在物种丰富的森林中，这么多树种能够共存的原因长期以来一直是生态学中的一个争论话题。这个问题对于理解影响森林动态和稳定性的机制至关重要。由亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）领导的一个国际科学团队现在发现了树种空间分布中的意外模式。他们的结果表明，热带和温带森林中的树种由于树木聚类模式和树种丰度的差异而表现出对比鲜明的共存策略。
数据集非常庞大：在全球29个国家拥有超过75个永久森林动态样地的史密森热带研究所（STRI）的森林全球地球观测网络（ForestGEO）提供了出色的森林清单，以调查森林生态系统的动态并更好地理解驱动森林结构和功能的过程。在这些20到50公顷的样地中，每一棵直径不超过铅笔大小的树木每五年被鉴定、测量和绘制地图，通常总计超过200,000棵树。这两位UFZ研究人员，Thorsten Wiegand博士和Andreas Huth教授，仔细研究了21个这些森林大样地，涵盖了从热带到亚热带和温带的梯度。然后，他们的国际团队利用ForestGEO的数据分析森林中树种的分布以及哪些过程负责其空间模式。“寻找植物群落空间结构和动态的简单原则是一项长期存在于理论生态学中的挑战，”首席作者Thorsten Wiegand描述了他们的研究问题。
在他们的分析中，研究团队检查了所有胸径至少为10厘米的单棵树。“森林样地离赤道越近，稀有物种的树木附近有同种树木的可能性就越小，”Andreas Huth说。相比之下，在温带森林中，他们发现普通物种和稀有物种之间仅有轻微的差异。这导致从热带到亚热带再到温带纬度的空间模式出现意外和系统的变化。这一引人注目的发现立刻提出了两个问题：这些变化对树种的共存有何影响，以及哪些过程导致了这些变化？
为了找到这些问题的答案，研究人员使用了不同物种的传播机制信息。“大约70%至80%的热带树种通过动物传播，但在温带森林中则少得多，”Thorsten Wiegand说。另一个重要因素是菌根真菌。这种真菌网络与树木的细根形成共生关系，惠及两种生物：真菌为树木提供养分和水分，以换取葡萄糖。“在温带森林中，菌根通常保护邻近的大同种年轻树木的根免受病原体或昆虫害虫的侵害，”参与该研究的UFZ研究员Samuel M. Fischer博士解释说。相较之下，在热带森林中情况通常并非如此。“这就是为什么热带的种子必须确保它们远离母树传播，这项工作主要由动物完成，”他说。结论是：“在热带森林中，通过动物传播的机制导致了观察到的模式，而在温带森林中，模式则是由菌根真菌塑造的。”Thorsten Wiegand说。
为了更好地理解观察到的空间模式对物种共存的影响，UFZ研究人员使用了空间显式模拟和一种新颖的数学理论。“我们想知道在什么情况下树种能够共存，”Andreas Huth说。稳定共存通常要求已经变得稀有的物种能够再次增加丰度。基于森林动态的数学模型，UFZ研究人员开发了一种新公式来描述低丰度下的种群增长率。他们公式的一个关键元素是一个风险因素，它综合了多个影响因素。结果是：物种目前越常见，且同种邻居越多，风险因素就越小，物种共存的概率就越高。温带森林中的物种普遍具有低风险因素。然而，在热带森林中，风险因素通常更大，但公式中包括的其他因素可以弥补这一劣势，例如由动物传播种子产生的特定空间模式。“总体而言，研究结果表明热带和温带森林中的物种表现出最佳，但截然不同的空间结构，每种结构都促进共存。”Thorsten Wiegand总结说。
这种新发现的空间机制现在为进一步研究提供了起点。Thorsten Wiegand和Andreas Huth希望在去年获得的高级ERC资助的研究中开发出对物种丰富森林的空间动态和稳定性进行理解的更一般理论。“我们希望大幅扩展我们的方法和分析，例如考虑树木的大小、物种的移民和更详细的物种特征，以及使用遥感数据，”他说。在接下来的五年中，他们将获得约250万欧元用于这项工作。
