2022年3月18日，北京大学城市与环境学院生态研究中心华方圆研究员带领的保护生态学课题组牵头7国研究人员组成的跨学科团队，在国际顶级期刊《科学》上以长文形式发表了题为《不同森林恢复方式的生物多样性和生态系统服务贡献及其权衡关系》的研究论文。该研究汇总分析了来自全球53个国家地区、264个野外研究的近2.6万条数据，发现与结构简单的人工林相比，天然林可以更好地支持生物多样性保护和实现地表碳存储、土壤保持、水源涵养的生态系统服务，但是人工林在木材生产方面具有优势。

这个跨国、跨学科的大团队是如何凝聚在一起、又是如何开展研究的？研究结果具有怎样的科学和现实意义？项目领导者经历了怎样的酸甜苦辣？华方圆向记者讲述了4年多来她和团队的故事。

华方圆接受融媒体中心记者采访

退耕还林引发的困惑

1999年，我国从保持水土的主要诉求出发，将易遭受水土流失的坡耕地有计划、有步骤地停止耕种，按照适地适树的原则植树造林，恢复森林植被。这就是退耕还林工程，它是全球最大的森林恢复工程。退耕还林工程建设包括两个方面的内容：一是坡耕地退耕还林；二是宜林荒山荒地造林。

也是这一年，华方圆从四川考上北京师范大学生物系，后来到美国佛罗里达大学攻读博士学位时，她选择了保护生态学方向。“2013年至2016年，我在普林斯顿大学做博士后。当时的研究是通过野外工作，尝试理解我国以退耕还林为代表的大型造林工程有怎样的生物多样性保护成效。”

四川山区的坡耕地

四川山区退耕还林实施后的森林景观

生物多样性，我们可以简单理解为动物、植物、微生物等各种形式的生命体及其与环境构成的生态系统。人类生产生活所用的土地原本都是自然生态系统，但人类出于自身需要，对土地的面貌进行了极大的改造，比如将其转变成城市、农田等等。栖息地的改造和破坏使得很多生物失去了栖身之所，也因此成为目前全球生物多样性急剧丧失的最主要原因之一。

2021年10月12日，《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会在昆明召开，习近平主席在视频讲话中提出：“‘万物各得其和以生，各得其养以成’，生物多样性使地球充满生机，也是人类生存和发展的基础。保护生物多样性有助于维护地球家园，促进人类可持续发展。”华方圆提到，这次峰会后不久，她在公交车上听见两位老人交谈中提起生物多样性，觉得很惊喜。“普通老百姓开始关注生物多样性，这是一个很大的进步。”

从理论上来说，如此大体量的森林恢复工程，能带来的生物多样性保护潜力应该也是极大的，尤其考虑到栖息地破坏是生物多样性面临的最大威胁之一。退耕还林工程在全国推开，涉及的森林恢复面积很大，应该能带来极大的生物多样性益处。

“但从我自己的野外观察和跟同行了解到的信息来看，退耕还林恢复的森林植被主要是人工林，树种构成比较简单。而全球的研究已经证明，简单人工林可以支撑的生物多样性是有限的。”这就给华方圆带来一个困惑：国家花大力气实施这么大规模的生态工程，理论上在水土保持之外还可以有很大的生物多样性益处，但这个重要的生态红利可能并没有充分地兑现。

四川山区退耕还林恢复的人工林：桉树纯林（左）、厚朴纯林（中；厚朴皮是一种中药材）、竹与柳杉的混交林（右）

为了获得科学数据验证她的猜测，华方圆与中科院昆明动物所和四川大学的合作者以四川盆地西南山区为例，通过两年多的野外和遥感研究，量化退耕还林工程期间研究区不同类型森林的恢复面积，以及相比天然林来说，恢复的人工林能支撑多少生物多样性。

经过一轮几乎跑遍了四川盆地及周边的前期踏查，华方圆把研究区选定在了成都平原西南的邛崃山、大相岭山区和平原浅丘区。这个区域位于横断山区东缘，海拔覆盖从不到500米一直拔升到近2000米，不仅有较为密集的退耕还林项目地，并且由于较大的海拔和区县跨度，涵盖了多种不同的退耕还林森林类型。“这使得我们的研究结果能有较好的区域代表性，但也意味着我们的野外工作量是挺大的。”

与天然林相比，人工林的森林组成和结构明显更简单：四川洪雅县境内的柳杉人工林（左）、四川大相岭省级自然保护区中的天然林（右）

团队以鸟类和蜂类作为生物多样性的代表类群，通过野外调查，量化不同类型的退耕还林森林、天然林以及退耕还林针对的农田这几类生境类型的生物多样性高低。鸟类调查使用的是听和观察结合的常规鸟调方法，蜂类调查则需要布设采集器、把标本采集回实验室进行物种鉴定；而由于数据独立性和样本量的要求，两个类群的调查都需要团队成员在调查生境中长距离地行走去布设调查点。“300米是相邻的样点间直线距离的最小要求。农田还好说，但我们调查的森林不仅在山坡上，而且几乎都是没有路的，全靠调查员硬钻。除了望远镜，砍刀也成了我们离不开身的工具。”在研究区拉练式的几个月野外调查做下来，华方圆和团队固然经历了不少艰辛——连聘来做野外助手的村民大叔都表示“大学都毕业了还来做这样的劳力活儿，我的小孩绝不能送去学你们这个专业……”——但也因此对退耕还林的落地推行及其相关的林业管理话题有了深切的一手认识。

鸟类调查

在农田中布设蜂类采集器

华方圆背着蜂类采集用的木棍和黄盘采集器上山

“通过对野外数据的分析，我们发现退耕还林的生物多样性成效还有很大的提升空间。”华方圆解释说，一方面，在退耕还林开始后的15年期间，研究区的森林覆盖率增加基本全是以人工林的形式实现的，而区域内的天然林甚至有一定程度的损失；另一方面，研究区几种主流的人工林与天然林相比，都有比较显著的鸟类和蜂类多样性差距。这个差距对只由单一树种构成的人工纯林尤为突出：这类森林支撑的生物多样性数量甚至可能还不如退耕还林针对的农田系统。

“对我接下来在森林生物多样性保护与恢复方面的研究，这一段经历和视野提供的助益是极大的。没有这段在四川野外的经历，我可能也不会想到这篇《科学》文章想解决的问题。”

人工林和天然林的对比

四川省洪雅县境内一大片海拔1000多米的人工柳杉林，树长得很高很密，遮蔽了阳光，再加上农户可能有除草的管理措施，林下只有一些稀疏的蕨类植物，除此以外几乎什么也不长。“当时天正下着雨，林下的红土地上，雨水混合着泥土哗哗流走。”

四川的野外项目虽然结束了，但这个情景还时常在华方圆眼前闪现，引起她的思考：退耕还林最主要的目的是防止水土流失，可是一些类型的人工林在这方面的成效似乎也不尽如人意，相比天然林可能还存在一些差距。“对退耕还林在防止水土流失上的成效评估，除了与代表退耕前土地状态的坡耕地对比外，与作为良好生态状态基准的天然林对比也是必需的，但针对退耕还林水土保持成效的研究大多只关注前一个对比。”

“退耕还林目前采取的还林方式充分实现它原本希望的水土保持成效了吗？”华方圆一直在思考这个问题，也觉得对这个问题的回答，可能是扭转退耕还林生物多样性成效有限这个困境的出路。由于手头研究工作的繁重，她一直没有下定决心去探究这个题目。

转折点发生在2017年。那年3月，华方圆来到英国剑桥大学，开始了她的第二阶段博士后研究。当年9月，她去巴西参加第7届世界生态恢复大会，看到来自全球各地的同行热切关注的一个焦点话题，正是人工林主导森林恢复、导致生物多样性保护的受益空间被极大挤占的问题。而与退耕还林的情况类似，这个现状背后的原因是全球大量森林恢复项目的主要目标并不是保护和恢复生物多样性，而是实现生态系统服务，即森林为人类直接提供的福祉，比如碳存储、土壤保持、水源涵养、木材生产等。但出于“凡林皆可”的假定，许多项目主要通过种植单一树种或少数树种来构建简单的人工林。

为实现生态系统服务构建的人工林：广西为生产木材栽种的桉树与本地树种混交林（左）、四川为保持土壤栽种的杨树纯林（中）、河北为涵养水源栽种的油松纯林（右）

这次会议给华方圆一个极大的启示：退耕还林生物多样性成效有限的困境，实际代表的是森林恢复在全球各地广泛面临的困境，急需通过科学研究探寻出路。而最直接的出路，是在构建简单人工林与恢复天然林这两种恢复方式之间，衡量生物多样性与作为恢复主要诉求的生态系统服务之间的协同与权衡关系，并且最好是基于大尺度的数据汇总得出普适性的衡量结论。

从巴西回到学校后，华方圆就在文献中仔细搜索衡量上述协同与权衡关系的汇总研究，结果发现这仍然是一个空白。进一步的搜索发现，就算对作为森林恢复主要诉求的上述碳、土、水、木材生产等生态系统服务而言，“人工林与天然林同等有效”的假定也并没有得到严格的科学检验。“这个假定成立与否，不仅关系到森林恢复能给生物多样性保护提供多少机会，更决定了森林恢复能在多大程度上实现其生态系统服务的目标。”华方圆的想法清晰起来，决定立即着手去填补这个空白。

想法有了，怎么做？谁来做？华方圆自己是做生物多样性相关的生态学研究的，对这个课题涉及的几种生态系统服务的研究方法并不熟悉。“我在剑桥大学的博士后合作导师很支持我的想法，他给我推荐了一位做土壤保持的专家。我的一位剑桥大学同事也有做地表碳存储的经验，他们都乐意合作。”在巴西开会期间，华方圆认识了一位圣保罗大学的博士后，她正好在做全球不同森林类型的水文数据汇总，也很愿意加入研究团队。“但是这位巴西博士后自身的背景也是生态学，做这个水文研究其实面临不小的挑战。”为保障水文数据汇总的质量，华方圆决定再尝试邀请一位森林水文领域的专家加入团队。搜索几轮文献后，她发现Bruijnzeel这个名字在许多文章里反复出现。这是一位荷兰籍的著名森林水文学家。“从文献看来，他基本就是森林水文学领域目前的‘大神’了。”几经联系，Bruijnzeel教授表示，他虽然对课题很有兴趣，但由于自己时间有限，只愿意在后排给项目提供指导。

从2017年开始，华方圆牵头团队开始工作。2019年5月，她回国就任北京大学城市与环境学院生态研究中心研究员。“回国的时候，我们已经差不多按当初的设想完成了数据收集。当年底，我们将文章投给《自然》，被拒；投给《自然》子刊，送审之后又被拒，主要原因就是水文数据太薄弱。”论文卡在水文数据上，华方圆决定请求荷兰水文学家出手相助，亲自主导水文数据的汇总。

“这时候已经有了两年多的紧密交流合作，Bruijnzeel教授应该是被课题的科学价值和团队的执着打动了，答应接手水文数据的汇总。”从2020年3月到2021年3月，Bruijnzeel教授花了整整一年的时间来重建课题的水文数据库。“这一整年的等待时间，我的感受就像坐过山车一样。文章卡在水文数据上迟迟无法推进的焦虑是背景音，而因为家庭、个人健康的一些原因，Bruijnzeel教授的进度不断被打断，其生活状况也受到欧洲新冠肺炎疫情最严重时期的很大影响。”约定的数据交接时间一再往后推延，而华方圆还面临着北大三年中期考核的压力。

也正是在这一年的紧密交流中，华方圆对Bruijnzeel教授汇总水文数据的“慢节奏”，逐渐发生了从焦急抱怨到深深敬佩和理解的转变。这不仅是因为他本身就是一个全球水文研究的“活图书馆”，对各地的现有研究有近乎全景式的把握，熟知都有谁做过对比人工林和天然林的水文研究，还因为课题针对的水文数据汇总工作量巨大：在数据库里呈现的每一行数字，背后都包含了不同于课题其他数据的大量计算和建模工作，很多时候还涉及联系原作者索要日流量、日降雨量这样细致的原始数据。“这部分水文数据给整篇文章增添的分量，是举足轻重的。”

还有一个细节给华方圆留下了深刻的印象。发表在《科学》上的这篇论文一共有500多篇参考文献。投稿前，Bruijnzeel教授仔细地逐行检查了每篇文献的拼写，纠正了其中的错误。“以前，我从来没有遇到第一作者以外的作者会主动来检查参考文献是否有误。这让我很受触动，也为他这样的老一辈科学家做事的严谨态度所深深折服。”

2021年9月，投稿《科学》的论文第一次返修，评审人希望补充生物多样性的数据，华方圆带着自己课题组两位有相关数据汇总经验的组员又对数据进行了一次全面的筛选和梳理。但华方圆还是有一个顾虑：“这篇文章采用的荟萃分析（meta-analysis）方法毕竟不是常规方法，如果被《科学》接受后，又发现数据分析有问题怎么办？”

为此，华方圆给澳大利亚一位做荟萃分析的日本裔专家写信，希望他能帮忙把一下关。“Nakagawa教授是这个领域的标杆人物。从他发表文章的记录来看，他的日程应该是非常繁忙的，所以我只是抱着试试看的心态。”令华方圆惊喜的是，Nakagawa教授很快就回信了，表示很乐意帮忙。他还提到，在这样顶级的期刊发表文章，保证分析方法得当是作者的一个重大责任，而他愿意帮助这个责任的履行。华方圆原本希望得到的一个小时通话时间实际接近两个小时。“这完全是素不相识的同行给予的仗义相助，我特别地感激。很欣慰的是，我们的分析方法得到了行业标杆的首肯。”

好事多磨，当这篇文章在2021年底第二次返修的时候，评审人提了一个比较棘手的统计学问题，就是荟萃分析中评估异质性的问题。“在常规的荟萃分析中是有方法进行异质性评估的，但我们所用的非常规分析没有任何现成的方法可用。我当时跟要好的同事开玩笑说，这个问题已经不是凡人能够解决的了，必须得‘大神’出场相救。”华方圆再次求助于Nakagawa教授，写信邀请他作为文章的合作者。“他真是特地为我们这个分析开发了一套算法。我非常感激，也觉得很幸运。回头去看，我们这个课题团队是慢慢地演变出了一个明星阵容。除了上面提到的两位专家，还有我在剑桥大学的合作导师、英国好几所大学的同行、巴西的森林恢复专家，以及后来陆续加入的澳大利亚、智利等国家和地区的研究人员。”

数据整合还是野外研究？

华方圆带领研究团队历时4年多，收集整理了大量已有的文献证据，进行数据汇总、整合分析，研究了不同森林恢复方式的生物多样性、生态系统服务贡献及其权衡关系。

森林恢复的方式大致可分为种植较为单一的人工林和恢复天然森林两大类。华方圆告诉记者：“我们首次从‘多种红利’的视角，构建和分析了现有最完备的人工林与天然林配对数据集。”结果表明，天然林在保护生物多样性以及地表碳存储、土壤保持、水源涵养这3种面向环境的生态系统服务方面都比人工林成效更好。但是有限的现有数据显示，人工林在木材生产功能上的成效明显优于天然林。

“这些发现提示，如果森林恢复的主要目标是生态益处，那么即使不从生物多样性的考虑出发，我们也应该优先恢复天然林。而人工林则可以通过保护其他有更高生态成效的天然林，使其免于用作木材生产及其带来的生态代价，从而间接地提供生态益处。”华方圆表示，这些研究结果对全球森林恢复的政策制订具有重要的参考意义，也解答了她数年前有关退耕还林土壤保持有效性和生物多样性保护困境的困惑：以水土保持为主要目标的森林恢复项目，最应该恢复的是同时有益于生物多样性的天然林。

文章能在《科学》发表，对华方圆来说当然是一件高兴的事情。但是高兴之余，她也有一丝隐忧。“我担心年轻的学生们看到这篇文章，以及很多发表在高影响力期刊上的荟萃分析文章后，会觉得数据整合是发好文章的捷径，由此轻视野外或一手研究。”华方圆说，事实上，这些荟萃分析文章得以产生的最重要原因，是大量的科研工作者经年累月地通过收集一线的实证数据，为人类提供对自然、对世界的科学认知。“何况很多好的科学问题，是需要有野外或一线的亲身经历才能看到和想到的。我自己长期以来都是以野外研究为主，我也要求组里学生和博士后的工作必须包含野外研究。对生态学这门学科而言，第一手的实证数据才是我们对自然世界最终的知识来源。”

华方圆在印尼苏门答腊做博士论文野外研究

华方圆也听到过一些对荟萃分析的鄙夷看法，大意是，要是没什么课题可做了，大不了可以去做荟萃分析。但华方圆认为，真正有影响力、有用的荟萃分析必然是由好的问题驱动的。并且，好的问题其实永远不缺。“虽然这篇文章发表了，但其实还有一系列很有意思的问题值得进一步去挖掘。像我们做应用研究的，好问题的来源是基于对应用需求的理解和把握。”华方圆表示，不论哪个领域的研究者，都首先要对自己的领域有比较全面深入的理解，保持积极思考的习惯，并且及时追踪领域知识的前沿，同时要思考如何推动前沿向前发展。

谈及大团队的组建和合作，华方圆最大的感受是：不要害羞或者害怕，而是要勇于主动跟同行联系和交流，哪怕是比你资深很多的人。“很多国际同行都有开放的心胸，我们只要去寻找机会、抓住机会，就有很大的可能实现国际合作。”正是华方圆对生态保护、对科学研究的热情，以及她在科研上显示出的能力，吸引了来自不同国家地区、不同学科的研究人员共同完成了这一项目。

（采访：张宁、宁韶华、陈家琪；本文图片由受访者提供，人物特写由宁韶华摄影。）

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