草原灌丛化对生态系统多功能性的影响

草原灌丛化现象在干旱半干旱区广泛发生,影响了生态系统的结构、过程和功能。生态系统具有同时提供多种功能的能力,即生态系统多功能性。灌丛化是否会引起草原生态系统多功能性的减少,其内在的作用机制又是什么？这些问题仍有待明晰。理解草原灌丛化对生态系统多功能性的影响,对于促进草原地区"草-畜-人"平衡和实现区域可持续发展至关重要。从响应规律、影响路径和控制因素三个方面总结评述了草原灌丛化对生态系统多功能性影响的研究进展,主要包括:(1)阐明了单一生态系统功能和多种生态系统功能对草原灌丛化的响应特征;(2)从生物路径、非生物路径以及气候变化和人类活动的影响方面探讨了灌丛化对生态系统多功能性的影响路径;(3)从灌丛化物种、灌丛化阶段和草原类型三个方面明晰了草原灌丛化对生态系统多功能性影响的控制因素。在此基础上,针对灌丛化对生态系统多功能性的影响机制,对生产-生态功能权衡的影响等方面对未来研究进行了展望,并面向可持续发展目标探讨了灌丛化生态系统的可持续管理路径。研究可为我国灌丛化草原的恢复和管理提供支撑。     

云南松天然次生林物种丰富度与生态系统多功能性的关系

全球气候变化、森林采伐和生境破碎化导致全球生物多样性迅速下降,并对生态系统功能产生了严重的影响。近年来,生物多样性与生态系统功能的关系成为生态学研究的热点,但以往的研究多关注生物多样性与单一生态系统功能的关系,对生态系统尤其是森林生态系统多功能性的研究亟待加强。本文基于云南松(Pinus yunnanensis)天然次生林94个样地的调查数据,选取木本植物生物量、土壤有机碳含量、植物氮、植物磷、土壤全氮、土壤水解性氮、土壤全磷和土壤有效磷等8个生态系统功能变量,采用平均值法、单阈值法和多阈值法综合评价了云南松天然次生林物种丰富度与生态系统多功能性的关系及影响因子。结果表明:(1)云南松天然次生林物种丰富度与生态系统多功能性的关系强于它与单一生态系统功能间的关系;(2)在3–88%阈值范围内,物种丰富度对于多功能性具有显著正影响,在中等阈值水平(54%)上,物种丰富度效应最大,此时可能的最大物种丰富度作用实现百分比为53.53%;(3)云南松天然次生林中物种丰富度对多功能性的影响最大,表现为极显著正相关;年均气温、年均降水量和土壤p H对多功能性无显著直接影响,但均可通过对物种丰富度的影响而产生间接影响。物种丰富度对生态系统多功能性具有重要意义,但是物种数目的增加并不能保证所有功能均达到最佳状态,在中等功能水平时,物种数目的增加对多功能性的影响最大。     

生物多样性与生态系统多功能性的关系研究进展

生物多样性与生态系统功能关系是生态学研究的热点之一,以往研究多关注生物多样性与单一生态系统功能之间的关系,然而生态系统能够同时提供多种功能和服务即生态系统多功能性(ecosystem multifunctionality, EMF),仅考虑单一生态系统功能会低估生物多样性的重要性。近年来,EMF研究的重要性受到更多重视,生物多样性与生态系统多功能性(biodiversity and ecosystem multifunctionality, BEMF)关系成为生态学研究新的热点。梳理近15年的研究发现,不同维度、不同尺度的单一或多营养级生物多样性均会对EMF产生显著的影响,并且在全球变化的背景下,自然干扰与人为干扰均会影响生物多样性与生态系统多功能性从而改变BEMF关系,EMF测度方法的差异也可能导致BEMF关系的不一致。生物多样性维度(尺度)选择的局限、不同EMF测度方法的认知差异、BEMF时空数据库的缺乏以及BEMF关系研究方法的单一等问题阻碍了BEMF关系的深入探究。未来研究应对现有测度方法进行深入比较并发展通用的新方法,深入探究多维度、多尺度生物多样性对EMF影响的综合作用。此...     

生物多样性与生态系统多功能性: 进展与展望

全球变化和人类活动引起的生物多样性丧失将会对生态系统功能产生诸多不利影响, 如生产力下降、养分循环失衡等。因此, 始于20世纪90年代的生物多样性与生态系统功能(biodiversity and ecosystem functioning, BEF)研究一直是生态学界关注的热点。然而, 随着研究的深入, 人们逐步认识到生态系统并非仅仅提供单个生态系统功能, 而是能同时提供多个功能, 这一特性被称之为“生态系统多功能性” (ecosystem multifunctionality, EMF)。尽管有此认识, 但直到2007年, 研究者才开始定量描述生物多样性与生态系统多功能性(biodiversity and ecosystem multifunctionality, BEMF)的关系。目前, BEMF研究已成为生态学研究的一个重要议题, 但仍存在很多问题和争议, 如缺少公认的多功能性测度标准、生态系统不同功能之间的权衡问题等。本文概述了BEMF研究的发展历程、常用的量化方法、EMF的维持机制和不同研究视角下BEMF的关系。针对现有研究中的不足, 本文还总结了需要进一步深入研究的地方, 特别强调了优化EMF测度方法和研究不同维度生物多样性与EMF间关系的重要性, 以期对未来的BEMF研究有所帮助。     

Variation in the methods leads to variation in the interpretation of biodiversity–ecosystem multifunctionality relationships

生物多样性常常和生态系统多功能性(生态系统同时提供多个生态系统功能的能力)正相关。然而,生物多样性与生态系统多功能性的关系是否依赖于生态系统功能的数目有诸多争议。其中,生物多样性对生态系统多功能性的影响或许不随生态系统功能数目的变化而变化,或者随生态系统功能数目的增多而增强。我们期望通过研究不同生态系统多功能性指数的统计原理来解决这些争议。 我们使用了模型模拟和一系列来自不同空间尺度(从局域到全球)和不同生物群系(温带和高寒草地、森林和干旱地)的经验数据。我们回顾了量化生态系统多功能性的三种方法,包括平均值法、加和法和阈值法。我们发现随着生态系统功能数目的增加,生物多样性与生态系统多功能性的关系要么不变,要么增强。这些结果可由平均和加和的多功能性指数的统计原理来解释。具体来讲,当利用生态系统功能的平均值计算多功能性指数时,由于多样性对多功能性的效应等于多样性对单个生态系统功能效应的平均值,所以不会随生态系统功能数目的变化而变化。同样的道理,当利用单个生态系统的加和值计算多功能性指数时,多样性的效应会随着生态系统功能数目的增加而增强。我们提出了一个改进的多功能性指数,将平均或加和多功能性指数转化为标准化的多功能性指数, 以便于对不同研究的结果进行比较。此外,我们提出了基于变量数值范围的标准化方法来解决阈值法的数学假象问题(多样性效应随生态系统功能数目的增加而增强)。我们的研究结果表明,量化多功能性指数的方法不同,结果也不同。因此,有必要加深对不同方法数理基础的理解。而标准化的多功能性指数为比较不同研究中的生物多样性与生态系统多功能性的关系提供了有效的方法。     

稻田气体调节功能形成机制及其累积过程

生态系统服务功能在维持人类生存和发展的环境过程中发挥着重要的作用,研究生态系统服务功能形成机制以及人类活动的干扰如何影响生态系统功能和服务的实现是今后生态系统服务功能研究的一个重点。选取上海市奉贤县五四农场的一块农田生态系统,研究其气体调节功能形成和累积过程,同时研究人类干扰(施氮肥)对农田气体调节功能的影响。研究结果显示,施肥量对稻田气体调节功能形成和累积过程以及价值累积过程产生较大影响。在所有施肥处理中,施肥量最高的N 4处理提供最高的气体调节功能价值,为1.98×104yuan.hm-2。因此通过微观实验可以研究生态系统服务功能形成机制和累积过程,并可研究人类干扰造成生态系统服务功能物质量和价值量的变化。     

林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。     

植物功能性状对生态系统服务影响研究进展

全面认识和理解生态系统服务的形成机制是维持其持续供给的前提。植物功能性状直接参与多种生态系统过程, 影响生态系统服务供给, 探讨植物功能性状与生态系统服务的关系是揭示生态系统服务形成机制的重要途径。该文采用系统的文献综述方法, 分析了植物功能性状与生态系统服务关系的研究特点, 总结了影响不同生态系统服务的主要植物功能性状, 阐述了可能的影响途径。结果表明: 植物功能性状与生态系统服务关系研究以草地和森林等自然生态系统为主; 大部分研究集中在生态系统供给服务和支持服务, 包括生物量、净初级生产力、土壤肥力等; 根据植物功能性状对不同生态系统服务的影响程度, 植物功能性状可以聚类为土壤保持服务相关性状、水分循环相关性状、多功能相关性状、产品提供服务与养分循环相关性状以及授粉与生物控制服务相关性状; 并阐述了植物功能性状指标影响不同的生态系统服务途径。围绕植物功能性状对生态系统服务的影响, 今后尚需进一步探讨生态系统多功能性、植物功能性状相关性、气候变化和人类活动不确定性、时空尺度差异等因素对二者关系的影响。     

植物遗传多样性与生态系统功能关系的研究进展

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

生态系统多功能性的指标选择与驱动因子: 研究现状与展望

全球变化和人类活动正以空前的速度在世界范围内改变着生物多样性, 这导致了全球生物多样性的锐减以及生产力的下降、病虫害的增加和抗入侵能力的减弱等生态问题。近30年来, 生态学家开始对于生物多样性的持续丧失是否以及如何影响生态系统功能的问题越来越感兴趣, 生物多样性与生态系统功能(biodiversity and ecosystem functioning, BEF)关系的研究应运而生, 并成为生态学研究的热点之一。但长期以来, 研究者更多地关注单一生态系统功能, 而忽略了生态系统能够同时提供多种生态系统功能的能力, 即生态系统多功能性(ecosystem multifunctionality, EMF)。本文综述了EMF研究中功能指标的选择、生物多样性的不同维度、微生物多样性对EMF的影响以及其他非生物因子对EMF的驱动等进展。因只考虑单一功能可能会低估生物多样性对整体生态系统功能的影响, 故生物多样性与生态系统多功能性(BEMF)关系的研究成为BEF关系研究的重点。近年来, BEMF关系的研究发展较快, 在不同生态系统(包括水生、草地、森林、旱地、农业等)、不同研究尺度(从区域到全球尺度)、BEMF关系的驱动机制(从单一驱动机制到多种驱动机制共同作用)、研究方法(包括新概念以及新的量化方法的提出和应用)等方面均取得了新的进展。但仍有不足之处, 如对于EMF研究中功能指标的选取没有统一的标准、对地下微生物多样性的关注度不够、涉及多营养级水平下的BEMF关系研究较少、驱动EMF的机制仍存在争论等。未来应加强对于功能指标选取的标准研究, 综合分析地上、地下生物多样性以及非生物因子对EMF的整体影响, 加强生态系统多服务性(ecosystem multiserviceability, EMS)方法的研究和应用。     

树木年轮在干扰历史重建中的应用

干扰是影响森林生态系统结构和功能的重要因子,重建森林群落干扰历史可以掌握干扰发生的机制和规律,对森林经营有重要意义。年轮记载了树木逐年的生长历史,利用年轮可以重建不同尺度上干扰的时空格局,具有重建历史长、定年准确和材料容易获得的优点,是森林动态历史研究不可替代的资料。干扰对树木个体的影响可以分为伤害干扰和生长干扰两种类型。不同类型的干扰的特点和对树木的生长影响不同所以重建方法也不同,对树干造成直接伤害的干扰可以利用树干的疤痕重建,如火灾和泥石流等;生长干扰对树木的生长势造成影响,可以通过识别年轮中的生长抑制和释放发生和持续的时间来确定干扰的时间和强度。但是对破坏性的干扰事件要通过群落中个体的建成时间高峰来判断。欧洲和北美地区利用树木年轮重建森林干扰历史的研究已经很广泛,主要包括火灾、虫灾、地质灾害和气象灾害等干扰类型,在中国利用年轮重建群落干扰的研究还处于起步阶段。本文探讨了应用树木年轮重建不同森林干扰事件的方法,总结了不同的重建方法和干扰重建取得的进展,并指出了以后研究的方向,为以后的干扰重建提供了参考。     

亚热带森林生物多样性与生态系统功能实验研究基地(BEF-China)研究进展

生物多样性与生态系统功能的关系(BEF)及其内在机制是当前生物多样性研究领域的热点问题。长期以来,以草地生态系统为主的BEF研究积累了大量研究成果,而基于森林生态系统的相关研究则相对较少。亚热带森林生物多样性与生态系统功能实验研究基地(BEF-China)是目前包含树种最多、涉及多样性水平最高的大型森林控制实验样地。该文总结了基于BEF-China平台的研究进展,特别是生物多样性对生态系统生产力、养分循环以及多营养级相互作用关系等方面的影响,并提出了未来BEF-China的研究应注重高通量测序和遥感等新兴技术的应用,在生物多样性的多维度、生态系统的多种组分与多种功能以及BEF研究的多种尺度等交叉方向上持续开展深入研究。针对BEF-China研究成果的梳理有助于理解驱动亚热带森林生物多样性与生态系统功能关系的内在机理,为生物多样性保护和生态修复提供科学依据。     

流域水电开发对干热河谷社会-生态系统的影响及意义

西南干热河谷是我国重要生态脆弱区和经济发展落后区,流域大型水电开发是干热河谷重要的人类干扰活动,对生态脆弱区的社会-生态系统造成极大影响。社会-生态系统演变的方向和规律具有复杂性和非线性变化,又涉及到生态保护修复、能源安全、经济发展和乡村振兴等国家重大需求,因此,亟待加强流域社会-生态系统演变和驱动机制方面的研究。通过总结当前研究的进展和不足,提出了加强生态系统演变的长期监测和分析、深入研究流域社会经济演变规律和驱动机制、完善流域生态资产价值评估和生态补偿机制、构建流域社会-生态系统耦合理论与方法等对策建议,从而为脆弱生态区未来可持续发展提供科技支撑。     

Seagrass ecosystem multifunctionality under the rise of a flagship marine megaherbivore

Large grazers (megaherbivores) have a profound impact on ecosystem functioning. However, how ecosystem multifunctionality is affected by changes in megaherbivore populations remains poorly understood. Understanding the total impact on ecosystem multifunctionality requires an integrative ecosystem approach, which is especially challenging to obtain in marine systems. We assessed the effects of experimentally simulated grazing intensity scenarios on ecosystem functions and multifunctionality in a tropical Caribbean seagrass ecosystem. As a model, we selected a key marine megaherbivore, the green turtle, whose ecological role is rapidly unfolding in numerous foraging areas where populations are recovering through conservation after centuries of decline, with an increase in recorded overgrazing episodes. To quantify the effects, we employed a novel integrated index of seagrass ecosystem multifunctionality based upon multiple, well-recognized measures of seagrass ecosystem functions that reflect ecosystem services. Experiments revealed that intermediate turtle grazing resulted in the highest rates of nutrient cycling and carbon storage, while sediment stabilization, decomposition rates, epifauna richness, and fish biomass are highest in the absence of turtle grazing. In contrast, intense grazing resulted in disproportionally large effects on ecosystem functions and a collapse of multifunctionality. These results imply that (i) the return of a megaherbivore can exert strong effects on coastal ecosystem functions and multifunctionality, (ii) conservation efforts that are skewed toward megaherbivores, but ignore their key drivers like predators or habitat, will likely result in overgrazing-induced loss of multifunctionality, and (iii) the multifunctionality index shows great potential as a quantitative tool to assess ecosystem performance. Considerable and rapid alterations in megaherbivore abundance (both through extinction and conservation) cause an imbalance in ecosystem functioning and substantially alter or even compromise ecosystem services that help to negate global change effects. An integrative ecosystem approach in environmental management is urgently required to protect and enhance ecosystem multifunctionality.     

Testing the effects of diversity on ecosystem multifunctionality using a multivariate model

Most ecosystems provide multiple services, thus the impact of biodiversity losses on ecosystem functions may be considerably underestimated by studies that only address single functions. We propose a multivariate modelling framework for quantifying the relationship between biodiversity and multiple ecosystem functions (multifunctionality). Our framework consolidates the strengths of previous approaches to analysing ecosystem multifunctionality and contributes several advances. It simultaneously assesses the drivers of multifunctionality, such as species relative abundances, richness, evenness and other manipulated treatments. It also tests the relative importance of these drivers across functions, incorporates correlations among functions and identifies conditions where all functions perform well and where trade‐offs occur among functions. We illustrate our framework using data from three ecosystem functions (sown biomass, weed suppression and nitrogen yield) in a four‐species grassland experiment. We found high variability in performance across the functions in monocultures, but as community diversity increased, performance increased and variability across functions decreased.     

Multiple stressors and multifunctionality: limited effects on an illuminated benthic system

The bulk of experiments that study stressor effects on ecosystem functioning consider only individual functions one at a time, and such narrow focus may well bias our understanding of the overall impact on ecosystem functioning. We used data from six published experiments in which marine illuminated sediment systems were exposed to nutrient enrichment, toxicants, sedimentation and warming, either alone or in combination. Measured functions were primary production, community respiration, inorganic nitrogen and phosphorus fluxes, and autotrophic biomass. We calculated two indices of multifunctionality that simultaneously considered all six functions: (i) a weighted average level of the functions and (ii) the number of functions that simultaneously exceed a critical threshold level. Stressors affected individual functions both positively and negatively, but multifunctionality was generally unaffected by both single and joint stressors. The filtering capacity of coastal illuminated sediment systems thus appears resilient to exposure to moderate levels of multiple stressors, most probably due to the robustness of the benthic microalgal community. We recommend using a multifunctionality approach in future studies on cumulative stressor effects on ecosystem functioning, particularly when considering functions related to ecosystem services.