣性損失和氣候變化引起的森林生態系統營養和碳循環的變化提供重要信息。 

神秘的核心：森林凋落物分解

在森林生態系統中，生產者、消費者和分解者各司其職。生產者通過光合作用將太陽能轉化為化學能制造有機物，為整個生態系統提供能量和物質基礎；消費者通過攝取植物或其他動物來獲取能量和營養，進行物質和能量的傳遞；分解者負責將動植物遺體、排泄物等有機物分解為無機物質，歸還到無機環境中，供再次利用，維持生態系統的物質循環和能量流動。

“生物多樣性與生態系統功能之間的關系是近年來國際生態學界關注的焦點問題之一。”論文共同通訊作者劉世榮告訴《中國科學報》，國內外普遍認為，生物多樣性越高，生態系統功能越強，穩定性越高，尤其是抵御脅迫或極端氣候的能力越強。

“然而，國內外相關研究大多數關注生產力（即植物生長）與生物多樣性的關系，而生物多樣性變化是否在不同營養級水平影響生態系統功能并不清楚。”劉世榮說。

論文第一作者、共同通訊作者欒軍偉告訴《中國科學報》，分解過程是受多個營養級水平共同控制的生態過程。森林凋落物的分解過程是陸地生態系統最為重要的過程之一，它決定著生態系統的碳循環和養分循環，影響著群落結構及動態，繼而影響生態系統功能。

凋落物被微生物分解時，其中的有機碳會轉化為二氧化碳釋放到大氣中，因此，“凋落物分解影響著大氣圈與生物圈的碳反饋，進而影響氣候變化。”欒軍偉說，另一方面，大量的礦質元素，如氮、磷、鉀等則在分解過程中被釋放出來，成為土壤養分的重要來源。 

近年來，全球氣候變暖問題日益嚴峻，干旱直接影響著陸地生態系統，導致生態系統功能和穩定性顯著下降。學界普遍認為，生物多樣性可能有助于提高生態系統的抵抗力和復原力，籍以緩解氣候變化的影響。 

跨區域跨類型：龐大的數據分析

2013~2016年，欒軍偉在留學期間關注的是北方泥炭地生態系統生物多樣性如何影響調控溫室氣體排放過程。

2016年，欒軍偉回國后了解到，我國從事森林生態學研究的科學家們相繼在中國溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等五個氣候帶上，依托國家林草局、中國科學院等部門建立的生態系統定位觀測研究站，開展了森林模擬干旱實驗，各個實驗平臺由科學家自發通過籌措不同渠道科研經費建立并維護。這些獨立的平臺聯合起來便形成一個聯網實驗——森林模擬氣候干旱聯網研究平臺。

該實驗將森林內穿透雨部分截留后排出樣地外，使樣地內接收到更少的降雨量，造成一定程度的干旱脅迫。借此研究和揭示我國不同地區森林生態系統過程與功能對未來潛在氣候干旱的響應機理和機制。

“這個實驗為驗證相關科學問題提供了很好的平臺。尤其是當前全球氣候變暖引起的干暖化及干旱問題日益嚴峻，威脅著森林生態系統健康和服務功能的有效發揮。”欒軍偉說，探討森林生物多樣性是否能夠有效緩解干旱的影響等理論問題，可以為未來森林生態系統管理提供有益的借鑒。

于是，他很快聯系上相關平臺負責人，開始著手對凋落物分解這一影響森林生態系統碳和養分循環的重要過程開展系統研究。

“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兩個層面。”劉世榮說。

為此，該實驗在設置了樹種凋落物葉豐富度梯度的基礎上，采用不同網孔大小的凋落物分解袋來分離解析分解者功能群及其群落的復雜性。該項研究共計布設了1620個分解袋，開展了不同樹種凋落物葉組配的分解實驗。

“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多個分解袋，有的凋落物分解袋中裝有2~4種不同類型的葉凋落物。這些凋落物放置在野外分解一段時間后取回實驗室，把每一個分解袋中的葉凋落物按種類分辨后用鑷子分離出來分別烘干稱重，并測定元素含量。

這是一項龐大的工程。論文評審人指出，實驗設計令人印象深刻，投入其中的工作量難以想象。因此，實驗的規模使該研究的結果適應于全球各地的生態系統。

結果發現，不同森林類型中，模擬干旱降低了凋落物分解過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循環的負面影響。 

森林管理有了新的生物多樣性舉措

欒軍偉解釋道，首先，分解者生物群落的復雜性緩解了干旱對碳和氮循環的負面影響，尤其是土壤大型動物（如千足蟲和等足類動物）參與分解過程能充分補償干旱對微生物驅動的分解的影響。

其次，隨著凋落物物種豐富度的增加，由互補驅動的多樣性效應（即物種數越多，分解速率越高，且超過簡單加和，即互補效應）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更大程度上抵消干旱效應。

最后，當氣候條件變得更干燥時，生物多樣性對生態系統功能的緩解效應在不同森林類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應對氣候變化的影響。

“人工營造或改造生態系統過程中，引入更高的生物多樣性會有效提高這類生態系統對干旱等氣候變化的抵御能力。同樣的道理，在干旱環境下，一個擁有高的生物多樣性的系統可以有效抵御干旱等脅迫進而提供更高的生態系統功能，從而為其它生物提供更多的棲息地和環境，形成生物多樣性保護的正向反饋。”劉世榮說。

“這為森林管理部門提供了參考。”欒軍偉說，今后在人工造林或低效人工林改造過程中，一方面可以考慮樹種、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來穩定生態系統功能的發揮。

對森林管理部門來說，通過促進植物多樣性和復雜的分解者群落，有利于在未來氣候條件下維持森林生態系統功能和穩定性，并能夠提升森林的韌性。

不過，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多樣性的重要性，因為它也可以促進分解者的復雜性和豐富度，進而使凋落物多樣性可能會產生更大的總體影響。

“長期來看，物種的分布、群落組成及相關物種的豐富度都將受到氣候變化的影響。受此影響的凋落物組成和分解者群落復雜性的變化將來會改變當前研究所報道的緩解效應，這取決于未來上述成分變化的方向和程度。”欒軍偉說。