郁郁葱葱的树冠是地球上大部分森林的显着特征。但是形成树冠的物种可能特别容易受到干扰和环境变化的影响。所以问题是：没有树木的森林是什么?
加州大学圣巴巴拉分校海洋科学研究所 (MSI) 和弗吉尼亚大学的一篇新论文试图通过研究海带森林的生产力在其最大物种消失时如何变化来解决这个问题的一部分。经过 10 年的清除实验，研究人员发现，虽然较小的林下藻类确实利用了更明亮的条件，但他们无法弥补世界上最大的藻类——巨型海带的缺失而造成的生产力损失。该研究发表在《生态快报》上，仅涵盖森林生态学的一个方面;然而，它揭示了树冠形成物种的根本重要性。
森林冠层执行许多功能。它形成栖息地，创造小气候，提供食物等等。林下不能填补所有这些不同的角色，但有一个地方可以弥补树冠的损失：初级生产，即在一个给定的时间内从阳光中产生的有机碳植物和藻类的数量。给定的区域。
所有这些生物都在进行光合作用。MSI 的研究生物学家、资深作者丹·里德 (Dan Reed) 说：“在没有树冠的情况下，森林地面上的林下植被可能会吸收所有光线并且同样具有生产力。”
有了一个假设，该团队设计了一个实验。他们将通过清除森林斑块上的树冠来模拟自然干扰造成的条件，例如海洋风暴和热浪。然后他们将记录到达森林地面的光量以及暴露的林下产生的生物量。由于巨型海带生长和死亡的速度非常快，研究人员能够观察 10 年间的许多干扰和恢复周期。里德说，在陆地森林中进行类似的研究可能需要数十年或数百年的时间。
幸运的是，一个理想的试验台就在离岸几百米处：由加州大学圣巴巴拉分校管理的圣巴巴拉海岸长期生态研究项目 (SBC LTER)。该站点是美国国家科学基金会 LTER 网络的一部分，该网络旨在调查更长时间跨度的生态过程。
在各种条件下进行研究很重要，因此该团队在圣巴巴拉海峡的五个不同地点进行了实验。有些是藻类生长的理想选择，有大量坚硬的表面可供海藻生长，而很少有海胆渴望吃掉它。与此同时，其他地点有更多的海胆和沙质基质，这些地方是海藻的贫瘠之地。
科学家们在每个地点划定了三个地块。将单独留下一个作为对照。第二个将每年清除巨型海带，这将模拟冬季的膨胀和风暴潮，可以连根拔起森林冠层。最后的情节将每季度清除一次，为研究人员提供当巨型海带完全不存在时会发生什么的图片。随着海洋条件的变化，这在未来可能会变得更加普遍。
为了避免篡改实验，该团队使用非破坏性方法来估计藻类的生长和生产力。研究人员经过五年的测量和收集样本以比较其准确性并改进其技术后开发了这些方法。他们能够建立生物量与大约 30 种不同物种的冠层覆盖或藻类大小等指标之间的关系。
计算这些分析的生产力需要建立在更多过去的工作基础上。MSI 的合著者 Robert Miller 和 Shannon Harrer 开发了一种生物光学模型，可以预测特定光量下海藻的生产力。通过提供来自现场的模型光和生物量数据，该团队计算了给定时间段内的生产力。
在为期 10 年的研究过程中，研究人员发现冠层的生产力逐渐下降，而林下藻类的生产力呈指数增长，尤其是在优质栖息地。正如预期的那样，他们还看到了更频繁的树冠移除带来的更强烈的影响。也就是说，对林下林木的提升无法完全弥补失去的树冠生产力。
当巨大的海带被移除时，突然有充足的光线和空间让林下藻类生长。增加的光线应该会促进茂密的森林地面，这可能会弥补失去的树冠。然而，数据表明巨型海带的生产力非常惊人，以至于即使在理想条件下，林下藻类也无法弥补差异。
“这是一个重要的发现，”哈勒说。“当我们评估干扰对生态系统功能的影响时，它强调了考虑场地层面因素的重要性。”
尽管林下可以弥补树冠造成的部分生产力损失，但这并不意味着生产力的命运将与以前相同。例如，许多生长在森林中的巨型海带最终被冲到海滩上。“南加州拥有世界上一些海滩生物多样性最高的地区，”米勒说，“这是因为巨型海带是海滩残骸最重要的来源。” 其他海藻根本无法扮演这个角色。
该团队预计在陆地森林中也会出现类似的动态。减少大树的数量可以使森林的林下生长更多。在新的、更扰乱的生态系统中，快速生长的机会主义物种可能会取代形成树冠的巨人。
这就是长期研究的价值，主要作者 Max Castorani 解释说，他之前在 MSI 工作，现在是弗吉尼亚大学的助理教授。“这些变化需要时间来发展，即使是在像海藻森林这样真正充满活力、快速增长的环境中，”他说。“大多数实地研究不到三年。如果我们只进行几年的实验，我们就会错过这些巨大的变化并得出不同的结论。”
随着气候的持续变化，结果对未来具有影响。更强和更频繁的风暴、温暖的海水和海洋化学的变化可能为巨型海带创造不利条件。气候变化和人类活动也威胁着陆地上的森林，可能会改变生态系统的生产力和生物量，以及不同物种之间复杂的相互作用。
该团队于 2018 年停止从实验地块中去除海带，但继续监测这些地点并跟踪生态系统在恢复时如何变化。他们计划调查环境和放牧变化的影响。一项新的长期实验还将研究无脊椎动物和林下藻类之间的竞争性相互作用。
“海带森林在沿海环境中发挥着至关重要的作用，并为社会带来许多好处，”卡斯托拉尼说。“我们需要像这样的长期实验来了解未来的生态系统将如何在不断变化的海洋中发挥作用。”
