气候变化下的植树造林方案

位于陕西省黄陵县轩辕寺医院的黄帝手植柏树毛剑峰研究小组提供了图片。

毛剑锋研究小组的一些成员提供了图纸。

气候变化对森林、草原和其他生态系统有着深远的影响。森林作为陆地生态系统的主体，已经成为研究的焦点。气候变化将如何影响森林？

北京林业大学森林分子设计与育种高级创新中心副教授毛剑锋告诉《中国科学日报》，气候变化对森林的潜在影响是巨大的。由于不适应气候变化的病虫害，森林可能在几年内被完全摧毁。变化的气候将“折磨”植物，就像在温水中烹饪的青蛙。

最近，毛剑锋的研究小组基于基因组信息和人工智能算法，建立了森林应对未来气候变化的基因组模型。研究者以中国北方重要的生态造林树种侧柏为研究对象，建立了侧柏种群对未来气候变化的基因组响应模型。该模型有望为气候变化下的森林保护和种植提供建议。相关研究成果发表在《进化应用》杂志上。

树木承受气候变化

目前，世界正在经历快速的气候变化。这种气候变化的主要特征是气温上升、降水不均和极端天气条件增加。不幸的是，树木适应变化的速度比气候变化的速度慢得多。

“在气候变化下，森林树木可能有三种命运，要么是通过它们自己适应变化了的新气候环境的能力；要么跟随气候变化的趋势，迁移到他们适应的环境。无论是在恶劣的天气条件下，经济衰退都会导致物种灭绝。”该报通讯作者毛剑锋说。

毛剑锋补充说，气候变化的影响也可能是间接的。一个极端的例子是气候变化导致的极端干旱，这导致频繁的森林火灾，这可能会在瞬间摧毁大面积的森林。

一旦全球森林生态系统崩溃，整个陆地生态系统将受到威胁。制定有效的森林应对气候变化战略是国际林业界广泛关注的重要课题。国际森林联合会(国际林研联)设立了专门机构来协调和组织国家森林气候变化项目，倡导积极的应对战略并促进相关的技术措施。

毛剑锋表示，要建立应对气候变化的有效策略，首要任务是阐明气候变化对森林的影响以及树木如何应对未来的气候条件。

“在了解了树木如何应对未来气候的机制之后，人类可以找到那些受影响最严重的林区，然后采取适当的虫害控制、遗传育种或森林管理措施来监测森林生态系统是否稳定，或者采取适当措施来抚育和管理森林。

选择“长寿树”进行研究

森林里有许多种类的树。我们应该选择什么样的树种进行研究？“侧柏”第一次出现在研究小组的研究人员的脑海中。

侧柏耐旱、耐瘠薄、耐盐碱，具有显著的抗逆性。是我国北方多石山区和干旱地区造林绿化的首选树种，在黄河中下游水土保持和生态恢复中具有不可替代的利用潜力。

该论文的合著者、北京林业大学博士生贾说，侧柏是一种长寿树种。一百多年来，侧柏随处可见。陕西省黄陵县的“轩辕黄帝手植柏树”已有5000年的历史。然而，随着气候变化对森林影响的证据逐渐增加，侧柏的寿命可能会被分解。

几十年来，北京林业大学结合国内外研究力量，对侧柏的生物学特性、遗传机制、选种、生态效益、造林利用等进行了深入研究。在遗传育种方面，中国已初步完成侧柏遗传资源的收集，并已进行优良种源和家系的选择。然而，所选择的侧柏不一定适应该国不同地区的生态环境。

贾介绍说，树木往往具有地方适应性。同一树种在不同地理区域的适应性特征不同。当地的树木通常对它们原来的栖息地环境有最好的适应性。本地适应性在森林树种中很普遍。

毛剑锋说，基因组携带着物种遗传变异的密码。通过基因组信息，人类可以获得与树木适应性变异相关的遗传密码，准确评价不同地区树木的适应性特征和未来响应模式，从而建立侧柏应对气候变化的利用策略。

为此，研究人员在整个分布区进行了种群抽样，并利用简化的基因组测序技术获得了侧柏基因组的高质量遗传变异信息。在此基础上，阐明了侧柏在不同地理区域的遗传变异模式，并检测了侧柏与当地适应性相关的基因组特征。这为随后建立应对未来气候的预测模型做了必要的准备。

建立梯度森林模型

为了预测树木对未来气候的反应，研究人员找到了一个好帮手——人工智能算法。为了解决未来气候变化对森林人口的影响，研究人员开发了一个“梯度森林”模型。

论文作者之一、北京林业大学博士后赵薇举了一个例子。这个过程类似于人工智能算法预测和预测人类疾病潜在风险的过程。通过人类基因组信息，人工智能算法可以准确地发现与疾病相关的遗传变异。

在树木普遍具有局部适应性的前提下，研究者从全国各地获取侧柏的基因组信息，通过人工智能算法建立树木遗传变异与气候的对应关系，然后利用该模型预测树木在特定未来气候条件下的响应模式。

“这个模型有很好的预测能力。利用该模型，研究人员确定了未来气候变化情景下不同地理种群侧柏对气候变化响应的空间格局，为制定气候变化下侧柏种质资源的利用策略提供了参考赵薇说。

具体来说，侧柏作为抗逆性突出的树种，在未来的气候条件下种群将相对稳定，其中心分布区不会受到很大影响。分布区南北边缘的人口将面临更大的潜在压力，这需要加强控制。

赵伟说，这项研究是对森林气候变化基因组模型的重要尝试。该模型策略可应用于包括树木在内的其他物种，服务于森林管理、生物多样性保护等。根据该模型，人类可以提前知道哪些侧柏品种可能更适合变化的环境，并选择最适合造林的种质资源。

“在全球变暖的趋势下，以前适合在南方种植的侧柏品种可能更适合在北方种植。不管是不是这样，模型都会提前告诉人类答案。”赵薇说。

此外，类似模型的改进策略可用于农业领域，以选择最适合在特定未来气候条件下推广种植的品种，从而减少因不适合的气候条件而导致的减产。

相关论文信息:https://doi.org/10.1111/eva.12891