BEF-China 項目在江西德興市新崗山鎮(zhèn)建立的大型森林控制實驗樣地     黃園園攝

■本報記者 胡珉琦

過去10年，來自中國、瑞士和德國的科學(xué)家在江西新崗山鎮(zhèn)的一個山頭種了30萬棵樹，然后做了一個實驗。

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約32噸碳；如果林地的樹種越來越少，到只剩下一種，那么，每公頃純林的碳存儲只有約12噸，不到前者的一半。

過去已有研究表明，物種多樣性越高，就越能存儲碳，同時提升系統(tǒng)生產(chǎn)力。而這項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)致更高碳儲量的原因。

就是這樣一個看似簡單的結(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WWF發(fā)布了最新的《地球生命力報告2018》，報告顯示物種滅絕的速度越來越快。

物種滅絕不僅會危害人類的未來，也會影響人類的當(dāng)下。早在上個世紀(jì)80年代，科學(xué)家研究物種喪失速率時就發(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。

實際上，在兩個世紀(jì)以前，達(dá)爾文在《物種起源》里就介紹了一個19世紀(jì)初進(jìn)行的實驗，有人在一塊土地上播種一個草種，同時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出更多的植物，收獲更大重量的干草。

這樣一個看似簡單的結(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議的課題，因為證明的過程比想象的要困難得多。

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

2008年起，中國國家自然科學(xué)基金委員會和德國科學(xué)基金會聯(lián)合資助了“中國亞熱帶森林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能實驗研究（Biodiversity-Ecosystem Functioning Experi-ment China，簡稱BEF-China）”項目，其中在江西德興市新崗山鎮(zhèn)建立了一個40公頃（約600畝）的大型森林控制實驗樣地。之所以選擇在那里，因為中國的條件得天獨(dú)厚，擁有世界上亞熱帶森林生物多樣性最熱點的區(qū)域。

BEF-China是全世界25個森林實驗樣地之一，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，以往美國和歐洲的實驗更多集中在草地生態(tài)系統(tǒng)中，對陸地生態(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)家一度通過理論研究推測，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實驗結(jié)果推翻了這種說法。德國馬丁·路德大學(xué)教授Helge Bruelheide說：“在中國的森林生態(tài)系統(tǒng)實驗中，生物多樣性增加，森林儲存的碳就更多，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。”

如何獲得真實的實驗結(jié)果

在生態(tài)學(xué)實驗中，一直有一個困擾研究者的難題——如何取得真實的能被認(rèn)可的實驗結(jié)果？

中國社會科學(xué)院科學(xué)技術(shù)與社會研究中心研究員肖顯靜就在新出版的《生態(tài)學(xué)實驗實在論：如何獲得真實的實驗結(jié)果》一書中闡釋過這個問題。生態(tài)學(xué)直接面對的是自然生態(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)實驗有本質(zhì)的不同。

他認(rèn)為，傳統(tǒng)科學(xué)實驗是運(yùn)用各種實驗儀器，進(jìn)行實驗室實驗，干涉實驗對象，迫使實驗對象展現(xiàn)其在通常情況下不可能展現(xiàn)出來的現(xiàn)象，進(jìn)而認(rèn)識這一現(xiàn)象。因此，“實驗室規(guī)律是科學(xué)規(guī)律，是實驗者在實驗室中經(jīng)過一定的實驗操作所產(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”實驗、微宇宙實驗都由于種種問題而遭到質(zhì)疑甚至是嚴(yán)厲的批評，即便是那些樣地控制實驗，也面臨空間異質(zhì)性不足的問題。因此，它們得到的結(jié)論有時與自然觀測研究的結(jié)果不一致，很難達(dá)成真正的共識。

那么，假設(shè)完全依賴天然生態(tài)系統(tǒng)的觀察測量是否可行？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，一個理想的生態(tài)系統(tǒng)實驗，就是要在盡可能逼近自然界中自在的狀態(tài)，同時，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)勢在哪里

BEF-China實驗設(shè)計的特色之一首先是物種最多。平臺的物種庫由42種喬木（包括杉木和馬尾松兩個當(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也是全球森林實驗樣地中唯一一個涉及物種遺傳多樣性設(shè)計的。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。

接下去的重點是實驗控制。研究人員在兩大自然坡地上，分別建立了樣地A和樣地B，兩個樣地都以1畝為基本單元樣方進(jìn)行幼苗種植，共計566個，其中樣地A有271個，樣地B有295個。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個超級樣方，由4個1畝樣方組成，同時配置有灌木，物種水平分別為2、4、8種。也就是說，物種水平最高的樣方會有16種喬木和8種灌木或者24種全部為喬木。

可見，在這個實驗中，物種多樣性的梯度很豐富。

此外，根據(jù)研究設(shè)計，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的自然狀態(tài)，還有一個原因。過去生態(tài)學(xué)家曾有過爭論，他們猜測，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，一切實驗控制設(shè)計中的巧思，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8年數(shù)據(jù)監(jiān)測得到的結(jié)果顯示，每公頃16個物種的混交林地上，生物量平均存儲約32噸碳。而每公頃純林的碳存儲僅為約12噸，還不及混交林的一半。

馬克平表示，這項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實驗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)界一直處于爭論狀態(tài)。中科院植物研究所副研究員劉曉娟表示，在這個實驗中，目前支持的是，無論隨著多樣性梯度的變化，還是時間尺度的變化，互補(bǔ)效應(yīng)都在逐漸增強(qiáng)。

簡單說就是，一個系統(tǒng)越復(fù)雜，差異越大，經(jīng)歷的時間越長，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)，生物多樣性對生產(chǎn)力的影響都是一樣重要的。

從一粒種子到30萬棵樹木

為了如此復(fù)雜的大型森林控制實驗，來自中國、瑞士和德國的20多個大學(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)隊花了兩年時間，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多個樣方，30萬株樹苗要在兩年時間里完全按照實驗設(shè)計插入相應(yīng)位置，并做好標(biāo)記。為了保證樹苗成長同步，必須限制栽種的時間跨度。劉曉娟回憶，工作強(qiáng)度最大的時候，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。因為栽種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，因為幼小的樹苗常常競爭不過野蠻的雜草，以致實驗的前五年，他們要花很大精力在除草上，直到現(xiàn)在這項工作也不能停止。

從2012年起，正式開始數(shù)據(jù)采集的階段。劉曉娟說，實驗地每年固定會有二三十個中國的研究人員，以及三四十個國際團(tuán)隊的研究人員。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，因為植物生長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)隊還發(fā)起了科普傳播和文化教育的活動。他們定期為實驗基地周圍的學(xué)校教授語言課和科學(xué)課，向當(dāng)?shù)卣�府普及生態(tài)知識，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)實驗本身對社區(qū)居民的環(huán)境意識、保護(hù)政策的認(rèn)知會產(chǎn)生什么影響。

這項研究本身對促進(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，生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能的重要影響。但在現(xiàn)實林業(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，僅在中國每年新種植的森林就超過150萬公頃。然而，這些新造林大部分為快速生長的純林。

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

“事實卻完全相反。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及緩減全球變暖只能通過種植混種林來實現(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研究能帶來的努力和改變。

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。兩個層面的問題一旦混淆，就錯了。”

馬克平的意思是，造林實踐絕不是復(fù)制實驗。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)科研平臺能夠回答的。“它只告訴你，這條路走得通。”

因此，考慮到各個地區(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)積極參與實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化的工作，它們將完成重要的中間過程，從而推動更有效的混交林種植策略。