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

“分解者生物群落的復(fù)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(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(tǒng)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(tuán)隊(duì)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(tǒng)生物多樣性在應(yīng)對氣候變化方面的重要作用，提出分解系統(tǒng)中的生物多樣性能夠減緩干旱對跨區(qū)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(tǒng)分解過程的視角，提供了生物多樣性減緩氣候變化對關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能負(fù)面影響的有力證據(jù)。

論文評審人指出，該成果十分及時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(tǒng)營養(yǎng)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(tǒng)中，生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者各司其職。生產(chǎn)者通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能制造有機(jī)物，為整個生態(tài)系統(tǒng)提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ);消費(fèi)者通過攝取植物或其他動物來獲取能量和營養(yǎng)，進(jìn)行物質(zhì)和能量的傳遞;分解者負(fù)責(zé)將動植物遺體、排泄物等有機(jī)物分解為無機(jī)物質(zhì)，歸還到無機(jī)環(huán)境中供再次利用，維持生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動。

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

“然而，國內(nèi)外相關(guān)研究大多關(guān)注生產(chǎn)力(即植物生長)與生物多樣性的關(guān)系，而生物多樣性變化是否在不同營養(yǎng)級水平影響生態(tài)系統(tǒng)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(xué)報》，分解過程是受多個營養(yǎng)級水平共同控制的生態(tài)過程。森林凋落物的分解過程是陸地生態(tài)系統(tǒng)最為重要的過程之一。它決定著生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)，影響著群落結(jié)構(gòu)及動態(tài)，繼而影響生態(tài)系統(tǒng)功能。

凋落物被微生物分解時，其中的有機(jī)碳會轉(zhuǎn)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(jìn)而影響氣候變化。”欒軍偉說，同時，大量的礦質(zhì)元素，如氮、磷、鉀等，在分解過程中被釋放出來，成為土壤養(yǎng)分的重要來源。

近年來，全球氣候變暖問題日益嚴(yán)峻，干旱直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性顯著下降。學(xué)界普遍認(rèn)為，生物多樣性可能有助于提高生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和復(fù)原力，緩解氣候變化的影響。

跨區(qū)域跨類型：龐大的數(shù)據(jù)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個氣候帶5種森林類型中，依托生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站開展了森林模擬干旱實(shí)驗(yàn)，各個實(shí)驗(yàn)平臺由科學(xué)家自發(fā)通過不同渠道籌措科研經(jīng)費(fèi)建立并維護(hù)。這些獨(dú)立的平臺聯(lián)合起來，便形成一個聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)人，開始對凋落物分解這一影響森林生態(tài)系統(tǒng)的碳和養(yǎng)分循環(huán)的重要過程展開系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)在設(shè)置樹種凋落物葉豐富度梯度的基礎(chǔ)上，采用不同網(wǎng)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(fù)雜性。該研究共布設(shè)了1620個分解袋，開展了不同樹種凋落物葉組配的分解實(shí)驗(yàn)。

“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。研究人員將這些凋落物放置在野外分解一段時間后帶回實(shí)驗(yàn)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(xiàng)龐大的工程。論文評審人指出，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)令人印象深刻，其間工作量之大難以想象。因此，實(shí)驗(yàn)的規(guī)模使該研究結(jié)果適用于全球各地的生態(tài)系統(tǒng)。

研究發(fā)現(xiàn)，不同森林類型中，模擬干旱減少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(fù)雜性均緩解了干旱對上述生物地球化學(xué)循環(huán)的負(fù)面影響。

適應(yīng)性管理：引入更高的生物多樣性

欒軍偉解釋說，首先，分解者生物群落的復(fù)雜性緩解了干旱對碳和氮循環(huán)的負(fù)面影響，尤其是土壤大型動物參與分解過程能充分補(bǔ)償干旱對微生物驅(qū)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(bǔ)驅(qū)動的多樣性效應(yīng)隨之增加。與較低的凋落物物種數(shù)量相比，較高的物種數(shù)量可以在更大程度上抵消干旱效應(yīng)。

最后，當(dāng)氣候條件變得更干燥時，生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能的緩解效應(yīng)在不同森林類型中表現(xiàn)出穩(wěn)健性和可預(yù)測性，有助于采取適應(yīng)性管理措施來應(yīng)對氣候變化影響。

“人工營造或改造生態(tài)系統(tǒng)過程中，引入更高的生物多樣性會有效提高這類生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)可以有效抵御干旱等脅迫進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的生態(tài)系統(tǒng)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(hù)的正向反饋。”劉世榮表示。

“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(fù)雜性，以穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

不過，欒軍偉強(qiáng)調(diào)，研究中測量的這些直接影響低估了凋落物結(jié)構(gòu)和化學(xué)多樣性的重要性，因?yàn)樗鼈円部梢栽黾臃纸庹叩膹?fù)雜性和豐富度，使凋落物多樣性產(chǎn)生更大的總體影響。

“長期來看，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(fù)雜性的變化都會改變當(dāng)前研究所報道的緩解效應(yīng)，這取決于未來上述成分變化的方向和程度。”欒軍偉說。

相關(guān)論文信息：

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