新研究揭示森林多样性纬度格局之谜
新研究揭示森林多样性纬度格局之谜
为何赤道附近森林树木种类繁多、令人目不暇接，而北方森林树种却相对单一、翻来覆去只有几种？这一困扰科学家长达两百余年的谜题，如今被中山大学生态学院教授储诚进团队等，通过一场覆盖全球32个森林大样地、涉及300多万棵树的大规模“数据侦探行动”找到了出人意料的答案——森林中存在一种“反垄断”机制，其核心竟隐藏在树木之间“三人成众”的复杂关系之中。
4月29日，相关研究成果在线发表于《自然》杂志。论文通讯作者储诚进向《中国科学报》表示，其团队首次在全球尺度上验证了森林群落中高阶互作的普遍性，发现高阶互作随纬度升高而减弱，揭示了其在塑造树木多样性纬度格局中的潜在关键作用，为从生物互作角度理解物种多样性纬度梯度格局开辟了新路径。
该研究不仅革新了人们对森林生态系统的认知，也为保护生物多样性提供了全新思路。据悉，该论文已被遴选为将于5月14日出版的《自然》杂志纸质版封面文章。
一个困扰两百年的老问题
从太空俯瞰地球，一个明显规律映入眼帘：从赤道向两极，大地的颜色由浓绿逐渐变淡。这不仅是植被覆盖度的变化，更是物种丰富度的剧烈衰减。在热带雨林中，一块足球场大小的土地上可能生长着数百种树木；而到了寒温带针叶林，几十公里范围内往往只见云杉、冷杉、落叶松等寥寥几个树种。
这一现象早在1807年就被德国博物学家亚历山大·冯·洪堡系统描述，后来被称为“物种多样性的纬度梯度格局”。两个多世纪以来，科学家提出了超过100种理论试图解释这一现象，有的归因于热带地区更稳定的气候，有的认为与历史冰期有关，有的强调太阳辐射和生产力差异，还有的从物种形成与灭绝速率角度探讨。
在众多解释中，“同种负密度依赖”机制逐渐脱颖而出。其核心逻辑并不复杂：同种树木之间不喜欢近距离聚集。如果某棵树周围都是“同类”，它们会激烈争夺阳光、水分和养分；同时，同种个体聚集还会使专门攻击该树种的病虫害更容易传播。最终结果是，当同种邻居过多时，树木生长变差甚至死亡风险升高。这种“自我克制”机制天然阻止了单一树种独霸森林，为其他物种留出生存空间，从而维护了群落多样性。
这一解释看似完美，然而，当科学家试图验证“同种负密度依赖是否随纬度升高而减弱”（以此解释低纬度地区多样性更高）时，却得出了相互矛盾的结论。问题究竟出在哪里？
储诚进团队的最新研究给出了一种可能的答案：过去的研究把复杂的森林“想简单了”。
从“二人世界”到“多人游戏”
过去的同种负密度依赖研究，主要聚焦于目标树木与周围每一棵邻居之间的成对相互作用，如同只研究两个人之间是相互帮助还是彼此伤害。但在真实森林里，树木之间的“社交网络”要复杂得多。
储诚进（中）、李远智（右二）在广东车八岭国家级自然保护区样地。受访者供图
“然而，这种研究范式有较大的局限性，它将复杂的生态系统降维到两两相互作用，对第三种甚至更多物种的影响考虑不足。”储诚进说，“高阶相互作用（HOIs）指两个物种之间的相互影响，会因第三种或更多物种的存在而改变。我们的研究将目标树木附近第三棵甚至更多树木的相互影响考虑了进来。”
设想一个场景：目标树A附近有一棵同种树B和一棵异种树C。传统成对分析只会分别考虑“A与B”和“A与C”的关系。但实际上，B和C的存在会相互影响。例如，B可能释放化学物质抑制C的生长，C可能吸引某种害虫间接影响B的健康，而B和C的“互动”又会改变它们各自对A的影响。生态学家将这种现象称为“高阶相互作用”。
“2018年，一位澳大利亚学者来中山大学作报告，分享了一年生草本植物的高阶互作现象，这极大地启发了我们：是否可以将研究拓展到森林群落？”论文第一作者、生态学院副教授李远智回忆研究缘起。
然而，将高阶互作推广到森林群落，首要难题是如何科学地量化。一年生草本植物生活史短，个体大小和空间距离变异小，量化高阶互作时可以忽略。但在森林群落中，树木大小和间距变异较大，需要考虑的因素复杂得多。
储诚进团队意识到，过去只关注成对互作，相当于只看到了森林社交图谱中的单线联系，却忽略了多条线条交织后产生的新效果，而那恰恰可能是解开多样性纬度谜题的关键。
转机出现在2021年。团队在《国家科学评论》发表方法论论文，首次提出同时考虑树木个体大小和空间距离的量化框架。他们建立了两套数学模型：一套仅包含成对互作，另一套在此基础上加入高阶互作项，然后将模型预测结果与真实森林样地数据比对，为后续全球研究奠定了基础。
一场跨越全球的“森林大普查”
“概念和方法都已齐备，为了让研究结论更扎实，我们开始设法获取全球森林样地的高质量重复观测数据。”李远智说。
研究团队历时8年，通过中国森林生物多样性监测网络（CForBio）和全球森林观测网络，获取了全球32个大型森林动态监测样地的数据。这些样地遍布十多个国家或地区，从热带的巴拿马、马来西亚到温带的美国、德国，再到亚寒带加拿大，基本上覆盖了地球上最主要的森林类型。
每个样地通常不小于20公顷（约28个标准足球场大小）。研究人员对样地内所有胸径≥1厘米的木本植物进行了精确定位、物种鉴定、胸径测量并挂牌编号。每五年左右复查一次，记录每棵树的生长、死亡和新萌发个体。
论文共同第一作者、中山大学生态学院特聘副研究员肖俊丽表示：“在数据分析方面，我们尝试过很多不同思路，发现不同方法得到的结果一致。最终发表时采用了相对简单、学界更容易理解的方法。”
最终，这项研究整合了覆盖全球32个森林大样地、超过300万棵树、分属5000多个树种的海量数据。“这是迄今为止对全球树木高阶互作效应所做的最大规模研究。”储诚进说。
“在这项历时多年、跨越全球的研究中，离不开每一位参与科研人员之间的信任与支持。”储诚进表示，该研究共有70位作者、50个科研团队参与。
重新认识我们身边的森林
研究中有两个中国森林样地格外引人注目，分别位于广东车八岭国家级自然保护区（20公顷）和广东封开黑石顶省级自然保护区（50公顷）。这两个样地由中山大学建设管理，是中国森林监测网络快速发展的缩影。
储诚进感慨道：“过去都是国外学者邀请我们参与研究，现在是中国科学家主导问题设计、方法创新和全球数据统筹。”目前，CForBio网络已包含全国31个样地，成为全球森林研究的重要力量。
这项研究也革新了科研范式。“过去我们将整体‘切块’分析，这个切割过程会遗失很多重要信息。”在储诚进看来，随着技术和理论工具的发展，科研范式正在转向系统思维。这项研究正是系统思维的一次成功实践，它看到了整片森林的复杂关系网。
这一发现对生态保护意义重大。传统保护策略常聚焦于旗舰物种，如大熊猫、东北虎等，但新研究表明，保护森林多样性需要维护整个“社交网络”。“通过识别促进稀有物种生长的关键互作，可以优化树木种植组合，使保护工作更加高效。” 储诚进说。
下次当你走进森林，不妨用全新的眼光去观察：那些看似随机的树木分布，实则是经过长时间的精妙设计；每片落叶、每声虫鸣，都是复杂生态网络的组成部分。
储诚进团队的研究告诉我们，森林并非树木的简单集合，而是一个充满智慧的生命共同体。理解这种智慧，不仅有助于更好地保护自然，也能为人类社会解决“垄断”与“公平”的难题提供启示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10434-6