BEF-China 項(xiàng)目在江西德興市新崗山鎮(zhèn)建立的大型森林控制實(shí)驗(yàn)樣地     黃園園攝

■本報(bào)記者 胡珉琦

過(guò)去10年，來(lái)自中國(guó)、瑞士和德國(guó)的科學(xué)家在江西新崗山鎮(zhèn)的一個(gè)山頭種了30萬(wàn)棵樹，然后做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

他們發(fā)現(xiàn)，如果在一片林地上種有16種樹木，那么每公頃林地上生物量平均可以存儲(chǔ)約32噸碳；如果林地的樹種越來(lái)越少，到只剩下一種，那么，每公頃純林的碳存儲(chǔ)只有約12噸，不到前者的一半。

過(guò)去已有研究表明，物種多樣性越高，就越能存儲(chǔ)碳，同時(shí)提升系統(tǒng)生產(chǎn)力。而這項(xiàng)研究第一次明確地給出了證據(jù)，更高的生物多樣性就是直接導(dǎo)致更高碳儲(chǔ)量的原因。

就是這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的結(jié)果，近期發(fā)表于《科學(xué)》上，在生態(tài)學(xué)界受到了不小的關(guān)注。

生物多樣性喪失的危害正在發(fā)生

不久之前，世界自然基金會(huì)WWF發(fā)布了最新的《地球生命力報(bào)告2018》，報(bào)告顯示物種滅絕的速度越來(lái)越快。

物種滅絕不僅會(huì)危害人類的未來(lái)，也會(huì)影響人類的當(dāng)下。早在上個(gè)世紀(jì)80年代，科學(xué)家研究物種喪失速率時(shí)就發(fā)現(xiàn)，物種的減少可能影響生境的變化、生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

實(shí)際上，在兩個(gè)世紀(jì)以前，達(dá)爾文在《物種起源》里就介紹了一個(gè)19世紀(jì)初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，有人在一塊土地上播種一個(gè)草種，同時(shí)在另一塊相像的土地上播種若干不同屬的草種。最終，后一塊土地上能生長(zhǎng)出更多的植物，收獲更大重量的干草。

這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的結(jié)論，直到現(xiàn)在，也依然是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)非常重要又充滿了不確定性和爭(zhēng)議的課題，因?yàn)樽C明的過(guò)程比想象的要困難得多。

研究者需要經(jīng)過(guò)各種各樣反復(fù)的實(shí)驗(yàn)去論證，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系是真實(shí)的，其中的負(fù)面影響究竟會(huì)到達(dá)什么程度，這一關(guān)系還會(huì)受哪些因素的影響，關(guān)系背后的機(jī)制又是什么……

2008年起，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和德國(guó)科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合資助了“中國(guó)亞熱帶森林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)研究（Biodiversity-Ecosystem Functioning Experi-ment China，簡(jiǎn)稱BEF-China）”項(xiàng)目，其中在江西德興市新崗山鎮(zhèn)建立了一個(gè)40公頃（約600畝）的大型森林控制實(shí)驗(yàn)樣地。之所以選擇在那里，因?yàn)橹袊?guó)的條件得天獨(dú)厚，擁有世界上亞熱帶森林生物多樣性最熱點(diǎn)的區(qū)域。

BEF-China是全世界25個(gè)森林實(shí)驗(yàn)樣地之一，也是樹種最多、涉及多樣性水平最高、覆蓋地形最復(fù)雜的。

中方團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中科院植物研究所研究員馬克平介紹，以往美國(guó)和歐洲的實(shí)驗(yàn)更多集中在草地生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)力最高、組成復(fù)雜的森林生態(tài)系統(tǒng)的研究起步很晚，數(shù)量也很少。生態(tài)學(xué)家一度通過(guò)理論研究推測(cè)，森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的作用也許沒有草地強(qiáng)烈。

但BEF-China實(shí)驗(yàn)結(jié)果推翻了這種說(shuō)法。德國(guó)馬丁·路德大學(xué)教授Helge Bruelheide說(shuō)：“在中國(guó)的森林生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，生物多樣性增加，森林儲(chǔ)存的碳就更多，木材產(chǎn)量因此快速增加，這一關(guān)系與草地生態(tài)系統(tǒng)是一樣的。”

如何獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)中，一直有一個(gè)困擾研究者的難題——如何取得真實(shí)的能被認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？

中國(guó)社會(huì)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)與社會(huì)研究中心研究員肖顯靜就在新出版的《生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)在論：如何獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果》一書中闡釋過(guò)這個(gè)問題。生態(tài)學(xué)直接面對(duì)的是自然生態(tài)環(huán)境，研究的是自然界中存在的生態(tài)現(xiàn)象，因此，它與傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有本質(zhì)的不同。

他認(rèn)為，傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)象，迫使實(shí)驗(yàn)對(duì)象展現(xiàn)其在通常情況下不可能展現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象，進(jìn)而認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)象。因此，“實(shí)驗(yàn)室規(guī)律是科學(xué)規(guī)律，是實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過(guò)一定的實(shí)驗(yàn)操作所產(chǎn)生的人工自然規(guī)律，但不是自然規(guī)律”。

馬克平舉例道，在檢驗(yàn)物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系，揭示作用機(jī)制的“生態(tài)箱”實(shí)驗(yàn)、微宇宙實(shí)驗(yàn)都由于種種問題而遭到質(zhì)疑甚至是嚴(yán)厲的批評(píng)，即便是那些樣地控制實(shí)驗(yàn)，也面臨空間異質(zhì)性不足的問題。因此，它們得到的結(jié)論有時(shí)與自然觀測(cè)研究的結(jié)果不一致，很難達(dá)成真正的共識(shí)。

那么，假設(shè)完全依賴天然生態(tài)系統(tǒng)的觀察測(cè)量是否可行？答案也是否定的。自然狀態(tài)下，由于生態(tài)系統(tǒng)在不同維度上的復(fù)雜性，有太多共同變化的因素導(dǎo)致通過(guò)科學(xué)研究確定因果關(guān)系變得非常困難——究竟是物種多樣性影響著系統(tǒng)生產(chǎn)力還是夾雜著別的條件？

所以，一個(gè)理想的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，就是要在盡可能逼近自然界中自在的狀態(tài)，同時(shí)，又具有人為的和自我的控制，從而找到獨(dú)立的因果關(guān)系。它的難度可想而知。

BEF-China的優(yōu)勢(shì)在哪里

BEF-China實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特色之一首先是物種最多。平臺(tái)的物種庫(kù)由42種喬木（包括杉木和馬尾松兩個(gè)當(dāng)?shù)氐闹饕�造林樹種）和18種灌木構(gòu)成。這種豐富度不僅僅是簡(jiǎn)單的種間差異，還包括了其他維度，比如植物的功能多樣性、譜系差異，甚至是遺傳的多樣性。BEF-China也是全球森林實(shí)驗(yàn)樣地中唯一一個(gè)涉及物種遺傳多樣性設(shè)計(jì)的。其次，由于覆蓋面積廣，樣地生境的異質(zhì)性也很高。這些做法都是為了還原生態(tài)系統(tǒng)在自然狀態(tài)下的樣貌。

接下去的重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)控制。研究人員在兩大自然坡地上，分別建立了樣地A和樣地B，兩個(gè)樣地都以1畝為基本單元樣方進(jìn)行幼苗種植，共計(jì)566個(gè)，其中樣地A有271個(gè)，樣地B有295個(gè)。在1畝的基本樣方中，喬木物種水平分別是1、2、4、8、16和24種。此外，樣地設(shè)置了64個(gè)超級(jí)樣方，由4個(gè)1畝樣方組成，同時(shí)配置有灌木，物種水平分別為2、4、8種。也就是說(shuō)，物種水平最高的樣方會(huì)有16種喬木和8種灌木或者24種全部為喬木。

可見，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，物種多樣性的梯度很豐富。

此外，根據(jù)研究設(shè)計(jì)，物種數(shù)量相同的樣方重復(fù)也非常多。馬克平解釋，樣方重復(fù)越多，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義就越充分。而其中的小心思還在于，這些重復(fù)樣方雖然物種數(shù)量相同，但物種組合卻不同。

這么做除為了更接近真實(shí)的自然狀態(tài)，還有一個(gè)原因。過(guò)去生態(tài)學(xué)家曾有過(guò)爭(zhēng)論，他們猜測(cè)，在豐富度越高的系統(tǒng)中，高產(chǎn)物種出現(xiàn)的可能性也更高，因此，是否有可能是那些優(yōu)勢(shì)物種而非物種多樣性影響著系統(tǒng)生產(chǎn)力。那么，不同的物種組合越多，在物種多樣性不高的系統(tǒng)里，就可以一定程度上弱化因高產(chǎn)物種出現(xiàn)概率問題而產(chǎn)生的影響。

總之，一切實(shí)驗(yàn)控制設(shè)計(jì)中的巧思，最終都是為了突出物種豐富度的變化作為獨(dú)立的影響因素。

此后，經(jīng)過(guò)8年數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果顯示，每公頃16個(gè)物種的混交林地上，生物量平均存儲(chǔ)約32噸碳。而每公頃純林的碳存儲(chǔ)僅為約12噸，還不及混交林的一半。

馬克平表示，這項(xiàng)研究第一次給出了確切的證明：在生態(tài)系統(tǒng)中，更高的生物多樣性就是直接導(dǎo)致更高碳儲(chǔ)量的原因。而且不僅種類豐富度，功能多樣性、譜系差異以及遺傳的多樣性在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也都顯示出了一種相同的關(guān)系。

至于這層關(guān)系背后的機(jī)制，生態(tài)學(xué)界一直處于爭(zhēng)論狀態(tài)。中科院植物研究所副研究員劉曉娟表示，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，目前支持的是，無(wú)論隨著多樣性梯度的變化，還是時(shí)間尺度的變化，互補(bǔ)效應(yīng)都在逐漸增強(qiáng)。

簡(jiǎn)單說(shuō)就是，一個(gè)系統(tǒng)越復(fù)雜，差異越大，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，物種之間越容易相互補(bǔ)充，也能更有效地利用各種資源，從而維護(hù)該系統(tǒng)的存在和發(fā)展。

唯獨(dú)在空間尺度上，互補(bǔ)效應(yīng)的變化不大。但這恰恰意味著，不管多么不起眼的小生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性對(duì)生產(chǎn)力的影響都是一樣重要的。

從一粒種子到30萬(wàn)棵樹木

為了如此復(fù)雜的大型森林控制實(shí)驗(yàn)，來(lái)自中國(guó)、瑞士和德國(guó)的20多個(gè)大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在這10年中投注的精力是難以想象的。

想要一片森林，就得從每一粒種子的采集開始。馬克平團(tuán)隊(duì)花了兩年時(shí)間，才收集到了42種喬木的種子，在苗圃進(jìn)行育苗，2009年春天開始正式栽種。

600畝山地，500多個(gè)樣方，30萬(wàn)株樹苗要在兩年時(shí)間里完全按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)插入相應(yīng)位置，并做好標(biāo)記。為了保證樹苗成長(zhǎng)同步，必須限制栽種的時(shí)間跨度。劉曉娟回憶，工作強(qiáng)度最大的時(shí)候，他們每天需要雇傭100多位當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)共同參與栽種。

這樣還沒完。因?yàn)樵苑N的樹苗不可能百分之百存活，他們每年都需要調(diào)查，迅速進(jìn)行補(bǔ)種，直到2012年止。更讓研究人員痛苦的是，因?yàn)橛仔〉臉涿绯３８?jìng)爭(zhēng)不過(guò)野蠻的雜草，以致實(shí)驗(yàn)的前五年，他們要花很大精力在除草上，直到現(xiàn)在這項(xiàng)工作也不能停止。

從2012年起，正式開始數(shù)據(jù)采集的階段。劉曉娟說(shuō)，實(shí)驗(yàn)地每年固定會(huì)有二三十個(gè)中國(guó)的研究人員，以及三四十個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)的研究人員。通常從5月一直到11月，都有工作在進(jìn)行，但主要集中在夏季，因?yàn)橹参锷�長(zhǎng)季末期也是研究取樣的高峰期。

除了這些科研工作，中外科學(xué)團(tuán)隊(duì)還發(fā)起了科普傳播和文化教育的活動(dòng)。他們定期為實(shí)驗(yàn)基地周圍的學(xué)校教授語(yǔ)言課和科學(xué)課，向當(dāng)?shù)卣�府普及生態(tài)知識(shí)，介紹保護(hù)策略，也接受他們的咨詢。此外，瑞士的科研人員展開了社區(qū)研究工作，希望了解生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)本身對(duì)社區(qū)居民的環(huán)境意識(shí)、保護(hù)政策的認(rèn)知會(huì)產(chǎn)生什么影響。

這項(xiàng)研究本身對(duì)促進(jìn)公眾理解科學(xué)所產(chǎn)生的作用，是他們此前并沒有預(yù)料到的。

研究只告訴你，這條路走得通

BEF-China的初步研究成果讓生態(tài)學(xué)家更為確信，生物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要影響。但在現(xiàn)實(shí)林業(yè)領(lǐng)域，誤解仍然很普遍。

目前，全世界很多地區(qū)都在開展大型的植樹造林項(xiàng)目，希望種植更多的樹木以緩解氣候變化。在2010年至2015年間，僅在中國(guó)每年新種植的森林就超過(guò)150萬(wàn)公頃。然而，這些新造林大部分為快速生長(zhǎng)的純林。

BEF-China的主要設(shè)計(jì)者之一、瑞士蘇黎世大學(xué)教授Bernhard Schmid說(shuō)，提高生產(chǎn)力和促進(jìn)生物多樣性常常被認(rèn)為是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

“事實(shí)卻完全相反。我們的研究表明，不同的森林在保護(hù)環(huán)境緩減氣候變化中所起的作用并不相同。純種林只能達(dá)到理想預(yù)期一半的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。最大限度地提高碳存儲(chǔ)及緩減全球變暖只能通過(guò)種植混種林來(lái)實(shí)現(xiàn)。”

此外，他還表示，混種林也能貢獻(xiàn)于保護(hù)世界瀕危物種。

最近，有不少林業(yè)系統(tǒng)人員主動(dòng)聯(lián)系馬克平，以期在相關(guān)領(lǐng)域展開合作。這是馬克平希望這項(xiàng)研究能帶來(lái)的努力和改變。

但他也有了新的困擾。“科學(xué)只負(fù)責(zé)給你講道理，技術(shù)要負(fù)責(zé)怎么做更有效。兩個(gè)層面的問題一旦混淆，就錯(cuò)了。”

馬克平的意思是，造林實(shí)踐絕不是復(fù)制實(shí)驗(yàn)。具體到混交林如何選種、怎樣種植，制定什么樣的政策，并不是BEF-China這一基礎(chǔ)科研平臺(tái)能夠回答的。“它只告訴你，這條路走得通。”

因此，考慮到各個(gè)地區(qū)的環(huán)境異質(zhì)性、不同的應(yīng)用需求，以及與林木產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)發(fā)展的銜接等因素，他希望，能有更多林業(yè)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)積極參與實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化的工作，它們將完成重要的中間過(guò)程，從而推動(dòng)更有效的混交林種植策略。