“抱团”还是“分散”？解开森林生物多样性的纬度之谜 | 科技前线

森林为什么具有如此高的生物多样性？尤其在热带雨林，数百种树木共存于同一片土地，而温带森林却只由少数几种树木主导。

中国科学院沈阳应用生态研究所等多家单位系统评估了树种聚集分布格局对森林生物多样性维持的影响机理，提出了“扩散方式-菌根类型协同演化”的生物多样性维持新观点。

生态学研究发现，生物之间的相互作用（如竞争、种子传播、菌根共生等）是决定森林生物多样性的重要驱动力。

然而，森林生态系统高度异质化的空间分布格局与生物多样性具有什么关系？这一问题一直未能深入研究。

依托全球森林观测网络（ForestGEO）中21个跨越热带、亚热带和温带的大型森林样地，科研团队分析了样地内树种的聚集度（树种个体之间的空间接近程度）和多度（树种个体数量）之间的关系。

▲不同纬度梯度下森林树种聚集度和多度关系（a：热带森林；b：温带森林；c：纬度格局）

结果发现，在热带森林，树种的聚集度与多度没有明显关系，而在温带森林，树种的聚集度与多度呈现显著的负相关关系，即稀有树种的个体往往高度聚集，而常见树种的个体则较为分散。

也就是说，在热带，稀有树种的个体分布较分散，而在温带，稀有树种会紧密“抱团”。

为了揭示这种现象背后的生态机制，科研团队提出了一种“扩散方式-菌根类型协同演化”的新观点，强调动物传播和菌根类型是塑造这一纬度梯度格局的关键。

森林中的树木主要依赖风、重力或动物来扩散种子，这三种方式在不同纬度占比不同。

热带森林70%-80%的树种依赖动物传播，形成远离母树的随机斑块分布。温带森林的种子传播则主要依靠风力和重力，导致稀有树种更容易高度聚集。

这种差异从森林更新的角度，解释了为什么温带森林中的稀有树种比热带森林中的更倾向于“抱团”生长。

菌根是菌根真菌与树木根系形成的共生结构，不同类型的菌根影响树木的存活策略。

在热带森林，大多数树种与丛枝菌根真菌共生。丛枝菌根对土壤病原菌的抵抗作用有限，导致树种幼苗在母树周围易受病原菌侵害降低存活率，造成热带树种更倾向于远离母树分布。

在温带森林，多数树种依赖外生菌根真菌。外生菌根有较强的病害防护作用，使树种幼苗在母树附近更易存活，从而导致较高的聚集性。

这种差异从树种存活的角度，解释了为什么温带森林中的稀有树种比热带森林中的更倾向于“抱团”生长。

通过收集样地内720个树种的传播方式与菌根类型数据，科研团队证实了动物传播比例和丛枝菌根树种比例随纬度降低而升高的趋势，并且两者可以共同解释树种聚集度-多度关系的纬度分布格局。

▲不同纬度梯度下动物传播和丛枝菌根树种所占的比例（a）及与树种聚集度的关系（b）

为进一步揭示该空间格局对森林多样性维持的影响机理，科研团队将聚集度-多度关系纳入扩展的空间显性竞争模型（Lotka-Volterra模型），开展了森林多树种长期稳定共存的模型模拟研究。

研究发现，如果只考虑树种聚集度-多度依赖关系，由于同种密度制约效应（树种密度越高，同种死亡率越高）的影响，树种不能长期稳定共存，但当引入动物传播驱动的随机斑块分布后，即降低了同种密度制约的影响，模型重现了热带森林的稳定共存格局。

温带森林则通过菌根保护机制平衡聚集带来的竞争压力，可以形成稳定的空间聚集分布格局而不影响树种的长期共存，进一步支持了扩散方式和菌根类型对热带和温带森林的不同作用。

该研究结果揭示了森林树种在不同纬度地区通过不同的空间策略实现稳定共存的奥秘，为理解森林生态系统多样性、稳定性开辟了新方向。