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2024年10月15日，苏黎世联邦理工学院Thomas Crowther课题组-莫李东博士和 Constantin M. Zohner博士等人在《Nature Ecology & Evolution》杂志上发表了题为“The global distribution and drivers of wood density and their impact on forest carbon stocks”的研究论文，通过分析来自全球110万个森林样地的木材密度数据，以及10,703种树木的密度信息，揭示了森林群落水平木材密度的全球分布格局和变化趋势。
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木材密度（wood density）是森林生态系统中一个关键的功能性状，直接影响森林生态系统的碳储量、生产力和生物多样性。然而，全球森林群落水平的木材密度（community wood density）的分布模式及其驱动因素尚不完全明确，这对准确预测全球森林碳储量构成了挑战。木材密度受到树木生长环境中的温度、湿度等气候因素，以及人类活动的影响。为回答这一问题，研究团队深入探究了木材密度随着环境梯度的分布格局和变化规律，以更好地理解森林生态系统对气候变化的响应。
研究发现，气候条件是决定木材密度空间变化的关键因素，例如热带森林的群落水平木材密度比寒带森林高出约30%，这一差异主要由温度和土壤湿度等水热条件驱动。通过比较分析森林群落中的被子植物和裸子植物组分的木材密度，研究还发现，尽管进化路径不同，这两类树种在应对环境压力时表现出相似的木材密度响应模式，突显了环境筛选（environmental filtering）在全球尺度上的重要性。
图1. 全球森林地面观测样地中的群落水平木材密度以及在裸子植物、被子植物、森林类型和生物群系中的分布。a–c，分别为裸子植物(a)和被子植物(c)物种的木材密度分布，以及森林中被子植物比例对群落水平木材密度(CWD)影响(b)。裸子植物物种的木材密度分布较低，平均值约比被子植物低20%。b，随着森林群落中被子植物比例的增加，CWD逐渐上升。我们纳入了8,249个在种或者属水平具有木材密度信息观测值的物种，其中包括8,036个被子植物和213个裸子植物。d，GFBi数据库中约110万个地面观测样地和CWD的分布图。e,f，按森林类型(e)或生物群系(f)的CWD箱线图。
此外，研究还发现，局部环境干扰，如人类活动和火灾，也显著影响了木材密度。在某些地区，由于人类活动或火灾频率的增加，森林的木材密度会发生变化，从而影响碳储量的估算。研究表明，在不同生态系统中，木材密度的空间变化导致碳储量的估算差异可高达21%。因此，在评估全球森林碳库时，考虑到木材密度的变化将大大提高估算的准确性。
图 2. 全球森林群落水平木材密度分布图。a、c、e 分别为所有物种(a)、仅被子植物(c)和仅裸子植物(e)的群落水平木材密度分布图。a，群落水平的木材密度图是为200个全球最佳随机森林模型预测的平均值。c、e，仅被子植物(c)和仅裸子植物(e)的木材密度图分别是100个最佳随机森林模型的全球预测平均值。b、d、f，分别为所有物种(b)、被子植物(d)和裸子植物(f)的纬度趋势图，是代表每0.1弧度纬度上的木材密度平均值。地图的分辨率为30弧秒（约1km2）。在被子植物(c)和裸子植物(e)的木材密度分布图中，排除了被子植物或裸子植物占整个群落比例低于5%的像素。
木材密度不仅反映了树木的生理功能，还可以作为预测森林对气候变化响应能力的重要指标。密度较高的木材密度可以为树木提供更强的结构支持，并在面对干旱或极端温度时表现出更高的抗逆性。而木材密度较低的树种通常生长较快，但在资源有限或环境压力较大的地区生存能力较弱。研究特别指出，热带干旱地区的树木往往具有较高的木材密度，以适应水分压力；而在湿润的温带地区，低密度木材的树种由于快速生长而更具竞争力。
图3. 采用群落水平木材密度信息与使用单一木材密度所计算的森林活体生物量 （Living tree biomass）的比较。a，全球森林活体生物量分布 （以t/ha计），通过将木材密度地图与活体林木蓄积量、根质量占比和生物量扩展因子数据相结合计算得出。b，将使用全球木材密度图（图2a的数据）与使用单一木材密度所估算的全球森林活体树木生物量进行比较，得出的两者在生物量估算上的百分比差异。c，在生物群系水平上的两种森林活体生物量估算方法之间的百分比差异。
这项研究通过全球范围内的木材密度数据，创建了一个详细的空间分布模型完成对群落水平木材密度的高空间分辨率的预测，为无论是利用地面样方数据还是卫星遥感进行森林碳储量的准确评估提供了新的工具。研究结果不仅提升了对森林碳库分布的理解，还为全球森林管理和碳减排策略提供了重要数据支持。这些发现表明，木材密度的变化对于气候变化的适应性具有深远影响，未来的研究和政策需要考虑到这些空间和生态差异，以制定更有效的气候应对措施。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02564-9
