植物功能性状研究进展

植物功能性状是指植物体具有的与其定植、存活、生长和死亡紧密相关的一系列核心植物属性,且这些属性能够显著影响生态系统功能,并能够反映植被对环境变化的响应.越来越多的研究表明,相比大多数基于植物分类和数量的研究,植物功能性状在种群、群落和生态系统尺度上,都已成为解决重要生态学问题的可靠途径.本文回顾了植物功能性状研究的发展历程,总结了近10年来基于植物功能性状研究的前沿科学问题,包括功能性状的全球分布格局和内在关联,沿环境梯度的变化规律,功能多样性的定义及应用,与群落物种共存机制和群落动态变化的关系,与系统发育的关系,对生态系统功能的影响以及对各类干扰的影响和响应.尽管功能性状研究已经延伸到生态学领域的各个方面,有力推动了各个前沿科学问题的研究发展,仍然有很多值得关注和着重研究的方向.本文也对未来基于植物功能性状的研究,从性状测量和选取、研究方法以及研究方向上提出了展望,并指出,在当前全球气候变化背景下,功能性状也可应用于指导生物多样性保护和生态系统管理政策的制定.     

被子植物性系统的多样性、生态功能及分布规律

性系统是被子植物繁育系统的核心, 决定着植物种群的遗传特征、进化方向与速度, 在种群动态、群落结构及生态系统的构建与维持中具有重要意义。本文回顾了被子植物性系统的发展历程及研究方向, 总结了近30年基于性系统研究的前沿科学问题, 包括性系统的多样性和进化、与其他功能性状的生态关联、沿环境梯度的分布格局及变化规律、与群落物种共存机制和群落动态的关系及其对干扰的响应。尽管有关植物性系统的研究已经延伸到生态学领域的诸多方面, 有力地推动了各方面的发展, 但仍有很多值得关注和需要着重研究的方向和问题。本文对未来基于植物性系统的研究方向等提出了展望, 并指出, 在当前全球气候变化背景下, 性系统可作为重要的功能性状应用于指导生物多样性保护和生态系统管理政策的制定。     

微生物生态学理论框架

微生物是生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与所有的生态过程。微生物生态学是基于微生物群体的科学,利用微生物群体DNA/RNA等标志物,重点研究微生物群落构建、组成演变、多样性及其与环境的关系,在生态学理论的指导和反复模型拟合下由统计分析得出具有普遍意义的结论。其研究范围从基因尺度到全球尺度。分子生物学技术的发展,使人们可以直接从基因水平上考查其多样性,从而使得对微生物空间分布格局及其成因的深入研究成为可能。进而可以从方法学探讨微生物生物多样性、分布格局、影响机制及其对全球变化的响应等。在微生物生态学研究中,群落构建与演化、分布特征(含植物-微生物相互关系)、执行群体功能的机理(生物地球化学循环等)、对环境变化的响应与反馈机理是今后需要关注的重点领域。概述了微生物生态学的概念,并初步提出其理论框架,在对比宏观生态学基础理论和模型的基础上,分析微生物多样性的研究内容、研究方法和群落构建的理论机制,展望了今后研究的重点领域。     

植物功能生物地理学的研究进展与展望

功能生物地理学研究性状及其多样性的时空分布变化、生态成因及其对生态系统功能的影响。近十来年,功能生物地理学领域发展迅速,性状数据呈指数增长,基于性状探索物种分布、群落结构和组成以及生态系统功能对环境变化响应的研究取得了重要进展。该文综述了植物功能生物地理学的核心内涵、发展历史、主要研究进展和未来展望。性状是功能生物地理学的研究核心,该文先总结了植物叶、茎、根、花、果实和种子等器官和整株关键性状的地理格局及其与环境间的关系,表明性状变异是植物适应进化和环境筛选的结果;概述了功能多样性的常用指标、地理分布与生态成因;介绍了性状数据的主要来源与性状缺失值的填充方法。随后,综述了植物性状间的关联与权衡,重点介绍了叶经济谱和植物经济谱的发展,指出其反映了植物对关键资源(如碳、养分和水分)的获取与分配策略;概述了基于性状预测物种分布的依据与进展,以及性状多样性与生态系统功能间的关系。在此基础上,提出了功能生物地理学研究所面临的挑战,强调未来研究要关注多性状在种内和种间的协同与权衡关系,将研究精度从物种水平推进到个体水平,采用性状网络等方法定量化性状间的关系及其对环境变化的响应,关注植物跨尺度的适应...     

土壤微生物多样性海拔格局研究进展

生物多样性的海拔分布格局与维持机制是生物多样性与生态系统功能研究的热点领域。相比动植物多样性海拔分布格局,土壤微生物多样性海拔分布格局的研究还处在起步阶段。近年来,随着以罗氏454、Illumina Mi Seq等为代表的高通量测序平台的发展,土壤微生物海拔梯度分布格局的研究进展较快。对土壤微生物多样性海拔分布格局最新研究综述发现,土壤微生物海拔分布模式并不明确,表现为无趋势、下降、单峰或者下凹型等多种海拔分布模式。这与大型动植物并不相同,暗示其驱动机制可能存在一定的差异。微生物由于其个体微小、扩散能力强以及较高的多样性和个体丰度而在局域尺度上可能更易受到气候环境因素的影响。土壤pH、碳、氮等因子是影响微生物多样性和群落组成在海拔梯度上变异的重要因素。此外,温度和降水也具有重要作用。另外,除微生物自身属性以及取样限制外,测序深度可能是影响土壤微生物物种丰富度海拔分布格局的重要因素。目前,对土壤微生物群落的研究在功能基因、群落构建机制以及生态学理论的验证方面还存在着不足。未来的研究应进一步加大测序深度,增加取样密度,着重关注全球气候变化及生物多样性丧失背景下土壤微生物群落的构建和维持机制及其生态系统功能等方面。     

黄土丘陵区植物功能性状的尺度变化与依赖

研究植物功能性状随环境梯度的变化规律和性状间的相关性,对于认识不同环境梯度下群落构建和植物对环境的响应具有重要意义。以黄土丘陵区为研究区,调查了研究区内的32个样方的物种组成,测量了研究区内98种地带性植物的叶面积(LA)和比叶面积(SLA)两个功能性状值,并运用性状梯度分析法对这两个功能性状进行组分分解。结果表明:(1)随着水热环境梯度增大(降水增加,温度升高),物种叶面积逐渐增大,比叶面积逐渐减小;(2)在群落间,比叶面积按照乔木—灌木—草本顺序依次增大,且草本群落和灌木群落的生态位宽度较乔木的大,即在延河流域草本与灌木群落比乔木群落有着更广泛的分布。在群落内,物种相对于共生物种的比叶面积的变化大于沿着群落平均比叶面积梯度的变化;(3)叶面积和比叶面积两性状的相关性在群落间的依赖性比相对其共生物种群落内的依赖性要强,物种在群落内和群落间采取不同的适应策略来适应群落环境。     

基于功能性状的生态系统服务研究框架

功能性状通过影响生态系统的属性和过程及其维持来影响生态系统服务。功能多样性-生态系统功能关系的研究有助于深入探讨生态系统服务形成机制, 也为生态系统服务研究提供了一个切入点。该文对目前的功能性状和生态系统服务研究框架进行了介绍, 回顾了功能多样性-生态系统功能关系的研究现状, 总结了目前功能性状在生态系统服务研究中的应用, 提出了基于功能性状的生态系统服务研究框架。在这个研究框架中, 首先选取对生态系统功能影响显著的非生物因子和功能多样性指数, 然后量化非生物因子和功能多样性与生态系统功能, 以及生态系统功能-生态系统服务之间的关系, 进而构建功能多样性与生态系统服务的数量关系。与此同时, 利用群落构建理论和物种共存机制分析功能多样性-生态系统功能变化的机制联系, 以研究生态系统服务形成和变化机制, 为生态系统服务管理决策提供科学依据。     

种间互作网络的结构、生态系统功能及稳定性机制研究

生态群落中不同物种间发生多样化的相互作用, 形成了复杂的种间互作网络。复杂生态网络的结构如何影响群落的生态系统功能及稳定性是群落生态学的核心问题之一。种间互作直接影响到物质和能量在生态系统不同组分之间的流动和循环以及群落构建过程, 使得网络结构与生态系统功能和群落稳定性密切相关。在群落及生态系统水平上开展种间互作网络研究将为群落的构建机制、生物多样性维持、生态系统稳定性、物种协同进化和性状分化等领域提供新的视野。当前生物多样性及生态系统功能受到全球变化的极大影响, 研究种间互作网络的拓扑结构、构建机制、稳定性和生态功能也可为生物多样性的保护和管理提供依据。该文从网络结构、构建机制、网络结构和稳定性关系、种间互作对生态系统功能的影响等4个方面综述当前种间网络研究进展, 并提出在今后的研究中利用机器学习和多层网络等来探究环境变化对种间互作网络结构和功能的影响, 并实现理论和实证研究的有效整合。     

植物群落构建机制研究进展

群落构建研究对于解释物种共存和物种多样性的维持是至关重要的,因此一直是生态学研究的中心论题。尽管近年来关于生态位和中性理论的验证研究已经取得了显著的成果,但对于局域群落构建机制的认识仍存在很大争议。随着统计和理论上的进步使得用功能性状和群落谱系结构解释群落构建机制变为可能,主要是通过验证共存物种的性状和谱系距离分布模式来实现。然而,谱系和功能性状不能相互替代,多种生物和非生物因子同时控制着群落构建,基于中性理论的扩散限制、基于生态位的环境过滤和竞争排斥等多个过程可能同时影响着群落的构建。所以,综合考虑多种方法和影响因素探讨植物群落的构建机制,对于预测和解释植被对干扰的响应,理解生物多样性维持机制有重要意义。试图在简要回顾群落构建理论及研究方法发展的基础上,梳理其最新研究进展,并探讨整合功能性状及群落谱系结构的研究方法,解释群落构建和物种多样性维持机制的可能途径。在结合功能性状和谱系结构研究群落构建时,除了考虑空间尺度、环境因子、植被类型外,还应该关注时间尺度、选择性状的种类和数量、性状的种内变异、以及人为干扰等因素对群落构建的影响。     

微生物物种多样性、群落构建与功能性状研究进展

微生物主要包括细菌、真菌、古菌、病毒等类群, 是地球上出现时间最早、分布最广泛、个体数量最多, 以及物种和基因多样性十分丰富的生物类群。为了适应各种生境, 微生物衍生出腐生、寄生、共生等多样的生存策略, 在生物地球化学循环、生态系统演替与稳定性、环境修复以及人类健康等方面发挥着重要作用。传统的微生物监测方法限制了我们对微生物多样性的认知; 但是, 近年来高通量测序技术和生物信息学的发展极大推动了微生物多样性的研究进展。本文概述了近年来在微生物多样性分布格局与维持、群落构建以及功能属性多样性的最新进展; 总结分析了细菌、古菌、真菌的多样性纬度分布格局及其驱动因子, 选择、扩散、成种、漂变等过程对细菌、古菌、真菌的群落构建的贡献, 以及细菌和真菌的形态、生理生化、生长繁殖、扩散、基因组等功能性状的多样性; 提出了未来微生物多样性研究的重要领域: 环境宏真菌组研究, 微生物多样性与生态系统多功能性的关系研究, 以及微生物互作网络的生态功能研究。     

绿弯菌的研究现状及展望

绿弯菌是一个深度分支的门级别细菌类群,广泛分布于生物圈各种生境。现已生效发表的绿弯菌构成9个纲,但仅包含56个种;基于分子生态学的研究结果表明尚有大量绿弯菌类群仍是未培养状态。绿弯菌形态多样,营养方式和代谢途径十分丰富,参与了C、N、S等一系列重要生源元素的生物地球化学循环过程。研究该类群不仅有助于认识环境中微生物的多样性及其代谢特征,从而更好的理解微生物参与的生态学过程,还有助于揭示微生物对环境的适应及其进化。本文主要综述了绿弯菌的发现历史、营养、代谢及其在元素循环中的作用,并总结了其分离培养和潜在应用价值,最后展望了未来的研究方向,旨在为深入探究绿弯菌的进化、培养和驱动地球化学元素循环等研究提供参考。     

甲虫群落构建研究进展

甲虫作为节肢动物中一个庞大的类群,具有繁简各异的生活习性,在生态系统中发挥极为重要的作用.甲虫群落构建是群落生态研究的重要内容之一,可揭示不同生态环境下生物多样性的形成与维持机制.现阶段对甲虫群落构建的研究主要通过物种的功能性状,或将系统发育结构与物种功能性状相结合的方法,对群落构建过程进行解析,用以判断主要的驱动因素...     

水分条件变化对土壤微生物的影响及其响应机制研究进展

土壤微生物在维持陆地生态系统服务中扮演着重要的角色.土壤水分条件是影响微生物活性与生态系统功能的重要因素之一,全球气候变化所引起的极端干旱与降雨必将加速土壤水分的剧烈变化.由于不同土壤微生物对干旱胁迫的耐受性不同及其对水分变化的响应差异,使得土壤水分条件变化直接改变了土壤微生物活性与群落结构,进而对微生物介导的关键过程与土壤生态系统功能造成深刻的影响.因此,全面深入地理解水分条件变化下土壤微生物群落的结构变化特征与响应机制具有重要意义.本文在总结土壤水分条件变化对土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构的影响的基础上,进一步阐述了土壤微生物对干旱胁迫与水分条件变化的响应机制和生态学策略,包括: 1)积累胞内溶质、产生胞外聚合物、进入休眠状态等应对干旱胁迫的细胞生理策略;2)微生物之间、微生物与植物之间相关抗逆性基因的转移及土壤微生物群落的功能冗余等应对水分变化的微生物机制.研究水分条件变化下土壤微生物群落结构及生态系统功能之间的内在联系,不仅有助于进一步剖析微生物介导的土壤生态过程,而且能够为今后陆地生态系统对气候变化的响应研究和模型预测提供理论依据.     

土壤动物肠道微生物多样性研究进展

随着分子生物学技术方法的快速发展,动物肠道微生物已成为医学、动物生理学与微生物生态学等研究领域热点。土壤动物种类繁多,分布广泛,其作为陆地生态系统重要组分,是驱动生态系统功能的关键因子。土壤动物体内的微生物由于与宿主长期共存,在与宿主协同进化中形成了丰富多样的群落结构,能够影响土壤动物本身的健康,进而介导土壤动物生态功能的实现。近些年,土壤动物肠道微生物工作方兴未艾,日渐得到重视。总结了四个部分内容：1)首先总结了土壤动物肠道微生物多样性领域的研究现状,该领域年发文量逐年增长,且近十年增长快速。土壤模式生物肠道微生物多样性研究较多且更为深入。土壤动物肠道微生物多样性组成与驱动机制、共存机制及群落构建的理论研究是该领域前沿;2)进而展示了土壤动物肠道微生物多样性组成和研究方法,土壤动物肠道菌群组成以变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门为主。早期工作基于传统分离培养,近年来新一代测序技术推动了该领域发展;3)接着关注了土壤动物肠道微生物的生态学功能,总体上体现在肠道微生物能帮助宿主分解食物基质、参与营养利用、影响寿命和繁殖及提高宿主免疫能力,且其能够影响土壤动物的气体排放及介导其对生态系...     

生态学的多样性指数:功能与系统发育

生物多样性是生态学的核心问题。传统的多样性指数仅包含物种数和相对多度的信息,这类基于分类学的多样性指数并不能很好地帮助理解群落构建和生态系统功能。不同物种对群落构建和生态系统功能所起到的作用类型和贡献也不完全相同,且物种在生态过程中的作用和贡献往往与性状密切相关,因此功能多样性已经成为反映物种群落构建、干扰以及环境因素对群落影响的重要指标。同时,由于亲缘关系相近的物种往往具有相似的性状,系统发育多样性也可以作为功能多样性的一个替代。功能多样性和系统发育多样性各自具有优缺点,但二者均比分类多样性更能揭示群落和生态系统的构建、维持与功能。     

Optimizing ecosystem function by manipulating pasture community composition

The ability to design plant communities to optimize particular ecosystem functions and thus more effectively provide ecosystem services would improve all types of ecosystem management, including agriculture. We propose a novel quantitative multi-step method for selecting mixtures of plant species to meet ecosystem objectives: collecting trait data; identifying suites of traits related to relevant community processes; relating those processes to the ecosystem functions of interest; optimizing the planted mixture; and evaluating trade-offs. This approach was tested using planted mixtures of 14 grassland species common in managed pastures of the northeastern United States. Ordination of trait data from greenhouse and small plot studies was used to relate species traits to community processes, followed by generalized additive modeling to relate community-weighted mean process scores to field estimates of biomass production and resistance to invasion. Multi-criteria optimization identified seed mixtures that maximized or minimized selected ecosystem functions, facilitating quantification of trade-offs in processual ability within species and between ecosystem functions at the community level. In this study, predicted seasonal and annual biomass values were within expected ranges, but the optimal mixtures differed from forage mixtures traditionally planted in the northeastern United States. Perennial ryegrass was the most commonly-selected grass. Legumes were represented less than expected, possibly due to attributes such as longevity and forage quality that are important in pastures but were not directly included in the optimization. Ecosystem function was not linearly related to species richness. While further research on quantitatively relating species traits and community processes is needed, multi-criteria optimization offers a new path for linking ecosystem function to ecosystem management.     

Effects of species evenness and dominant species identity on multiple ecosystem functions in model grassland communities

Ecosystems provide multiple services upon which humans depend. Understanding the drivers of the ecosystem functions that support these services is therefore important. Much research has investigated how species richness influences functioning, but we lack knowledge of how other community attributes affect ecosystem functioning. Species evenness, species spatial arrangement, and the identity of dominant species are three attributes that could affect ecosystem functioning, by altering the relative abundance of functional traits and the probability of synergistic species interactions such as facilitation and complementary resource use. We tested the effect of these three community attributes and their interactions on ecosystem functions over a growing season, using model grassland communities consisting of three plant species from three functional groups: a grass (Anthoxanthum odoratum), a forb (Plantago lanceolata), and a N-fixing forb (Lotus corniculatus). We measured multiple ecosystem functions that support ecosystem services, including ecosystem gas exchange, water retention, C and N loss in leachates, and plant biomass production. Species evenness and dominant species identity strongly influenced the ecosystem functions measured, but spatial arrangement had few effects. By the end of the growing season, evenness consistently enhanced ecosystem functioning and this effect occurred regardless of dominant species identity. The identity of the dominant species under which the highest level of functioning was attained varied across the growing season. Spatial arrangement had the weakest effect on functioning, but interacted with dominant species identity to affect some functions. Our results highlight the importance of understanding the role of multiple community attributes in driving ecosystem functioning.     

A phylogenetic and trait‐based analysis of community assembly in a subtropical forest in central China

Despite several decades of study in community ecology, the relative importance of the ecological processes that determine species co‐occurrence across spatial scales remains uncertain. Some of this uncertainty may be reduced by studying the scale dependency of community assembly in the light of environmental variation. Phylogenetic information and functional trait information are often used to provide potentially valuable insights into the drivers of community assembly. Here, we combined phylogenetic and trait‐based tests to gain insights into community processes at four spatial scales in a large stem‐mapped subtropical forest dynamics plot in central China. We found that all of the six leaf economic traits measured in this study had weak, but significant, phylogenetic signal. Nonrandom phylogenetic and trait‐based patterns associated with topographic variables indicate that deterministic processes tend to dominate community assembly in this plot. Specifically, we found that, on average, co‐occurring species were more phylogenetically and functionally similar than expected throughout the plot at most spatial scales and assemblages of less similar than expected species could only be found on finer spatial scales. In sum, our results suggest that the trait‐based effects on community assembly change with spatial scale in a predictable manner and the association of these patterns with topographic variables, indicates the importance of deterministic processes in community assembly relatively to random processes.     

Functional structure of biological communities predicts ecosystem multifunctionality

The accelerating rate of change in biodiversity patterns, mediated by ever increasing human pressures and global warming, demands a better understanding of the relationship between the structure of biological communities and ecosystem functioning (BEF). Recent investigations suggest that the functional structure of communities, i.e. the composition and diversity of functional traits, is the main driver of ecological processes. However, the predictive power of BEF research is still low, the integration of all components of functional community structure as predictors is still lacking, and the multifunctionality of ecosystems (i.e. rates of multiple processes) must be considered. Here, using a multiple-processes framework from grassland biodiversity experiments, we show that functional identity of species and functional divergence among species, rather than species diversity per se, together promote the level of ecosystem multifunctionality with a predictive power of 80%. Our results suggest that primary productivity and decomposition rates, two key ecosystem processes upon which the global carbon cycle depends, are primarily sustained by specialist species, i.e. those that hold specialized combinations of traits and perform particular functions. Contrary to studies focusing on single ecosystem functions and considering species richness as the sole measure of biodiversity, we found a linear and non-saturating effect of the functional structure of communities on ecosystem multifunctionality. Thus, sustaining multiple ecological processes would require focusing on trait dominance and on the degree of community specialization, even in species-rich assemblages.