雨林树冠中的启示

生态学家 Catherine Cardelùs 擦去脸上的汗水，艰难地攀爬着哥斯达黎加雨林中一棵巨大的树，一边拨开缠绕的藤蔓，一边在林下穿行。她的绳索消失在浓密的绿色之上。三十分钟后，腹部肌肉酸痛，她到达了树冠层，并跨过了一根离地面 110 英尺高的巨大树枝。

她骑坐的树枝上附生着许多植物——附生植物，它们是她来到位于哥斯达黎加北部 La Selva 生物站这个令人头晕目眩的研究地点的原因。附生植物以各种方式支撑着树冠层的许多野生动物和植物，它们生长在大气层和雨林之间的界面。这使得它们特别容易受到空气污染加剧的影响。来自纽约州汉密尔顿市科尔盖特大学的 Cardelùs 和她的长期合作研究员 Carrie Woods 想知道两种特别的污染物——氮和磷——将如何影响附生植物。他们的发现也可能为整个雨林如何应对一个更污染的世界提供见解。

“我认为这些家伙就像是煤矿里的金丝雀，”Cardelùs 说。

尽管距离地面很远，树冠层却栖息着大约三分之一的雨林物种。在树冠层生活很艰难；这里的动植物在一种脆弱的平衡中共存，互相依靠食物，有时也依靠庇护所。附生植物是这个空中生态系统的关键：猴子以它们为食；蜻蜓在它们上面产卵；而附生植物（称为凤梨科植物）充满水的基部则为发育中的蝌蚪提供了育幼所。有附生植物的树木会更凉爽，失水更少。

“这里有一个完整的生态系统，”Woods 从她比 Cardelùs 高几英尺的树枝上说，她指着从每一个可用表面上冒出来的各种凤梨科植物和蕨类植物。有些叶子只有一英寸长；有些则有几英尺长。Woods 在一棵树上数出了 65 种附生植物，每一种都在一个高度复杂且竞争激烈的系统中争夺养分和空间。Cardelùs 怀疑氮和磷污染可能会扰乱树冠层物种之间的相互作用。

自然过程会将空气中的氮沉积到陆地和水中，速度约为每年每英亩 0.45 磅。但是，如果再加上燃烧化石燃料、农业实践和能源生产产生的人类来源，平均沉积速率将跃升至每年每英亩 8.9 磅。到 2050 年，随着全球人口的增长，这些速率可能会翻倍。

“我们地球上的人口越来越多，人越多，汽车、工业、建筑、商店就越多，所有这些都会导致更多的污染，”Woods 说。她补充说，在某个临界点，过多的氮会损害生态系统，通常是通过改变土壤的化学成分；威胁因栖息地不同而差异很大，研究人员仍在试图了解这些临界点在哪里。

但是，如何研究未来污染的影响呢？Cardelùs 设计了一个不同寻常的实验，实际上是将未来带到现在。在过去的五年里，Cardelùs 和 Woods 一直在 La Selva 站周围的雨林中的几棵树上添加污染物。就像你会先在你最喜欢的夹子的不起眼的地方测试新的去污剂一样，研究人员想测试养分的涌入将如何影响附生植物，Cardelùs 预测这些影响将预示着整个森林的变化。

树冠层中的实验室

Cardelùs 回忆起她第一次爬树并意识到附生植物群落的广阔。“我看着一根树枝，发现那里有另一个完整的森林，”她说，“我心想，‘天哪，这怎么运作？’”自 1997 年以来，她已经爬遍了中美洲、北美洲和埃塞俄比亚的数百棵树。Woods 也同样痴迷。在另一根树枝上，她指向一只巨嘴鸟。“当你在上面的时候，你就是在体验雨林生活，”Woods 说。“没有什么比这更好了。”

但是，雨林——以及地球上所有森林——的生活可能会发生变化，因为污染会将过多的养分沉积在土壤和空气中。关于养分沉积的研究主要集中在北半球。在那里，氮含量上升会降低森林生物多样性。但尚不清楚作为世界生物多样性主体的大部分雨林是否会遵循相同的趋势。

Cardelùs 的这个“读懂未来”的实验应运而生。在为期五年的研究中，这是首次研究预测污染水平对雨林树冠层的影响，La Selva 的当地田间助理每隔几周就会爬上 10 棵树——每种树有五棵，树种为 *Virola koschnyi* 和 *Lecythis ampla*。他们将含有养分的雨水溶液手工喷洒在五个不同树枝的表面上，每个树枝接受不同的处理。一个接受正常雨水；两个分别喷洒了氮或磷含量增加 50% 的溶液；另一个则同时接受这两种养分；最后一个树枝被部分覆盖以模拟降雨量减少。在 2014 年结束的这项研究的每个夏天，Cardelùs、Woods 和一个学生团队花费了无数时间悬在空中，对数百种附生植物以及它们生长的树冠土壤进行编目和采样。

鉴于附生植物像所有植物一样需要氮和磷才能生存，很容易认为这会帮助它们茁壮成长。但就像美酒一样，过犹不及。“如果一群植物更能适应养分增加，生长和繁殖得更快，这对那些竞争力较弱的其他植物意味着什么？”Cardelùs 问道。

由于附生植物与富饶的森林地面养分库隔绝，每种植物都必须从空气、雨水和稀少的树冠土壤中获取所需，数百种植物都汲取着同一英寸厚的酸性层，该层由分解的有机物形成。“那里的土壤更少，对养分沉积变化的承受能力也更弱，”Cardelùs 说。她担心树冠层的生物多样性最终会减少。

来自土壤的教训

研究人员小心翼翼地将树叶和土壤样本装进背包，从树冠层滑到地面，然后前往实验室。他们从类似堆肥的土壤中剔除树枝和碎片。回到科尔盖特大学，团队分析样本的酶活性、微生物丰度和养分含量及可用性。真菌和细菌负责养分的循环，而在树冠土壤中，真菌往往占主导地位。但这种土壤却显示出一些不同的东西。Woods 说，在接受养分处理的树枝上，细菌占了主导地位，这通常表明系统中可用的养分更多。

这种微生物组成的改变可能会产生重大影响。“我们正在改变土壤的整个功能构成，而且还将产生我们尚未看到的上层影响，”她说。研究人员仍在处理他们收集到的数千份样本，因此他们还不能确切地说出这些影响是什么——但他们将在最严重的污染发生之前得知，这将让他们预见未来。

“我们对树冠生态系统了解很多，但仍然有很多不知道的，”Cardelùs 说。毕竟，它不是最容易进入的工作场所。她表示，由于有太多未知因素，危险在于，通过污染大气，我们正在扰乱我们不完全理解的相互作用。

本文最初发表于印刷版，题为“Up in the Air”。