“紅豆生南國，春來發(fā)幾枝?！痹诳茖W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(tài)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？

《自然》在線發(fā)表了中國林業(yè)科學研究院（以下簡稱中國林科院）聯(lián)合中山大學等單位的成果，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(shù)據(jù)中捕捉到自然界一個隱秘而重大的規(guī)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(nóng)業(yè)大學碩士畢業(yè)的許涵來到中國林科院熱帶林業(yè)研究所工作。他的“主戰(zhàn)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(qū)域之一。

“我與熱帶雨林結(jié)緣已經(jīng)是20多年前的事了?！痹S涵回憶道。當時，中國生態(tài)學界正醞釀著一個宏大的計劃——建設(shè)大型森林動態(tài)監(jiān)測樣地，以理解森林生態(tài)系統(tǒng)的運作機制。在國際上，此類樣地網(wǎng)絡(luò)已由美國史密森熱帶研究所等機構(gòu)倡導(dǎo)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(shè)世界頂級的森林監(jiān)測樣地。

“最初的設(shè)想是建25公頃，后來討論建50公頃?！痹S涵說。最終，受華裔生態(tài)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(tài)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(shè)前進行選址考察。

這是一項常人難以想象的艱苦工程。

樣地被劃成20米×20米的網(wǎng)格，總共有1500個。隊員們每天清晨7點多出發(fā)，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(shù)據(jù)就有這么厚?！痹S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?！傲繕?，一兩天還好，天天量、量兩三年，其實很枯燥?！痹S涵說。

晚上回到駐地帳篷，除了整理、核對海量數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)?！昂軜闼??！痹S涵如此評價那段時光。

2012年，這片全球面積最大、監(jiān)測樹木數(shù)量最多的熱帶森林動態(tài)監(jiān)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(huán)境中工作，一些團隊成員的腰經(jīng)常疼痛。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(jīng)歷。

“搞林業(yè)研究的必須有這種野外經(jīng)歷，通過親身體驗，感受大自然。”許涵強調(diào)。

從一張張分布圖到一個世界性課題

樣地建成了，海量數(shù)據(jù)收集完畢，團隊開始像破譯密碼一樣，審視這片森林。他們?yōu)闃拥貎?nèi)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(xiàn)時，一個奇特的現(xiàn)象抓住了許涵的眼睛：豆科樹木的分布呈現(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(qū)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?！盀槭裁此鼈兊膮^(qū)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(tài)學研究的方素琴合作多年?！拔覀兘?jīng)常討論一些有意思的觀點?！狈剿厍僬f，傳統(tǒng)生態(tài)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(xiàn)象暗示，故事可能更復(fù)雜。他們想一探究竟。

大約在2015年，這個基于直觀觀察的疑問轉(zhuǎn)化為嚴謹?shù)目茖W分析。許涵團隊決定深入探究豆科樹木與鄰居之間的關(guān)系。這需要發(fā)展新的數(shù)據(jù)分析方法，以量化樹木之間的競爭和互助關(guān)系。

于是，研究團隊利用國際森林監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與全球同行聯(lián)系，收集更多樣地數(shù)據(jù)。這個過程耗時費力?！耙驗槎荚诓煌瑖遥袝r差。申請大樣地數(shù)據(jù)需要一一溝通?！痹S涵說。

破解“熱帶物種更豐富”之謎

生態(tài)學家一直非常關(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)律的假說陸續(xù)提出?！暗@些假說由于缺乏一致的理論解釋仍存在爭議?！痹S涵說，根據(jù)大樣地豆科樹木的鄰體間相互作用的研究結(jié)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(qū)物種多樣性特別高”的百年生態(tài)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(fā)現(xiàn)，在全球尺度上，具有鄰體促進作用的物種數(shù)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(shù)量比例隨緯度升高而相對增加。在靠近赤道的熱帶地區(qū)，具有鄰體競爭和促進作用的物種數(shù)量比例大致相當。

“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?！痹S涵說。

究竟是什么導(dǎo)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(qū)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(chǎn)生類似的鄰體促進作用；大樹“照護”效應(yīng)，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(qū)熱量資源更豐富，物種間更可能轉(zhuǎn)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(qū)森林內(nèi)的物種促進作用，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，例如氣溫升高在一定范圍內(nèi)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(diào)了科學選種的重要性，通過優(yōu)化樹種配置，可以營造出更和諧、生產(chǎn)力更高、更穩(wěn)定的森林群落。

下一步，團隊希望將理論應(yīng)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(xiàn)科研成果的落地轉(zhuǎn)化，服務(wù)于國家的人工林質(zhì)量提升和生態(tài)修復(fù)工程。同時，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)對日益加劇的氣候變化。