树种空间异质性驱动森林生态系统功能优化

为提升造林工程的固碳潜力和养分循环效率，德国综合生物多样性研究中心（iDiv）等机构通过BEF-China大型野外实验，结合树种互作模型和凋落物动态模拟，首次系统量化了树种空间布局对森林生态系统功能的影响。研究发现：在8物种混合林中，随机分布较块状种植使生物量增加1.100 g/m2，凋落物分解率提升29%（碳损失率36.5%→47.1%），且物种丰富度与空间异质性存在显著交互效应（p<0.001）。该成果为"自然解决方案"提供了空间配置优化路径，发表于《Nature Communications》。

　　

森林作为地球重要的碳汇，其固碳能力直接影响全球气候变化应对策略。然而，当前造林工程多聚焦树种多样性，却忽视了关键科学问题：树种在空间上如何排列才能最大化生态功能？传统块状种植虽便于管理，但可能限制树种间正向互作，导致凋落物分布不均、分解效率低下，最终削弱森林的碳封存和养分循环潜力。

为破解这一难题，德国综合生物多样性研究中心（iDiv）、莱比锡大学及法国CNRS等机构的研究团队，依托亚热带大型生物多样性-生态系统功能实验平台（BEF-China），创新性地将野外实测与模型模拟相结合。通过构建梯度空间设计（块状→随机分布），量化了树种空间配置对生物量、凋落物动态及碳氮循环的影响，成果发表于《Nature Communications》。

关键技术方法

1. 多尺度森林模拟：基于BEF-China实验的180个树种对样本，构建16×16树木网格（225 m²），模拟2/4/8物种组合的8类空间布局（块状、微块、双行、单行、随机梯度）。
2. 生物量预测模型：采用Yu等开发的树种互作模型（公式：B_t+1,i-B_t,i=β_s(i)B_t,i^θ+Σα_s(i),s(j)B_t,j^b），模拟10年生长期。
3. 凋落物-分解耦合模型：通过距离依赖的凋落物分布模型（L_i=b_1iΣB_ij+b_2iΣd_ij^-1+b_3iΣB_ijd_ij^-1）和多样性-互作分解模型（D=Σβ_iP_i+Σ(α_i+α_j)P_iP_j+b₄L+b₅S），预测0.1×0.1 m像素级分解率。

研究结果

树种空间异质性效应

在8物种混合林中，空间异质性使生物量显著增加（图2A），随机布局较块状设计提升1.100 g/m²。尽管凋落物总量不变（54.3±1.0 g/m²），但其空间变异性降低48%（31.6→16.6 g/m²），且像素尺度凋落物物种丰富度从1.73增至5.75种（图2B）。

空间异质性提升分解率

碳损失率随异质性增加显著升高（块状36.5%→随机47.1%），空间变异性降低31%（7.2%→5.0%）（图2B）。线性种植作为管理折中方案，使分解率较块状提升10%（40.4% vs 36.5%），达随机效应的85%（图2C）。氮循环呈现相同规律。

物种丰富度与空间异质性互作

物种数增加（2→8种）强化了空间异质性对功能的提升作用（图3）。在随机布局下，8物种混合林的碳损失率较2物种高28%（47.1% vs 36.7%），而块状设计中该效应消失（36.5% vs 35.1%, p>0.05）。这表明BEF关系强度取决于空间配置（p_interaction<0.001）。

结论与意义

本研究首次揭示树种空间布局是调控BEF关系的隐形杠杆：

1. 功能提升机制：随机分布促进异种互作，使凋落物多样性增加232%，通过养分转移和分解者互补性（如微生物效率-基质稳定框架）加速碳氮循环。
2. 管理启示：线性种植在保持可行性的前提下，使分解率达随机效应的85%，为造林工程提供优化路径。
3. 科学价值：解决了BEF关系中"空间盲区"争议，阐明实验设计差异（如随机vs块状）可导致28%的功能评估偏差。

该成果为《巴黎协定》造林目标提供了科学支撑：在亚热带地区，优化20公顷林分空间布局，理论上可额外封存220吨碳（按生物量增幅折算）。未来需结合长期土壤碳监测，推动"空间异质性"成为下一代森林管理核心指标。