他們為啥選這60公頃原始森林，為50萬棵樹逐一辦“身份證”？

“紅豆生南國，春來發幾枝。”在科學家眼中，詩里的“紅豆”——無論是相思子還是海紅豆，都屬豆科。而“南國”恰是豆科植物的樂園，它們在此蓬勃生長，形態萬千，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》在線發表了中國林業科學研究院（以下簡稱中國林科院）聯合中山大學等單位的成果，首次在全球尺度上系統揭示了森林中物種間鄰體相互作用對維持生物多樣性的重要性。

鮮為人知的是，這項突破始于18年前海南尖峰嶺熱帶雨林中艱苦卓絕的大樣地“測量”。20多位團隊成員用腳步丈量了60公頃原始森林，為近50萬棵樹木辦理了“身份證”，從海量數據中捕捉到自然界一個隱秘而重大的規律。

海南尖峰嶺熱帶森林。

密林深處的大樣地“測量”

2005年，剛從華南農業大學碩士畢業的許涵來到中國林科院熱帶林業研究所工作。他的“主戰場”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區域之一。

“我與熱帶雨林結緣已經是20多年前的事了。”許涵回憶道。當時，中國生態學界正醞釀著一個宏大的計劃——建設大型森林動態監測樣地，以理解森林生態系統的運作機制。在國際上，此類樣地網絡已由美國史密森熱帶研究所等機構倡導建立。在中國林科院科學家張守攻和劉世榮的推動下，2008年一個雄心勃勃的決定在尖峰嶺落地：建設世界頂級的森林監測樣地。

“最初的設想是建25公頃，后來討論建50公頃。”許涵說。最終，受華裔生態學家、加拿大阿爾伯塔大學教授何芳良“要建就建世界最大樣地”的鼓舞，時任尖峰嶺國家級森林生態站站長李意德研究員將最終目標定為60公頃，也就是900畝林地。這意味著要在1000米長、600米寬的山地原始森林中，對每一株胸徑大于1厘米的樹木進行識別、測量、標記和定位。

2008年，團隊在海南尖峰嶺60公頃大樣地建設前進行選址考察。

這是一項常人難以想象的艱苦工程。

2009年，大樣地建設正式開始。許涵帶領由研究人員、學生、保護區工作人員和當地林業工人組成的隊伍，奔赴深山。為了節省每天上下山近兩小時的路程，團隊成員在保護區原始森林深處當時唯一的建筑物—— 一座簡易涼亭旁邊搭起帳篷露宿。濕熱的海南是山螞蟥的樂園。“在林子里被螞蟥咬了都不知道，經常是回去以后才發現流了好多血。”論文通訊作者、中山大學副教授方素琴回憶道。

樣地被劃成20米×20米的網格，總共有1500個。隊員們每天清晨7點多出發，手持胸徑尺、測桿、記錄板，一棵樹一棵樹地測量胸徑、樹高、相對坐標，鑒定物種，并將帶獨一無二編號的特制鋁牌掛在樹干上——這就是樹的“身份證”。

“我們當時主要用打印紙進行記錄。一張紙上要記錄20棵樹的信息，50萬棵樹就要用2.5萬張打印紙，原始數據就有這么厚。”許涵比劃著描述道。

雨季的熱帶雨林每天都有不定時的降水，林間路滑，小的劃傷、摔跤對團隊成員們來說是家常便飯，同時還要警惕蛇和野豬。“量樹，一兩天還好，天天量、量兩三年，其實很枯燥。”許涵說。

晚上回到駐地帳篷，除了整理、核對海量數據，他們還要處理白天采集的植物標本。森林里手機沒有信號，耳邊是蟲鳴與其他動物的叫聲，大家交流著白天的發現。“很樸素。”許涵如此評價那段時光。

2012年，這片全球面積最大、監測樹木數量最多的熱帶森林動態監測樣地終于建成。它包含了290種胸徑大于1厘米的高等植物，每棵樹都有了屬于自己的“空間坐標”。

因常年在潮濕環境中工作，一些團隊成員的腰經常疼痛。然而，在許涵和團隊成員看來，這一切艱辛都是值得的。對于參與的研究生而言，這可能是他們科研生涯中獨一無二的野外經歷。

“搞林業研究的必須有這種野外經歷，通過親身體驗，感受大自然。”許涵強調。

從一張張分布圖到一個世界性課題

樣地建成了，海量數據收集完畢，團隊開始像破譯密碼一樣，審視這片森林。他們為樣地內所有樹種繪制了空間分布圖。

當290多張物種分布圖一一呈現時，一個奇特的現象抓住了許涵的眼睛：豆科樹木的分布呈現出明顯的空間分化。樣地內的7種豆科樹木，有4種生長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域。在空間分布圖上，它們“井水不犯河水”，幾乎不重疊。

大樣地中的荔枝葉紅豆。

大樣地中的肥莢紅豆。受訪者供圖

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。“為什么它們的區域是完全不重疊的？”許涵心中埋下了這個疑問。

許涵與從事物種共存和地下生態學研究的方素琴合作多年。“我們經常討論一些有意思的觀點。”方素琴說，傳統生態學觀點認為大部分豆科植物是“利他主義者”，能為貧瘠土壤補充氮肥，惠及鄰里。但眼前的現象暗示，故事可能更復雜。他們想一探究竟。

大約在2015年，這個基于直觀觀察的疑問轉化為嚴謹的科學分析。許涵團隊決定深入探究豆科樹木與鄰居之間的關系。這需要發展新的數據分析方法，以量化樹木之間的競爭和互助關系。

他們從豆科出發，將研究視野逐步擴大。2020年，他們聯合國內外學者，基于全球11個大型森林樣地的數據，發表了第一篇揭示豆科樹木與鄰體復雜關系的論文，即豆科樹木與鄰體之間既有促進關系，也有競爭關系。隨之，一個更大的科學問題浮現出來：如果豆科樹木對鄰體的影響如此重要，那么在全球尺度上，所有樹種之間的這種相互作用是否會沿著緯度變化，從而解釋那個生態學核心謎題——為什么熱帶地區物種多樣性那么高。

“其實我們2020年就做出了論文里最主要的趨勢圖。”許涵回憶。當他們第一次做出“具有鄰體促進作用的物種的數量比例隨緯度升高而降低”的曲線時，感覺這是一個重要的發現，但并沒有因此“特別興奮”。科學的嚴謹讓他們保持冷靜。要證明這是一個全球性的普遍規律，11個樣地的證據還遠遠不夠。

于是，研究團隊利用國際森林監測網絡與全球同行聯系，收集更多樣地數據。這個過程耗時費力。“因為都在不同國家，有時差。申請大樣地數據需要一一溝通。”許涵說。

秉持嚴謹的科研態度，論文合作者們先后開發并使用了4種不同的統計模型來檢驗核心結論。“幾種方法的結果完全一致。”許涵解釋，盡管論文最終只呈現了最有力的一種方法，但背后是數月的額外計算與分析，只為確保結論萬無一失。樣地數量從11個增加到14個，數據覆蓋了全球五大洲。

審稿過程同樣漫長而充滿挑戰。2024年1月投稿，3月收到意見，編輯給了“申訴”修改的機會。他們用了近15個月的時間修改補充，得到更多全球單位和研究人員的支持。最終，全球29個單位34名學者參與了這項研究，將樣地擴大到17個，囊括5567種、2621809棵樹，用多種分析方法反復驗證，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

生態學家一直非常關注熱帶森林極其豐富的物種如何穩定共存，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律的假說陸續提出。“但這些假說由于缺乏一致的理論解釋仍存在爭議。”許涵說，根據大樣地豆科樹木的鄰體間相互作用的研究結果，他們認為，通過鄰體間相互作用來研究物種多樣性的緯度梯度格局，可以為解決“熱帶地區物種多樣性特別高”的百年生態學問題，提供一個全新的、基于物種間相互作用的答案。

最終他們發現，在全球尺度上，具有鄰體促進作用的物種數量比例隨緯度升高而相對減少，具有鄰體競爭作用的物種數量比例隨緯度升高而相對增加。在靠近赤道的熱帶地區，具有鄰體競爭和促進作用的物種數量比例大致相當。

論文審稿人認為，這一結果與大多數促進理論相悖，但這是一個非常新穎的貢獻，它是在大尺度上得出的。

“如果把熱帶森林看作一個更愿意合作的社會，那么高緯度森林就是一個競爭更激烈的社會。”許涵說。

究竟是什么導致了這種緯度格局？團隊也作出了解釋：能“固氮肥田”的豆科樹木在低緯度地區比例更高，它們能將氮與鄰居分享，起到促進作用；森林中存在的非叢枝菌根共生樹木，也能產生類似的鄰體促進作用；大樹“照護”效應，即大徑級的樹木對林下的中小樹木起到照護作用，有利于林下樹木生長；熱帶地區熱量資源更豐富，物種間更可能轉向合作而非激烈競爭。

“這意味著，全球變暖可能增強高緯度地區森林內的物種促進作用，從而潛在地增加那些地區的森林生物多樣性。”方素琴說，例如氣溫升高在一定范圍內更有利于豆科等樹種的比例增加。

基于此，團隊認為，可以在造林中有意識地增加對鄰體有促進作用的樹種比例，特別是像豆科這類有利他潛力的樹種。許涵強調了科學選種的重要性，通過優化樹種配置，可以營造出更和諧、生產力更高、更穩定的森林群落。

下一步，團隊希望將理論應用于實踐，思考怎樣在人工林里配置這些豆科的樹木，真正實現科研成果的落地轉化，服務于國家的人工林質量提升和生態修復工程。同時，他們將繼續深入探索物種間相互作用的其他維度，以及森林如何應對日益加劇的氣候變化。