植树造林被广泛视为基于自然的气候解决方案，但不同造林策略是否都能长期增加土壤碳储量，并同步促进土壤微生物恢复，仍缺乏全球尺度证据。近期，西安交通大学吴一平教授团队在国际一流期刊《Nature Ecology & Evolution》发表了题为“Afforestation and reforestation support coupled gains in soil life and carbon storage worldwide”（全球范围内造林和再造林促进了土壤生命与碳储存的协同增益）的研究成果。研究整合六大洲1158组人工林样地发现，造林（Afforestation）可在百年尺度上持续增加土壤碳储量和微生物生物量，而再造林（Reforestation）在前三十年生态获益显著，之后相对恢复减缓。

 

 

        森林种植是全球生态恢复和气候减缓议程中的重要工具。随着联合国生态系统恢复十年、波恩挑战等倡议推进，全球已建立约2.91亿公顷人工林，未来还计划恢复或种植更多森林，用以增加碳汇、改善生态系统功能并提升人类福祉。森林种植主要包括两类路径：一是将原本非森林土地转化为森林的造林，二是在曾经有森林但被清除或扰动的土地上重新建立森林的再造林。二者都常被纳入气候和生态恢复政策，但其起点生态状态、土地利用历史和土壤遗留效应不同，因此不能简单假设其土壤碳和土壤生命恢复效果相同。因此当前全球森林恢复仍有三个关键不确定性：第一，造林和再造林对土壤碳储量的长期影响是否能够持续到几十年至百年尺度；第二，土壤碳变化是否与土壤微生物生物量同步，因为土壤碳也是土壤微生物生长的重要资源，而土壤微生物是地球上最丰富、最多样的生命类群之一；第三，不同前期土地利用、气候区和树种类型是否会改变造林效果。解决这些问题，对于判断植树造林是否真正能够作为可靠的自然气候解决方案，以及如何选择合适地点和策略，具有重要意义。

        针对以上问题，西安交通大学吴一平教授团队联合国内外科研人员，整合全球六大洲的1158组人工林样地，其中包括557组造林样地和601组再造林样地，系统评估了两种森林建设方式下土壤碳储量和微生物生物量随林龄变化的长期规律。研究首先显示，造林和再造林对土壤碳的长期影响具有明显差异。全球尺度上，造林相对于非森林基线平均使土壤碳储量增加54%，且这种正效应可持续至少100年，说明从退化地、农田或草地向森林转变后，长期凋落物、根系输入和土壤团聚体稳定化可持续推动土壤碳积累。再造林则使土壤碳平均恢复到原始森林水平的约82%，并在前三十年快速接近原始森林状态，估计恢复拐点约为30年；但在更老林分中，相对恢复效应减弱。这并不一定表示土壤碳下降，而更可能意味着早期恢复速度快，随后因碳输入趋缓、分解和微生物呼吸抵消增加，进一步接近原始森林状态变得更慢（图1）。

 

图1 全球造林与再造林样点分布及土壤碳长期变化趋势

        土壤微生物生物量与土壤碳储量表现出高度耦合变化。造林显著增加微生物生物量碳、氮、磷以及主要微生物类群丰度，并能在至少一个世纪尺度上维持较高微生物生物量；再造林则促进微生物生物量在早期快速恢复到接近原始森林水平，但老龄林分中相对恢复效应同样减弱。随机森林分析显示，无论造林还是再造林，土壤碳储量都是预测土壤微生物生物量变化的最重要变量；在控制气候、地理和土壤环境因子后，这种正相关仍然存在。这说明，土壤碳积累不仅是气候减缓收益，也为土壤微生物提供底物和栖息环境，从而推动“碳储存—地下生命”共同恢复（图2）。

 

图2 造林与再造林过程中土壤碳储量与微生物生物量的协同变化

不同前期土地利用和气候背景显著改变造林收益。对于造林而言，退化土地上的土壤碳和微生物生物量增幅最大，因为这些土地通常植被稀疏、有机碳输入低、微生物资源敏感性强，森林建立后更容易带来明显改善。相比之下，草地造林只带来边际土壤碳收益，且没有检测到微生物生物量显著变化；树种方面，混交林并未在土壤碳和微生物响应上稳定优于单一树种，说明混交林的地下生态收益具有明显情境依赖性，不能简单认为“混交一定更好”。气候区差异进一步说明，森林种植不应采用“一刀切”策略。造林在寒冷的北方地区土壤碳和微生物响应最弱，可能因为低温限制地下发育，也因为将天然非森林生态系统转为森林并不一定适宜；再造林在热带地区的土壤碳和微生物恢复最弱，反映出原始热带森林复杂地下系统一旦丧失后很难完全重建。干旱区在造林和再造林中都表现出较大地下收益，但研究岩队提醒，水分受限地区造林可能带来地下水消耗等权衡。环境机制分析显示，低初始土壤有机碳地区具有更大提升空间，较高土壤pH有利于土壤碳和微生物恢复，而气候、土壤和种植属性通过影响土壤碳变化进一步影响微生物生物量（图3）。

 

图3 环境因子对造林和再造林土壤碳与微生物响应的影响

全球空间预测进一步揭示了造林和再造林的潜在优先区域。随机森林模型显示，造林在全球尺度上具有明显长期地下收益，尤其是在退化或边际土地上；而再造林在大面积区域也具有较强恢复潜力。北欧和俄罗斯等北方地区造林收益相对有限，但再造林恢复潜力更强，提示在曾经为森林的北方系统中“重新造林”可能比盲目扩张森林更适合。相反，亚马逊、东南亚和热带非洲等热带地区再造林恢复较弱，进一步凸显保护完整热带森林的重要性：与其在破坏后尝试重建复杂地下碳库和微生物系统，不如优先避免原始森林丧失。作者也强调，这些地图适合识别广义空间格局，而局地造林实践还需要综合考虑水资源、土地利用和生物多样性等多重生态权衡，尤其不鼓励在高价值草地、农田或其他生态重要系统中盲目种树（图4）。

 

图4 全球造林与再造林土壤碳—微生物协同响应空间格局

该研究从全球长期尺度系统揭示了造林与再造林过程中土壤碳储量和微生物生物量的协同变化规律，表明造林能够在百年尺度持续促进土壤碳积累和微生物生物量增加，而再造林则能够在森林重新建立后的早期阶段快速推动地下生态系统恢复。研究进一步指出，退化土地具有较大的土壤碳和微生物协同恢复潜力。研究最重要的启示是，植树造林的气候收益不能只看树木地上生物量，还必须关注土壤碳和土壤生命的耦合恢复；同时，造林并非所有地方都适合，应优先在退化或边际土地上实施，并将保护完整热带森林、避免天然草地不当造林和水资源权衡纳入自然气候解决方案设计。

该研究成果以“Afforestation and reforestation support coupled gains in soil life and carbon storage worldwide”为题发表于国际生态学顶级期刊《Nature Ecology & Evolution》，为我校以第一单位在该刊发表的首篇研究论文。西安交通大学博士生孟泽昕为论文第一作者，吴一平教授为论文通讯作者。研究由西安交通大学联合中南林业科技大学、陕西关中平原区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站、莱比锡大学、柏林自由大学、西班牙国家研究委员会自然资源与农业生物学研究所、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、奥胡斯大学、西北工业大学、海南大学、中国科学院昆明植物研究所、南京信息工程大学、西悉尼大学等国内外科研机构共同完成，并得到国家自然科学基金等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41559-026-03183-2

文  字：孟泽昕

图  片：孟泽昕