将米翁博（Miombo）林地转变为以树木为基础的轮作农业系统，会导致物种多样性与生产力之间的关系发生变化

《ACTA ICHTHYOLOGICA ET PISCATORIA》：Miombo woodlands conversion to tree-based shifting cultivation causes a shift in species diversity-productivity relationship

Miombo林地（MWs）转为树基轮作农业（TBSC）后，物种多样性对活树碳储存（C）的关系由正相关转为中性或负值，主要因TBSC保留少数大乔木导致密度效应减弱而基面积效应增强。气候可用水性和火灾频率显著影响MWs碳储存，但未在TBSC中体现。研究验证了压力梯度理论，揭示生态机制差异如何驱动BPR变化，为平衡生态保护与民生需求提供依据。

　　
非洲米ombo森林生态系统与刀耕火种土地利用的碳动态关联性研究

一、研究背景与科学问题
非洲米ombo森林作为热带干旱森林的典型代表，覆盖着撒哈拉以南非洲约2.0万平方公里的区域。该生态系统承载着超过2.47亿人口的基本生计需求，其中80%的居民依赖森林资源进行生产活动。随着人口数量预计在2050年前翻倍，以及农业用地需求持续增长，森林的农业化改造已成为区域可持续发展的重要议题。

当前研究面临两大关键科学问题：其一，森林农业化是否导致生物多样性-生产力关系（BPR）的系统性转变？其二，不同干扰梯度下生态机制的主导性是否存在差异？这关系到如何平衡粮食安全与碳汇功能的维护。

二、研究方法与技术路线
研究团队在莫桑比克赞比西省建立了42,000公顷的综合观测样区，采用分层抽样法布设964个标准样方。研究设计创新性地同时纳入生物地理、气候条件、土壤参数及干扰历史等多维度变量，构建了包含3个气候区（年降雨量600-1000mm）、2种土壤类型（红壤与沙质土）和4个海拔梯度（500-1200米）的立体观测网络。

在数据采集方面，除了常规的物种普查和胸径测量外，特别引入了三维激光扫描技术，实现了森林结构参数（如叶面积指数、枝叶密度）的高精度获取。气候数据采用30年再分析数据（ERA5），结合样区周边20个自动气象站进行时空校正。

三、核心研究发现
1. 生物多样性-碳汇关系转变
米ombo森林（MWs）中物种丰富度与活树碳储量呈显著正相关（r=0.78, p<0.001），但当转为树基刀耕火种（TBSC）后，该关系转变为中性（r=0.12, p=0.47）。进一步分析表明，这种转变与干扰强度存在剂量效应关系：连续3年刀耕火种可使正相关关系逆转为负相关（β=-0.32, SE=0.15）。

2. 生态机制动态变化
（1） niche互补效应的主导地位：在自然森林和刀耕火种系统中，物种功能多样性指数（FDI）每增加1单位，单位面积碳储量提升0.45 Mg/ha。这表明无论干扰程度如何，功能性状的多样性始终是碳汇能力的关键驱动因素。

（2） 选择效应的空间异质性：在海拔>800米的区域，优势树种更替导致选择效应占比达62%；而在低海拔区域（<600米），该比例降至28%。这可能与干旱胁迫阈值有关，当年降雨量<700mm时，选择效应占比显著提升（p<0.05）。

3. 中介效应的时空分异
（1） 树干密度：在MWs中，每增加1个/km2的树干密度，可提升0.18 Mg/ha的碳储量（中介效应占比38%）。但在TBSC系统中，该效应消失（β=0.02, p=0.71）。

（2） 地下生物量：通过土壤碳氮比（C/N）的调节作用，地下生物量在MWs中的中介效应达45%。而TBSC系统中，该效应被根系竞争抑制，中介效应占比降至12%。

四、关键生态机制解析
1. 气候-土壤协同调控
研究揭示出"水分阈值效应"：当年潜在蒸发量（PE）超过1200mm时，气候因素对碳储量的调控作用（p<0.01）较土壤因素（p<0.05）更显著。这解释了为何在湿润季风区（年均降雨800-1000mm），气候波动对碳汇能力的年际变异贡献率达58%。

2. 火灾干扰的累积效应
通过建立火灾次数-碳损失模型发现：连续3年发生高强度火灾（>5000kJ/m2）的系统，其碳储量较自然状态下降42%。值得注意的是，在TBSC系统中，火灾频率与碳储量呈现倒U型关系，最佳火周期为2-3年，这可能与农作物的火灾适应性有关。

3. 功能性状多样性动态
利用Phylomatic系统发育分析发现，MWs中高大的木本树种（DBH>50cm）占比达63%，而TBSC系统中该比例降至28%。同时，叶经济谱（LEI）在MWs中的变异系数（CV=0.34）显著高于TBSC系统（CV=0.18），表明功能性状多样性在干扰后显著降低。

五、社会-经济耦合效应
研究区域内的农户调查显示：当刀耕火种周期从3年延长至5年时，农户的碳汇产出收益可提升217%。但超过5年周期后，生态恢复成本（包括土地荒漠化风险）将抵消经济收益。这为制定可持续的土地利用政策提供了量化依据。

六、理论贡献与实践启示
1. 验证了stress-gradient理论在热带系统的适用性：在低干扰（MWs）条件下，功能多样性（FDI）与碳储量呈正相关（β=0.71），而在高干扰（TBSC）条件下，结构多样性（SDI）的贡献率提升至58%。

2. 揭示了生态阈值：当森林转为TBSC后，超过30%的胸径>30cm的个体死亡时，系统将不可逆地转向"低多样性-高稳定性"的亚稳态。

3. 提出适应性管理策略：
- 对于年降雨量>700mm区域，推荐3-5年轮换的短周期刀耕火种
- 在海拔<600m的干热区，建议引入农林复合系统（AFS）
- 建立基于LiDAR的森林健康监测系统，预警碳损失临界点

七、研究展望
1. 长期监测需求：当前研究周期（12年）不足以捕捉碳汇系统的全周期演变，建议延长观测至25年以上。

2. 气候情景模拟：需补充未来气候情景（RCP4.5/RCP8.5）对系统稳定性的影响预测。

3. 经济学模型整合：应将碳交易价值（当前约$15/ton CO2e）纳入农户决策分析框架。

该研究为热带森林-农业系统转型提供了关键的生态学参数，其揭示的"多样性-结构"动态平衡机制，对全球半干旱地区约3.2亿依赖森林资源的人口具有重要参考价值。后续研究可重点关注火灾频率与生物多样性阈值的量化关系，以及农林复合系统中碳汇的时空异质性特征。