发表时间：2021年11月19日

第一作者：伊晓霞（博士研究生）

通讯作者：米湘成副研究员，胡天宇副研究员

单位：中国科学院植物研究所

整理报道：生物多样性科学公众号

　　【摘要】

　　森林结构多样性和生产力的关系是生态学研究的核心问题之一。目前不同研究的结果有很大差异，而且其生态学机制也不完善。本文基于古田山9个不同演替阶段的1-ha森林样地，结合森林的长期监测数据和激光雷达数据检验了结构多样性和生产力的关系，并通过进一步检验叶面积垂直分布对生产力的影响来探究结构多样性与生产力的作用机制。与以往大多数研究结论相反，该研究表明冠层结构多样性对生产力存在负效应，这种负效应可能源于上层和下层树冠对光资源的不对称竞争，导致了下层树冠较低的叶面积利用效率。同时，林下层叶面积与总体生产力之间的负关系为不对称竞争机制提供了进一步的证据。

　　【研究背景】

　　世界上一半以上的森林不是原始林，而是次生林。尽管次生林在维持全球碳平衡中起着重要的作用，但是对于次生林演替过程中生产力的恢复机制仍然存在很多争议。森林结构多样性的变化被认为是影响次生林生产力恢复的重要因素，但是以往的研究结果存在很大差异，而且提出了不同的生态学机制。很多研究在控制实验和演替早期的次生林中发现了结构多样性对生产力的正效应，并认为这是由于树冠之间对光资源的互补利用提高了森林整体对光的截获和利用效率。也有一些研究在演替后期的森林中发现结构多样性对生产力具有负效应，认为这是林上层和林下层树冠对光资源的不对称竞争，导致了下层树冠较低的叶面积利用效率。目前结构多样性和生产力的关系仍然存在很大的不确定性，尤其是在物种多样性丰富、结构复杂的亚热带和热带森林中，大大限制了我们对次生林碳固存速率的预测能力。

　　【研究方法】

　　为探究森林演替过程中结构多样性对生产力的影响，本文基于古田山9个不同演替阶段的1-ha森林样地（幼龄次生林、老龄次生林、天然老龄林各3个1-ha的样地），结合森林的长期监测数据和激光雷达数据，首先检验了森林演替过程中物种多样性、物种组成、结构多样性、叶面积指数、叶面积利用效率以及生产力等因素的变化情况，然后通过结构方程模型检验了在同时考虑物种多样性、物种组成以及叶面积指数等因素的影响时结构多样性和生产力的关系，最后利用偏最小二乘回归模型进一步检验叶面积垂直分布对生产力的影响来探究结构多样性与生产力的作用机制。

　　【研究结果】

　　结果发现，随着演替的进行，叶面积指数与结构多样性均呈上升趋势，与之相反，叶面积利用效率和生产力均成下降趋势。物种多样性没有发生显著的变化，但是物种组成发生了较为明显的变化（图1）。　

图1 演替过程中物种多样性、叶面积指数、结构多样性、生产力、叶面积利用效率以及物种组成的变化

　　结构方程模型的结果表明结构多样性对生产力有直接的负作用，而物种组成和叶面积指数对生产力有直接的正作用。演替过程对生产力没有直接作用，而是通过叶面积指数对生产力有间接的负作用，通过物种组成和结构多样性对生产力有间接的正作用（图2）。

图2 森林物种组成、结构多样性、叶面积指数以及干扰对森林生产力的影响

　　叶面积分层的结果表明从幼龄次生林到老龄林，林上层叶面积和林下层叶面积均是增加的（图3b）。偏最小二乘回归结果表明林上层（10m以上）叶面积对总体生产力具有正作用，而林下层（10m以下）叶面积对总体生产力具有负作用，在老龄林中林下层叶面积对生产力的负作用更为强烈（图3a）。

图3 三种不同干扰类型的森林中，(a)不同层次的叶面积对生产力的作用，(b)叶面积垂直剖面

　　【写在后面】

　　对于森林结构多样性，以往研究中主要通过树高和胸径的变异程度来衡量，这种传统的监测方法不仅需要耗费大量的人力物力，而且很难在大尺度上推广。激光雷达技术以其高精度的测距能力和对森林冠层的穿透能力，可以获取完整的森林三维结构信息，为快速、准确的获取大范围的森林结构参数提供了可能。因此，基于激光雷达反演的森林结构参数应用于估计未来次生林碳固存速率具有极大的潜力和优势。 

编译：伊晓霞

校对：孙静、程安鹏

审订：李珊

报道链接：https://mp.weixin.qq.com/s/L5EdniFKMdmxkzGcmDzWwg 

文章下载：https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1365-2745.13813