为何赤道附近森林树木种类繁多，北方森林树种却相对单一？这一困扰科学家两百余年的谜题，如今被中山大学生态学院教授储诚进团队破解。
储诚进（前排中）等人在广东车八岭国家级自然保护区样地。受访者供图
他们通过覆盖全球32个森林大样地、涉及300多万棵树的大规模“数据侦探行动”，找到了答案——森林中存在一套“反垄断”机制，其核心藏在树木间的复杂关系中。
近日，相关研究成果在线发表于《自然》。储诚进对《中国科学报》表示，团队首次在全球尺度上验证了森林群落中高阶互作的普遍性，发现高阶互作强度随纬度升高而减弱，揭示了其在塑造树木多样性纬度格局中的关键作用，为从生物互作角度理解物种多样性纬度梯度格局开辟了新路径。
该研究不仅刷新了人们对森林生态系统的认知，也为保护生物多样性提供了新思路。
01一个两百年的老问题
从太空俯瞰地球，一个景象映入眼帘：从赤道向两极，地表颜色由浓绿逐渐变淡。这不仅是植被覆盖度的变化，更代表了物种丰富度的大幅衰减。在热带雨林中，一块足球场大小的土地上可能生长着数百种树木；而到了寒温带针叶林，几十公里范围内往往只有云杉、冷杉、落叶松等寥寥几个树种。
这一现象早在1807年便由德国博物学家亚历山大·冯·洪堡作了系统描述，后来被学界称为“物种多样性的纬度梯度格局”。两个多世纪以来，科学家先后提出了100多种理论来解释这一现象，有的归因于热带地区气候稳定，有的认为与历史冰期有关，有的强调太阳辐射和生产力差异，还有的从物种形成与灭绝速率角度进行了探讨。
在众多解释中，“同种负密度依赖”机制逐渐获得认可。其核心逻辑并不复杂：同种树木之间不喜欢近距离聚集。如果某棵树周围都是同类，它们会激烈争夺阳光、水分和土壤养分；同时，同种个体聚集还会使专门攻击该树种的病虫害更容易传播。最终结果是，当同种个体过多时，树木生长就会变差，甚至升高死亡风险。这种“自我克制”机制，天然遏制了单一树种独霸森林，为其他物种留出生存空间，从而维护了群落多样性。
这一解释看似完美，然而当科学家试图搞清“同种负密度依赖是否随纬度升高而减弱”，以此解释低纬度地区多样性更高时，却得出了相互矛盾的结论。问题究竟出在哪里？
储诚进团队的最新研究给出了一种可能的答案：过去的研究把复杂的森林“想简单了”。
02从“二人世界”到“多人游戏”
以往关于同种负密度依赖的研究，主要聚焦于目标树木与周围单株邻树之间的两两相互作用，如同只研究两个人之间是相互帮助还是彼此伤害。但在真实森林中，树木之间的“社交网络”要复杂得多。
“传统研究范式有较大局限性，它将复杂的生态系统降维到两两相互作用，对第三种甚至更多物种的影响考虑不足。”储诚进说，“高阶相互作用（HOIs）指两个物种之间的相互影响，会因第三种或更多物种的存在而改变。我们的研究将目标树木附近第三棵甚至更多树木的相互影响考虑进来。”
设想一个场景：目标树A附近有一棵同种树B和一棵异种树C。传统研究只会分别考虑“A与B”和“A与C”的关系。但实际上，B和C的存在会相互影响。例如，B可能释放化学物质抑制C的生长，C可能吸引某种害虫间接影响B的健康，而B和C的“互动”又会改变它们各自对A的影响。
“2018年，一位澳大利亚学者来中山大学作报告，分享了一年生草本植物的高阶互作现象，这极大启发了我们是否可以将研究拓展到森林群落。”论文第一作者、中山大学生态学院副教授李远智回忆说。
然而，将高阶互作推广到森林群落，首要难题是如何科学地量化。一年生草本植物生活史短，个体大小和空间距离变异小，量化高阶互作时可以忽略。但在森林群落中，树木大小和间距变异较大，考虑的因素要复杂得多。
储诚进团队意识到，过去只关注成对互作，相当于只看到了森林社交图谱中的单线联系，却忽略了多线条交织后产生的新效果，而这恰恰是破解多样性纬度谜题的关键。
转机出现在2021年。团队在《国家科学评论》发表方法论论文，首次提出同时考虑树木个体大小和空间距离的量化框架。他们建立了两套数学模型：一套仅包含成对互作，另一套在此基础上加入高阶互作项，然后将模型预测结果与真实森林样地数据比对，为后续全球研究奠定了基础。
03一场跨越全球的“森林大普查”
“概念和方法都已齐备，为了让研究结论更扎实，我们开始设法获取全球森林样地的高质量重复观测数据。”李远智说。
研究团队历时8年，通过中国森林生物多样性监测网络（CForBio）和全球森林观测网络，获取了全球32个大型森林动态监测样地的数据。这些样地遍布十多个国家和地区，从热带的巴拿马、马来西亚到温带的美国、德国，再到亚寒带加拿大，基本覆盖了地球上最主要的森林类型。
每个样地通常不小于20公顷——约28个标准足球场大小。研究人员对样地内所有胸径≥1厘米的木本植物进行了精确定位、物种鉴定、胸径测量并挂牌编号。每5年左右复查一次，记录每棵树的生长、死亡和新萌发个体。
论文共同第一作者、中山大学生态学院特聘副研究员肖俊丽表示：“在数据分析方面，我们尝试过很多不同思路，发现不同方法得到的结果一致。最终发表时选用了相对简单、学界更容易理解的方法。”
此次研究最终整合了覆盖全球32个森林大样地、超过300万棵树、分属5000多个树种的海量数据。“这是迄今对全球树木高阶互作效应所做的最大规模研究。”储诚进说，该研究共有70位作者、50个科研团队参与。
04重新认识身边的森林
研究中有两个中国森林样地格外引人注目，分别位于广东车八岭国家级自然保护区（20公顷）和广东封开黑石顶省级自然保护区（50公顷）。这两个样地由中山大学建设管理，是中国森林监测网络快速发展的缩影。
“过去都是国外学者邀请我们参与研究，现在是中国科学家主导问题设计、方法创新和全球数据统筹。”储诚进感慨道。目前，CForBio已包含全国31个样地，成为全球森林研究的重要力量。
这项研究也革新了科研范式。“过去，我们将整体‘切块’分析，这个切割过程会遗失很多重要信息。”在储诚进看来，随着技术和理论工具的发展，科研范式正在转向系统思维。这项研究正是系统思维的一次成功实践，揭示了整片森林的复杂关系网。
与此同时，这一发现对生态保护意义重大。传统保护策略常聚焦于旗舰物种，如大熊猫、东北虎等，但新研究表明，保护森林多样性需要维护整个“社交网络”。“通过识别促进稀有物种生长的关键互作，可以优化树木种植组合，使保护工作更加高效。”储诚进说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10434-6
