植物多样性对土壤呼吸的正向影响在全球森林中随生产力增加而减弱

这对气候与森林为何重要

森林通过土壤默默“呼吸”，当根系与微生物分解有机物时释放二氧化碳。这种土壤“呼吸”（称为土壤呼吸）是地球上最大的碳通量之一，对气候有重要影响。与此同时，植物物种正快速丧失。本文研究一个看似简单但影响深远的问题：森林中物种越多会不会使土壤呼吸增加？而这一关系在稀疏、增长受限的森林与茂密、高产的森林之间是否不同？

土壤生命与森林的隐性呼吸

土壤呼吸是指根系生长与微生物分解枯叶和枯木时连续释放的二氧化碳。从全球尺度看，这一通量仅次于植物光合作用，因此即使是小幅的相对变化也会改变留存在土壤中的碳量与返回大气的碳量。许多小尺度实验表明，更多的植物物种往往能促进土壤生物活动与有机质积累，这暗示生物多样性可能会增加土壤呼吸。然而，大多数实验是短期的、以草地为主或仅涉及少数物种，因此植物多样性如何在全球不同森林和气候条件下影响土壤呼吸仍不清楚。

从分散测量构建全球图景

为了解答这一问题，作者汇集了多个大型数据集并结合现代机器学习方法。他们使用了来自全球的6000多次土壤呼吸田间观测，并训练了一个深度学习模型，以从气候、土壤和植被特征预测逐月的高分辨率土壤呼吸。随后，他们叠加了全球树种丰富度与总体维管植物丰富度（包括乔木、灌木和草本）的地图，以及基于卫星的森林生产力度量——净初级生产力。通过控制温度、降雨、土壤性质和植被性状等因素，他们得以分离出单纯由植物多样性引起的土壤呼吸差异。

在资源匮乏处多样性帮助最大

全球分析显示出一个清晰但复杂的模式。在生产力低到中等的森林中——即生长受寒冷、干旱或养分限制的地区——物种更多与更高的土壤呼吸有显著相关性。多样的植物群落似乎更有效地向土壤系统供给资源，通过多样的根系深度、根系分泌物与凋落物类型，支持更活跃的微生物群落。但随着生产力上升、林分生物量增加，增加物种的益处缩小。在非常高产的森林——例如温暖湿润、林冠致密的地区——在控制气候和土壤影响之后，多样性带来的额外促进变得微小，甚至可能略为负面。

更多物种何时不再带来明显增益

研究提出了几种解释来说明在高生产力森林中多样性效应减弱的原因。当地条件已经非常有利时，少数优势物种就能向土壤提供大量有机物，建立起较高的微生物活性和土壤呼吸基线。额外的物种可能承担类似功能，其存在对系统功能的边际贡献有限，这一现象称为功能冗余。强烈的光照与养分竞争也会偏向少数成功的物种，从而降低其他物种对土壤过程的重要性。在此类环境中，温度、湿度等非生物因子成为土壤呼吸的主要驱动因素，生物多样性的边际作用随之减弱。

这对碳与多样性保护意味着什么

对非专业读者而言，关键讯息是：植物多样性的作用并非处处相同。在低至中等生产力的森林中，每增加一个植物物种都可能使土壤更为活跃，推动营养循环与碳流动。然在最高产的森林中，仅仅增加物种数量可能不会显著改变土壤呼吸，因为系统已接近其容量上限。这种依赖情境的行为对气候政策很重要。尤其应当在生产力较低的森林中保护植物多样性，因为那里丧失物种可能削弱维持长期碳贮存与生态系统健康的土壤过程。将现实的生物多样性效应纳入碳与气候模型，会提升我们预测森林、土壤与大气对持续环境变化响应的能力。

引用: Laffitte, B., Yang, Z., Jian, J. et al. Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests. Nat Commun 17, 3023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69594-8

关键词: 森林生物多样性, 土壤呼吸, 碳循环, 生态系统生产力, 气候反馈