“紅豆生南國(guó)，春來(lái)發(fā)幾枝?！痹诳茖W(xué)家眼中，詩(shī)里的“紅豆”——無(wú)論是相思子還是海紅豆，都屬豆科。而“南國(guó)”恰是豆科植物的樂(lè)園，它們?cè)诖伺畈L(zhǎng)，形態(tài)萬(wàn)千，成為熱帶雨林中最繁盛的家族之一。那么，它們的存在又怎樣悄然塑造了整片森林的生命圖景？

4月8日，《自然》在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)林科院）聯(lián)合中山大學(xué)等單位的成果，首次在全球尺度上系統(tǒng)揭示了森林中物種間鄰體相互作用對(duì)維持生物多樣性的重要性。

鮮為人知的是，這項(xiàng)突破始于18年前海南尖峰嶺熱帶雨林中艱苦卓絕的大樣地“測(cè)量”。20多位團(tuán)隊(duì)成員用腳步丈量了60公頃原始森林，為近50萬(wàn)棵樹(shù)木辦理了“身份證”，從海量數(shù)據(jù)中捕捉到自然界一個(gè)隱秘而重大的規(guī)律。

密林深處的大樣地“測(cè)量”

2005年，剛從華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)的許涵來(lái)到中國(guó)林科院熱帶林業(yè)研究所工作。他的“主戰(zhàn)場(chǎng)”是海南島尖峰嶺的原始熱帶雨林。這里是地球上生物多樣性最豐富的熱點(diǎn)區(qū)域之一。

“我與熱帶雨林結(jié)緣已經(jīng)是20多年前的事了。”許涵回憶道。當(dāng)時(shí)，中國(guó)生態(tài)學(xué)界正醞釀著一個(gè)宏大的計(jì)劃——建設(shè)大型森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地，以理解森林生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制。在國(guó)際上，此類(lèi)樣地網(wǎng)絡(luò)已由美國(guó)史密森熱帶研究所等機(jī)構(gòu)倡導(dǎo)建立。在中國(guó)林科院科學(xué)家張守攻和劉世榮的推動(dòng)下，2008年一個(gè)雄心勃勃的決定在尖峰嶺落地：建設(shè)世界頂級(jí)的森林監(jiān)測(cè)樣地。

“最初的設(shè)想是建25公頃，后來(lái)討論建50公頃?！痹S涵說(shuō)。最終，受華裔生態(tài)學(xué)家、加拿大阿爾伯塔大學(xué)教授何芳良“要建就建世界最大樣地”的鼓舞，時(shí)任尖峰嶺國(guó)家級(jí)森林生態(tài)站站長(zhǎng)李意德研究員將最終目標(biāo)定為60公頃，也就是900畝林地。這意味著要在1000米長(zhǎng)、600米寬的山地原始森林中，對(duì)每一株胸徑大于1厘米的樹(shù)木進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量、標(biāo)記和定位。

這是一項(xiàng)常人難以想象的艱苦工程。

2009年，大樣地建設(shè)正式開(kāi)始。許涵帶領(lǐng)由研究人員、學(xué)生、保護(hù)區(qū)工作人員和當(dāng)?shù)亓謽I(yè)工人組成的隊(duì)伍，奔赴深山。為了節(jié)省每天上下山近兩小時(shí)的路程，團(tuán)隊(duì)成員在保護(hù)區(qū)原始森林深處當(dāng)時(shí)唯一的建筑物—— 一座簡(jiǎn)易涼亭旁邊搭起帳篷露宿。濕熱的海南是山螞蟥的樂(lè)園?！霸诹肿永锉晃涹ㄒЯ硕疾恢?，經(jīng)常是回去以后才發(fā)現(xiàn)流了好多血?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅猩酱髮W(xué)副教授方素琴回憶道。

樣地被劃成20米×20米的網(wǎng)格，總共有1500個(gè)。隊(duì)員們每天清晨7點(diǎn)多出發(fā)，手持胸徑尺、測(cè)桿、記錄板，一棵樹(shù)一棵樹(shù)地測(cè)量胸徑、樹(shù)高、相對(duì)坐標(biāo)，鑒定物種，并將帶獨(dú)一無(wú)二編號(hào)的特制鋁牌掛在樹(shù)干上——這就是樹(shù)的“身份證”。

“我們當(dāng)時(shí)主要用打印紙進(jìn)行記錄。一張紙上要記錄20棵樹(shù)的信息，50萬(wàn)棵樹(shù)就要用2.5萬(wàn)張打印紙，原始數(shù)據(jù)就有這么厚。”許涵比劃著描述道。

雨季的熱帶雨林每天都有不定時(shí)的降水，林間路滑，小的劃傷、摔跤對(duì)團(tuán)隊(duì)成員們來(lái)說(shuō)是家常便飯，同時(shí)還要警惕蛇和野豬?！傲繕?shù)，一兩天還好，天天量、量?jī)扇?，其?shí)很枯燥?！痹S涵說(shuō)。

晚上回到駐地帳篷，除了整理、核對(duì)海量數(shù)據(jù)，他們還要處理白天采集的植物標(biāo)本。森林里手機(jī)沒(méi)有信號(hào)，耳邊是蟲(chóng)鳴與其他動(dòng)物的叫聲，大家交流著白天的發(fā)現(xiàn)。“很樸素。”許涵如此評(píng)價(jià)那段時(shí)光。

2012年，這片全球面積最大、監(jiān)測(cè)樹(shù)木數(shù)量最多的熱帶森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地終于建成。它包含了290種胸徑大于1厘米的高等植物，每棵樹(shù)都有了屬于自己的“空間坐標(biāo)”。

因常年在潮濕環(huán)境中工作，一些團(tuán)隊(duì)成員的腰經(jīng)常疼痛。然而，在許涵和團(tuán)隊(duì)成員看來(lái)，這一切艱辛都是值得的。對(duì)于參與的研究生而言，這可能是他們科研生涯中獨(dú)一無(wú)二的野外經(jīng)歷。

“搞林業(yè)研究的必須有這種野外經(jīng)歷，通過(guò)親身體驗(yàn)，感受大自然?！痹S涵強(qiáng)調(diào)。

從一張張分布圖到一個(gè)世界性課題

樣地建成了，海量數(shù)據(jù)收集完畢，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始像破譯密碼一樣，審視這片森林。他們?yōu)闃拥貎?nèi)所有樹(shù)種繪制了空間分布圖。

當(dāng)290多張物種分布圖一一呈現(xiàn)時(shí)，一個(gè)奇特的現(xiàn)象抓住了許涵的眼睛：豆科樹(shù)木的分布呈現(xiàn)出明顯的空間分化。樣地內(nèi)的7種豆科樹(shù)木，有4種生長(zhǎng)在土壤氮含量較低的地方，而另外3種集中在土壤氮含量較高的區(qū)域。在空間分布圖上，它們“井水不犯河水”，幾乎不重疊。

豆科植物因其根部的根瘤菌能固定大氣中的氮素而聞名，可以“憑空”獲取氮素資源。“為什么它們的區(qū)域是完全不重疊的？”許涵心中埋下了這個(gè)疑問(wèn)。

許涵與從事物種共存和地下生態(tài)學(xué)研究的方素琴合作多年。“我們經(jīng)常討論一些有意思的觀(guān)點(diǎn)?！狈剿厍僬f(shuō)，傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為大部分豆科植物是“利他主義者”，能為貧瘠土壤補(bǔ)充氮肥，惠及鄰里。但眼前的現(xiàn)象暗示，故事可能更復(fù)雜。他們想一探究竟。

大約在2015年，這個(gè)基于直觀(guān)觀(guān)察的疑問(wèn)轉(zhuǎn)化為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)分析。許涵團(tuán)隊(duì)決定深入探究豆科樹(shù)木與鄰居之間的關(guān)系。這需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)分析方法，以量化樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)和互助關(guān)系。

他們從豆科出發(fā)，將研究視野逐步擴(kuò)大。2020年，他們聯(lián)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者，基于全球11個(gè)大型森林樣地的數(shù)據(jù)，發(fā)表了第一篇揭示豆科樹(shù)木與鄰體復(fù)雜關(guān)系的論文，即豆科樹(shù)木與鄰體之間既有促進(jìn)關(guān)系，也有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。隨之，一個(gè)更大的科學(xué)問(wèn)題浮現(xiàn)出來(lái)：如果豆科樹(shù)木對(duì)鄰體的影響如此重要，那么在全球尺度上，所有樹(shù)種之間的這種相互作用是否會(huì)沿著緯度變化，從而解釋那個(gè)生態(tài)學(xué)核心謎題——為什么熱帶地區(qū)物種多樣性那么高。

“其實(shí)我們2020年就做出了論文里最主要的趨勢(shì)圖?！痹S涵回憶。當(dāng)他們第一次做出“具有鄰體促進(jìn)作用的物種的數(shù)量比例隨緯度升高而降低”的曲線(xiàn)時(shí)，感覺(jué)這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，但并沒(méi)有因此“特別興奮”。科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)讓他們保持冷靜。要證明這是一個(gè)全球性的普遍規(guī)律，11個(gè)樣地的證據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

于是，研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)際森林監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與全球同行聯(lián)系，收集更多樣地?cái)?shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力。“因?yàn)槎荚诓煌瑖?guó)家，有時(shí)差。申請(qǐng)大樣地?cái)?shù)據(jù)需要一一溝通。”許涵說(shuō)。

秉持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，論文合作者們先后開(kāi)發(fā)并使用了4種不同的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)檢驗(yàn)核心結(jié)論。“幾種方法的結(jié)果完全一致。”許涵解釋?zhuān)M管論文最終只呈現(xiàn)了一種方法，但背后是數(shù)月的額外計(jì)算與分析，只為確保結(jié)論萬(wàn)無(wú)一失。樣地?cái)?shù)量從11個(gè)增加到14個(gè)，數(shù)據(jù)覆蓋了全球五大洲。

審稿過(guò)程同樣漫長(zhǎng)而充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。2024年1月投稿，3月收到意見(jiàn)，編輯給了“申訴”修改的機(jī)會(huì)。他們用了近15個(gè)月的時(shí)間修改補(bǔ)充，得到更多全球單位和研究人員的支持。最終，全球29個(gè)單位34名學(xué)者參與了這項(xiàng)研究，將樣地?cái)U(kuò)大到17個(gè)，囊括5567種、2621809棵樹(shù)，用多種分析方法反復(fù)驗(yàn)證，直至2025年6月才返回第一輪修改稿。

破解“熱帶物種更豐富”之謎

生態(tài)學(xué)家一直非常關(guān)注熱帶森林極其豐富的物種如何穩(wěn)定共存，從而形成高物種多樣性的群落。

于是，解釋物種多樣性緯度梯度變化規(guī)律的假說(shuō)陸續(xù)提出?！暗@些假說(shuō)由于缺乏一致的理論解釋仍存在爭(zhēng)議?！痹S涵說(shuō)，根據(jù)大樣地豆科樹(shù)木的鄰體間相互作用的研究結(jié)果，他們認(rèn)為，通過(guò)鄰體間相互作用來(lái)研究物種多樣性的緯度梯度格局，可以為解決“熱帶地區(qū)物種多樣性特別高”的百年生態(tài)學(xué)問(wèn)題，提供一個(gè)全新的、基于物種間相互作用的答案。

最終他們發(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，具有鄰體促進(jìn)作用的物種數(shù)量比例隨緯度升高而相對(duì)減少，具有鄰體競(jìng)爭(zhēng)作用的物種數(shù)量比例隨緯度升高而相對(duì)增加。在靠近赤道的熱帶地區(qū)，具有鄰體競(jìng)爭(zhēng)和促進(jìn)作用的物種數(shù)量比例大致相當(dāng)。

論文審稿人認(rèn)為，這一結(jié)果與大多數(shù)促進(jìn)理論相悖，但這是一個(gè)非常新穎的貢獻(xiàn)，它是在大尺度上得出的。

“如果把熱帶森林看作一個(gè)更愿意合作的社會(huì)，那么高緯度森林就是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)更激烈的社會(huì)?！痹S涵說(shuō)。

究竟是什么導(dǎo)致了這種緯度格局？團(tuán)隊(duì)也作出了解釋?zhuān)耗堋肮痰侍铩钡亩箍茦?shù)木在低緯度地區(qū)比例更高，它們能將氮與鄰居分享，起到促進(jìn)作用；森林中存在的非叢枝菌根共生樹(shù)木，也能產(chǎn)生類(lèi)似的鄰體促進(jìn)作用；大樹(shù)“照護(hù)”效應(yīng)，即大徑級(jí)的樹(shù)木對(duì)林下的中小樹(shù)木起到照護(hù)作用，有利于林下樹(shù)木生長(zhǎng)；熱帶地區(qū)熱量資源更豐富，物種間更可能轉(zhuǎn)向合作而非激烈競(jìng)爭(zhēng)。

“這意味著，全球變暖可能增強(qiáng)高緯度地區(qū)森林內(nèi)的物種促進(jìn)作用，從而潛在地增加那些地區(qū)的森林生物多樣性?！狈剿厍僬f(shuō)，例如氣溫升高在一定范圍內(nèi)更有利于豆科等樹(shù)種的比例增加。

基于此，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，可以在造林中有意識(shí)地增加對(duì)鄰體有促進(jìn)作用的樹(shù)種比例，特別是像豆科這類(lèi)有利他潛力的樹(shù)種。許涵強(qiáng)調(diào)了科學(xué)選種的重要性，通過(guò)優(yōu)化樹(shù)種配置，可以營(yíng)造出更和諧、生產(chǎn)力更高、更穩(wěn)定的森林群落。

下一步，團(tuán)隊(duì)希望將理論應(yīng)用于實(shí)踐，思考怎樣在人工林里配置這些豆科的樹(shù)木，真正實(shí)現(xiàn)科研成果的落地轉(zhuǎn)化，服務(wù)于國(guó)家的人工林質(zhì)量提升和生態(tài)修復(fù)工程。同時(shí)，他們將繼續(xù)深入探索物種間相互作用的其他維度，以及森林如何應(yīng)對(duì)日益加劇的氣候變化。

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