森林為何具有如此高的生物多樣性？在熱帶雨林中，數(shù)百種樹木共存于同一片土地上，而溫帶森林卻只由少數(shù)幾種樹木主導。何種力量使這些樹種在長期競爭中保持穩(wěn)定而不被強勢物種淘汰？生態(tài)學研究認為，物種之間的相互作用如競爭、種子傳播、菌根共生等是決定森林生物多樣性的重要驅動力。但是，作為空間異質性極高的陸地生態(tài)系統(tǒng)，森林樹種具有區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)的空間分布結構。這種空間分布如何決定森林生物多樣性長期維持尚不清楚。有研究發(fā)現(xiàn)，樹種通常表現(xiàn)同種聚集分布格局即同一樹種的個體更傾向于聚集在一起而不是隨機分布。目前，關于樹種聚集分布格局如何隨緯度變化以及這些變化如何影響森林多樣性長期維持缺乏整體框架。
中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所聯(lián)合德國亥姆霍茲環(huán)境研究中心等國內外科研機構，依托全球森林觀測網(wǎng)絡ForestGEO中21個跨越熱帶、亞熱帶和溫帶的大型森林樣地（樣地內每棵胸徑不小于1cm的樹木的樹種、位置和大小等信息均被詳細記錄），分析了樣地內樹種的聚集度即樹種個體之間的空間接近程度以及多度即樹種個體數(shù)量的關系。結果發(fā)現(xiàn)，在熱帶森林，樹種的聚集度與多度無明顯關系；而在溫帶森林，樹種的聚集度與多度呈現(xiàn)顯著的負相關關系，即稀有樹種的個體往往高度聚集，而常見樹種的個體則較為分散。換句話說，熱帶稀有樹種的個體分布較分散，而在溫帶森林中它們緊密“抱團”。
為揭示潛在的生態(tài)機制，該研究提出了“擴散方式-菌根類型協(xié)同演化”新觀點，結合近期發(fā)現(xiàn)的植物擴散方式與菌根共生的演化關系，提出了動物傳播方式和菌根類型共同塑造了這一緯度梯度格局的觀點。森林中的樹木主要依賴風、重力或動物來擴散種子，而三種擴散方式在不同緯度的占比不同。熱帶森林70%至80%樹種依賴動物傳播。這些動物將種子帶離母樹，使幼樹分布更分散，形成遠離母樹的隨機斑塊分布。溫帶森林的種子傳播主要依靠風力和重力，意味著種子往往掉落在母樹附近，導致稀有樹種更易形成高度聚集的空間分布。這種差異從森林更新的角度解釋了溫帶森林中的稀有樹種比熱帶森林中的稀有樹種更傾向于“抱團”生長的原因。
進一步，研究發(fā)現(xiàn)，菌根是菌根真菌與樹木根系形成的共生結構，且不同類型的菌根影響樹木的存活策略。在熱帶森林，多數(shù)樹種與叢枝菌根真菌共生。叢枝菌根對土壤病原菌的抵抗作用有限，導致樹木在母樹附近易受病原菌侵害而降低存活率，造成熱帶樹種更傾向于遠離母樹分布。在溫帶森林，多數(shù)樹種依賴外生菌根真菌。這種菌根具有較強的病害防護作用，使樹木在母樹附近更易存活，導致較高的聚集性。這種差異從樹種存活的角度解釋了溫帶森林中的稀有樹種比熱帶森林中的稀有樹種更傾向于“抱團”生長的原因。研究通過樣地內720個樹種的傳播方式與菌根類型數(shù)據(jù)，證實了動物傳播比例和叢枝菌根樹種比例隨緯度降低而升高的趨勢。同時，動物傳播和叢枝菌根樹種比例可以共同解釋樹種聚集度-多度關系的緯度分布格局。
為探討這一空間格局對森林多樣性維持的影響，該研究將聚集度-多度關系納入擴展的空間顯性競爭模型即Lotka-Volterra模型。初期模型因聚集度-多度依賴關系導致樹種不能穩(wěn)定共存，但當引入動物傳播導致的隨機斑塊分布后，模型重現(xiàn)了熱帶森林的穩(wěn)定共存格局。溫帶森林則通過菌根保護機制平衡聚集帶來的競爭壓力，形成另一種最優(yōu)空間結構。
上述研究揭示了森林樹種在不同緯度地區(qū)通過不同的空間策略以實現(xiàn)穩(wěn)定共存的奧秘，為剖析森林生態(tài)系統(tǒng)多樣性與穩(wěn)定性維持機制開辟了新方向。
相關研究成果以Latitudinal scaling of aggregation with abundance and coexistence in forests為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和中國科學院相關項目等的支持。
論文鏈接
不同緯度梯度下森林樹種聚集度和多度的關系（a熱帶森林、b溫帶森林、c緯度格局）
不同緯度梯度下動物傳播和叢枝菌根樹種所占比例（a）以及與樹種聚集度的關系（b）
本文鏈接：研究揭示森林生物多樣性維持的新空間機制http://www.lensthegame.com/show-12-785-0.html
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