亚马逊森林水力性状多样性增强干旱抵抗力的机制研究

本研究针对亚马逊雨林面临的气候变化威胁，通过动态植被模型aDGVM2模拟揭示了水力性状多样性对森林干旱抵抗力的关键作用。研究人员发现，叶片物候和根系性状的多样性可降低短期极端干旱（50%降水减少）造成的生物量损失达17-32%，并在长期气候变干情景（RCP8.5）中减少34%生物量损失。该成果为理解生物多样性-生态系统功能关系提供了量化证据，强调了保护功能性状多样性对气候适应的重要性。

　　

热带雨林作为地球最重要的碳汇和生物多样性宝库，其存续正面临气候变化带来的严峻挑战。亚马逊雨林尤其脆弱，过去几十年观测显示其碳汇能力持续减弱，而气候模型预测未来降水模式改变可能导致大规模森林衰退。然而，传统植被模型难以准确模拟森林对干旱的响应，更无法解释高多样性生态系统表现出的惊人韧性。这一矛盾促使Liam Langan团队思考：热带森林丰富的功能性状多样性是否正是其抵抗干旱的关键？

为解答这一问题，研究人员开发了具有改进水力过程模块的动态植被模型aDGVM²。该模型创新性地将植物水力性状（如木质部栓塞抗性P₅₀、根系深度）与物候策略（常绿/落叶、水分/光照触发）的动态协调纳入模拟框架，通过生态-进化机制使性状多样性自然涌现。研究采用多尺度验证策略，先通过重现巴西Tapajós（TNF）和Caxiuan?（CAX）森林的干旱实验数据确立模型可靠性，再扩展至大陆尺度的气候变化情景分析。

关键方法

研究主要采用动态植被建模技术：1）构建包含8个水力相关性状的个体基模型；2）通过"物种-性状池"方法控制功能多样性水平；3）模拟50%降水减少的极端干旱（4-7年）和RCP4.5/8.5气候情景；4）使用Rao二次熵量化功能多样性；5）通过主成分分析识别关键性状轴；6）采用贝叶斯线性回归评估多样性效应。

Catastrophic drought: site-scale analyses

模拟显示，高功能多样性使TNF和CAX站点在极端干旱中生物量损失分别减少17%和32%。主成分分析揭示两个关键性状轴：保守-生产策略轴（PC1）和水力性状轴（PC2）。后者呈现典型的干旱回避（高P₅₀+浅根）与耐受（低P₅₀+深根）策略的分化，且与四种叶片物候策略显著关联。移除根系生态位分化实验证实，空间水分利用互补性是抵抗力的重要机制。

Chronic drought and climate-change simulations

大陆尺度分析显示，水力性状轴（PC1）解释49-60%变异。RCP8.5情景下，水分触发落叶策略（Deciduous_Water）占比增加。当移除特定物候策略以降低多样性时，生物量损失加剧，且在降水减少50%时差异最大（34%）。值得注意的是，多样性介导的抗旱效应随干旱强度增加而增强，这种关系在CO₂施肥效应缺失时更为显著。

结论与意义

该研究首次量化了水力性状多样性对亚马逊森林抗旱能力的关键作用：通过时空生态位分化（根系深度变异调节空间水分获取，物候策略差异调控水分需求时间分布）实现生态系统水平的水分利用优化。这一发现为"生物多样性增强生态系统稳定性"理论提供了机制性解释，解决了传统植被模型低估森林抗旱能力的矛盾。发表在《Nature Communications》的成果强调，保护功能性状多样性应成为气候适应战略的核心——在RCP8.5路径下，高多样性森林可多保存1/3生物量碳汇。研究建议未来地球系统模型应整合此类生态机制，以更准确预测植被-气候反馈。