解锁热带森林的复杂性：次生林中的树木群落如何促进生物多样性保护

《Ecology and Evolution》：Unlocking Tropical Forest Complexity: How Tree Assemblages in Secondary Forests Boost Biodiversity Conservation

本研究提出一种可复制的国家尺度森林生态系统识别方法，通过分层聚类分析优势物种组成，结合NDVI等遥感数据与随机森林建模，揭示次生森林（SF）与老成森林（OGF）的分布格局及其生态功能。以哥斯达黎加为例，识别了10个基于物种组成的集群，最终建模出7类主要森林生态系统，发现SF在连接OGF碎片、维持生物多样性方面起关键作用，但数据不足导致模型精度受限。

　　本研究旨在探讨次生林在热带森林生态系统中的作用，并提出一种可复制的国家尺度方法，用于识别和描述森林生态系统。研究假设，森林冠层中的优势树种可以作为划分森林生态系统和解析生物多样性复杂性的可靠指标。通过结合国家森林调查数据与环境信息，利用层次聚类方法识别森林生态系统，进一步通过随机森林模型进行生态系统的划分和描述。研究还评估了次生林与原始林在生态系统中的分布情况，为国家层面的保护策略提供了科学依据。

### 森林生态系统的定义与重要性

热带森林在全球生物多样性保护中扮演着至关重要的角色，其丰富的物种资源和复杂的生态系统结构使其成为生物多样性热点区域。然而，由于人类活动的影响，这些森林生态系统正面临退化和砍伐的严重威胁。次生林，通常是由人类活动后的自然再生形成，特别是在农田被遗弃后发展而来。尽管次生林在热带地区占据了主要的森林覆盖，但它们往往被视为退化系统。虽然次生林的物种多样性可以迅速恢复，但其物种组成需要数百年才能逐渐趋近于原始林。因此，次生林不能完全替代原始林，这使得在保护政策中优先考虑原始林的必要性。然而，这种策略也可能导致次生林被边缘化，从而增加了其被转化为经济价值更高的土地用途的风险，削弱了次生林在长期保护中的作用。

在人类改造的热带景观中，次生林经常被早期的演替阶段清除，难以完全恢复生态功能和生物多样性。由于次生林在早期阶段的生物多样性价值未被充分认识，且其演替轨迹存在不确定性，这凸显了当前保护策略在整合次生林方面的不足。因此，研究次生林在保护热带森林生态系统中的作用，对于实现全球生物多样性保护目标具有重要意义。

### 研究方法与数据来源

研究以哥斯达黎加为案例，分析次生林对热带森林生态系统的影响。哥斯达黎加虽然仅占地球表面积的0.03%，却因其显著的地形和环境梯度，成为全球生物多样性热点之一。研究采用了国家森林调查数据，结合本地植物学专家的知识，利用层次聚类方法识别森林生态系统。通过计算优势树种的丰度差异，利用重要性变量指数（IVI）划分森林生态系统。IVI结合了相对密度、相对优势和相对频率三个参数，能够反映森林群落的组成和结构。研究设定IVI阈值为5%，以选择每个森林样地的优势树种，并通过敏感性分析验证该阈值的合理性。

研究还结合了多源数据，包括遥感数据和环境数据，以提高模型的可解释性和准确性。利用Sentinel-2卫星数据计算植被指数，如NDVI和NDWI，并通过多尺度数据融合，对森林生态系统进行建模。遥感数据在热带地区常受云层影响，但结合地面调查数据，能够有效克服这一局限。通过计算各生态系统的物种贡献值，研究揭示了不同生态系统之间的相互作用和物种特异性。

### 森林生态系统的划分与特征

研究通过层次聚类方法将森林样地划分为10个主要生态系统，其中7个生态系统通过模型进行了有效识别。模型的总体F1分数为0.73，宏F1分数为0.58，显示出较高的分类性能。尽管部分生态系统（如C5、C6和C7）的分类误差较高，但整体上，模型能够有效反映森林生态系统的主要特征。通过对每个生态系统的特征进行分析，研究确定了其对应的环境变量和物种组成。例如，C1代表湿润季节常绿森林，C2为加勒比坡地低地湿润常绿森林，C3为低地干燥至湿润的落叶至半落叶森林，C4为山地橡树雨林，C5为加勒比坡地湿润至云雾森林，C6为太平洋坡地湿润过渡森林，C7为太平洋坡地湿润至云雾森林。

### 次生林与原始林的分布分析

研究进一步分析了次生林和原始林在各生态系统中的分布情况。结果显示，次生林在某些生态系统中占据主导地位，如LWE-C（加勒比坡地低地湿润常绿森林）和LDM-DS（低地干燥至湿润的落叶至半落叶森林），而在其他生态系统中，如PMC-C（加勒比坡地湿润至云雾森林）和TWPE-P（太平洋坡地湿润过渡森林），原始林的比例较高。这种分布差异反映了不同生态系统对人类活动的响应程度，以及其在恢复和维持生态系统功能中的潜力。

### 生态系统的脆弱性评估

研究还评估了各生态系统的脆弱性，发现山地橡树雨林（MOR）是最具脆弱性的生态系统。其优势物种严格局限于高海拔地区，且在气候变化的影响下，可能面临生态位丧失的风险。相比之下，加勒比坡地湿润至云雾森林（PMC-C）因地理位置偏远而具有较高的稳定性，显示出较低的脆弱性。低地和中高海拔生态系统（如WSE、LWE-C、LDM-DS、TWPE-P和PMC-P）则受到较高的人为压力，这些地区的次生林往往处于演替早期阶段，其恢复潜力和长期生态稳定性受到威胁。

### 方法的创新与挑战

本研究的方法具有创新性，它结合了多源数据，包括遥感数据、环境数据和地面调查数据，以提高生态系统的划分精度。研究还强调了数据采集的重要性，指出目前在国家层面的数据获取仍然面临挑战。高复杂度的生物多样性以及物种间的相互作用使得全面识别和描述生态系统变得困难。因此，研究提出了一种整合遥感技术和地面数据的方法，以增强生态系统的可操作性和可复制性。

此外，研究还探讨了生态系统之间的相互作用，发现次生林在某些情况下能够作为生物走廊，连接原始林碎片，促进物种的基因流动和迁移。然而，次生林的物种组成仍与原始林存在差异，这表明次生林在维持特定植物群落方面的能力有限。因此，研究建议在保护策略中，不仅要重视原始林，还要关注次生林的生态价值，并探索其在生物多样性保护中的潜力。

### 未来展望与建议

尽管本研究取得了一定成果，但仍然存在一些局限性。首先，国家层面的地面数据仍然不足，影响了生态系统的划分精度。其次，模型在某些生态系统中的表现相对较弱，特别是那些在低海拔和中海拔地区分布的生态系统。未来的研究可以考虑增加地面调查数据的数量，提高对中高海拔森林的代表性，以增强模型的准确性。此外，结合公民科学数据和遥感技术，能够更全面地反映生态系统的多样性，为保护策略提供更可靠的依据。

研究还强调了全球生物多样性保护框架（如昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架）在生态系统监测和评估中的重要性。由于数据获取的不均衡性，许多国家在实施这些框架时面临困难。因此，国际社会应加强在数据获取、技术支持和资金投入方面的合作，以推动更有效的生物多样性保护和生态系统管理。

总之，本研究通过结合多源数据和方法，提出了一个可复制的国家层面的生态系统划分和描述框架，为次生林在热带森林生态系统中的作用提供了新的视角。未来的研究应进一步探索次生林与原始林之间的相互作用，并结合更多的生态功能和生物多样性指标，以更全面地评估其在保护中的潜力。