物种多样性与生态系统功能的关系研究进展

物种的空前丧失促使人们越来越多地开始研究物种多样性与生态系统功能的关系,并探讨其潜在的作用机制.本文根据最新研究进展,归纳了微宇宙实验、"生态箱"实验、Cedar Creek草地多样性实验和欧洲草地实验等代表性实验中关于物种多样性与生产力、稳定性、抗入侵性等生态系统功能的焦点问题,介绍了去除实验在多样性与生态系统功能研究中的应用.在此基础上,提出未来研究所面临的挑战,并对研究趋势进行了展望.主要挑战和趋势有:将小尺度上开展的实验研究扩展到较大的时空尺度上;综合考虑生物因素和非生物因素对多样性变化、生态系统功能的交互作用;营养级之间的相互作用、物种共存机制对物种多样性与生态系统功能关系的影响.     

物种多样性和功能群多样性与生态系统生产力的关系——以内蒙古短花针茅草原为例

生物多样性与生态系统生产力之间的关系是当前生态学领域的热点问题。短花针茅(Stipa breviflora)草原是内蒙古荒漠草原的主要类型, 生态系统脆弱, 气候波动剧烈, 研究内蒙古短花针茅草原生物多样性与生产力的关系具有十分重要的意义。该研究在内蒙古短花针茅草原区设置了202个样地进行群落调查, 在干旱区及半干旱区两种资源供给下, 分析了物种丰富度、功能群丰富度与生产力的关系, 旨在解决两个科学问题: 1)物种多样性和功能群多样性中, 哪一种与生产力关系更为密切?2)资源供给对多样性和生产力关系的影响。结果表明: 1)物种丰富度、群落生产力与年降水量呈正相关关系, 而功能群丰富度与年降水量之间不存在显著相关性; 2)群落生产力随物种丰富度的增加而增加, 且两者间呈正线性关系, 功能群丰富度与生产力之间不存在显著相关关系; 3)资源供给会影响多样性与生产力之间的关系, 资源供给低时, 多样性对生产力贡献较低, 资源供给高时, 多样性对生产力的贡献较高。该研究丰富了多样性与生产力关系的研究, 同时, 考虑到植物功能性状的研究在近几年受到生态学家的重视, 且多数研究集中于小尺度的人工控制实验, 因此, 在大尺度自然生态系统中开展功能性状多样性与生态系统功能关系的研究将十分必要。     

植物群落的生物多样性及其可入侵性关系的实验研究

 生物入侵已经成为一个普遍性的环境问题,并为许多学者所关注。尽管一些理论研究和观察表明生物多样性丰富的群落不容易受到外来种的入侵,但后来有些实验研究并没能证实两者的负相关性,多样性 可入侵性假说仍然是入侵生态学领域争论比较多的一个焦点。人为构建不同物种多样性和物种功能群多样性（C3 禾本科植物、C4植物、非禾本科草本植物和豆科植物）梯度的小尺度群落,把其它影响可入侵性的外在因子和多样性效应隔离开来,研究入侵种喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)在不同群落里的入侵过程来验证多样性 可入侵性及其相关假说。研究结果显示,物种功能群丰富的群落可入侵程度较低,功能群数目相同而物种多样性不同的群落可入侵性没有显著性差异,功能群特征不同的群落也表现出可入侵性的差异,生活史周期短的单一物种群落和有着生物固氮功能的豆科植物群落可入侵程度较高,与喜旱莲子草属于同一功能群且有着相似生态位的土著种莲子草(A. sessilis)对入侵的抵抗力最强。实验结果表明,物种多样性和群落可入侵性并没有很显著的负相关,而是与物种特性基础上的物种功能群多样性呈负相关,群落中留给入侵种生态位的机会很可能是决定群落可入侵性的一个关键因子。     

群落可入侵性及环境胁迫

群落的可入侵性研究是入侵生态学的中心内容。从群落进化历史,群落结构,繁殖体压力。干扰和胁迫等5个影响入侵的主要因素综述了近年来群落可入侵性研究的工作进展和成果。其中重点阐述了群落结构对入侵的影响。包括群落物种组成,物种多样性和物种功能群多样性的诸多实验研究和相关假说,并用理论模型结合具体实验研究探讨了环境胁迫和可入侵性的关系。针对目前群落可入侵性研究存在的问题提出了自己的见解。     

四川攀西地区云南松群落物种多样性和谱系多样性对紫茎泽兰入侵的影响

外来植物入侵严重威胁着入侵地本土植物多样性和生态系统功能, 认识外来物种的入侵机制有助于提高对入侵植物的防控能力。本文以攀西地区云南松(Pinus yunnanensis)林下外来入侵植物紫茎泽兰(Ageratina adenophora)为研究对象, 基于大量野外群落调查, 从群落可入侵性入手, 分析了环境因子和群落物种多样性、谱系多样性等群落生态学特征对紫茎泽兰入侵的影响。结果表明: 海拔、坡向和火烧强度等环境因子和冠层郁闭度、灌木层盖度等生物因子对研究区紫茎泽兰入侵强度没有显著影响(P > 0.05); 但群落灌木层物种多样性和草本层组分种与紫茎泽兰的亲缘关系显著影响紫茎泽兰的入侵强度(P < 0.05), 说明灌木层对光照等环境资源的占用和草本层(同层)物种对相似资源的竞争能够在很大程度上抑制紫茎泽兰的入侵。     

内蒙古草原凋落物分解对生物多样性变化的响应

生物多样性与生态系统功能紧密相关。凋落物分解作为生态系统重要功能之一, 对植物群落的物种组成和多样性具有反馈作用。本研究在内蒙古草原通过功能群去除产生不同的多样性梯度, 应用分解网袋法, 研究了草原生态系统的生物多样性变化对凋落物分解过程的影响。实验分为相互补充的三个部分, (1)分解微生境实验: 研究了由于功能群多样性改变引起的分解微生境变化对凋落物分解的影响; (2)凋落物组成实验: 研究了4个功能群的优势物种羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、细叶葱(Allium tenuissimum)、刺穗藜(Chenopodium aristatum)的单种及不同组合的混合凋落物在相同的分解微生境下物种间的相互作用对凋落物分解过程的影响; (3)综合分解微生境和凋落物组成两种影响因素, 将收集的凋落物的单种及其混合物放回原样方进行分解。结果表明, 功能群多样性高的样方中, 其微生境有利于凋落物的分解; 混合凋落物的分解具有非加和性效应。混合凋落物的分解速率与其初始碳含量呈负相关, 与其初始氮、磷含量呈正相关; 当混合凋落物在功能群多样性不同的微生境中分解时, 重量降解速率与微生境中的功能群多样性没有显著的相关关系, 氮流失与功能群多样性呈正相关。我们的研究表明, 群落中凋落物组成和凋落物的功能群多样性相比, 前者是影响凋落物分解的决定性因素; 与地上存活植株所参与的生物学过程相比, 凋落物分解受生物多样性的影响较小; 在生物多样性更高的区域, 氮的循环加速, 有利于提高群落的生产力。     

群落/生态系统功能多样性研究方法及展望

功能多样性是指影响群落/生态系统功能的物种性状值和范围,是解释和预测生态系统结构和功能的有效手段之一,可将植物个体尺度与群落尺度和生态系统尺度的相关生态学问题联系起来。虽已发展出多种功能多样性定量化研究方法,但不同方法结果差异较大,难以进行多研究间的比较研究。比较探讨各功能多样性研究方法的优缺点有利于拓展功能多样性内涵,也有助于功能生态学的应用与发展。回顾了当前10种功能多样性的定量化研究方法,并指出选取合适功能多样性方法的关键在于,应考虑选取群落/生态系统中的哪些物种、哪些功能性状、选取的功能性状数目、以及如何对功能性状权重等。对比发现,功能分散性指数和Rao二次熵系数的研究方法在众多方法中优势明显,具有较高的应用潜力;标准化功能多样性的研究方法在未来仍需进一步完善。利用功能多样性指数预测群落/生态系统过程和功能当前仍多侧重于理论研究,野外实证研究较为缺乏,是功能生态学未来研究的重点和难点之一。     

荒漠草地植物多样性对草食动物采食的响应机制

草食动物采食对草地植物多样性和生态系统功能的影响机制是放牧生态学研究的核心问题。该研究以内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗荒漠草原的长期放牧控制实验为平台,从既有草地植物多样性和动物偏食性两个层面系统地研究了荒漠草地植物多样性对草食动物采食的响应机制。结果显示:1)荒漠草地植物对草食动物采食呈现4种响应模式:放牧"隐没种"、放牧"敏感种"、放牧"无感种"、"绝对优势种";2)在群落尺度上,物种多样性指数随放牧强度增加而减少,与不放牧小区相比,重度放牧(HG)与适度放牧(MG)小区植物多样性均下降,且这一规律同样适用于功能群多样性,灌木半灌木这一功能群内物种多样性对放牧干扰较敏感;3)在草地既有植物的基础上,以不放牧小区为参考系,草食动物对植物功能群偏食性的排序为:一二年生草本(AB)多年生杂类草(PF)灌木半灌木(SS)多年生禾草(PG),且偏食性物种主要分布于AB和PF中;4)植物多样性与动物偏食性基本呈显著负相关关系(p0.05)。     

试论土壤线虫多样性在生态系统中的作用

土壤线虫的物种多样性和功能群丰富, 不同功能群的土壤线虫取食习惯也不一样, 而土壤线虫取食习惯的多样性以及它们自身的一些属性决定了它们在土壤中与其他生物之间关系的复杂性。土壤中不同生物之间的相互作用决定了土壤食物网的复杂性, 进而影响着土壤生态系统功能。然而, 有关土壤线虫的多样性与土壤生态系统功能之间的关系的研究还很不足。要全面了解土壤线虫在生态系统中的作用, 研究工作必须: (1) 结合室内模拟和野外控制实验; (2) 结合物种多样性调查和不同功能群的功能分析。     

资源互补效应对多样性-生产力关系的影响

许多有关物种多样性-生态系统功能关系的观察、理论和实验研究都表明, 在局域尺度范围内, 植物种多样性对生态系统生产力存在正效应。 然而, 对于促成这种关系的潜在生态学机制却缺乏足够的了解。 该实验利用9种一年生栽培牧草, 采用各物种单播及混播的方法, 构建不同多样性梯度的实验群落, 对物种多样性与生态系统生产力的关系及资源互补效应对系统生产力的影响进行了研究。 结果表明, 在一年生植物群落内,植物种多样性在一定程度内对系统生产力存在正效应, 物种多样性与生产力呈二次函数关系, 关系式为y = -98.449x² + 1 039.2 x - 42.407, (R² = 0.423 1)。 各物种在资源利用、生长速度和竞争能力等功能特征方面存在较大差异, 最高产物种和最低产物种间产量相差5.8倍。 在同一多样性梯度内, 不同物种组合的群落间生产力和互补效应也存在较大差异, 说明物种的成分对生态系统生产力也有重要影响。 同时,在混播群落中程度不同地存在着资源的互补性利用, 说明物种多样性对系统生产力有增强作用, 但相关分析表明, 互补效应和物种多样性间不存在显著相关关系。互补效应的4种计算方法所反映的资源互补程度有所不同, 每种方法各有利弊, 在对系统的多样性效应作用机制进行评价时, 应根据具体情况, 同时采用几种方法, 以利于对资源互补效应做出恰当的估测。     

Effects of Invasive-Plant Management on Nitrogen-Removal Services in Freshwater Tidal Marshes

Establishing relationships between biodiversity and ecosystem function is an ongoing endeavor in contemporary ecosystem and community ecology, with important practical implications for conservation and the maintenance of ecosystem services. Removal of invasive plant species to conserve native diversity is a common management objective in many ecosystems, including wetlands. However, substantial changes in plant community composition have the potential to alter sediment characteristics and ecosystem services, including permanent removal of nitrogen from these systems via microbial denitrification. A balanced assessment of costs associated with keeping and removing invasive plants is needed to manage simultaneously for biodiversity and pollution targets. We monitored small-scale removals of Phragmites australis over four years to determine their effects on potential denitrification rates relative to three untreated Phragmites sites and adjacent sites dominated by native Typha angustifolia. Sediment ammonium increased following the removal of vegetation from treated sites, likely as a result of decreases in both plant uptake and nitrification. Denitrification potentials were lower in removal sites relative to untreated Phragmites sites, a pattern that persisted at least two years following removal as native plant species began to re-colonize treated sites. These results suggest the potential for a trade-off between invasive-plant management and nitrogen-removal services. A balanced assessment of costs associated with keeping versus removing invasive plants is needed to adequately manage simultaneously for biodiversity and pollution targets.     

高寒草地植物物种多样性与功能多样性的关系

物种多样性与功能多样性的关系是生态学当前研究的热点问题之一,不同区域典型生态系统物种多样性和功能多样性的关系研究有利于生物多样性保护理论的全面发展。以青藏高原地区的主要草地生态系统—高寒草甸和高寒草原为研究对象,采用4个物种多样性指数(Patrick丰富度指数、Shannon-Weiner多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数)和9个功能多样性指数(FAD功能性状距离指数、MFAD功能性状平均距离指数、基于样地的FDp和基于群落的FDc功能树状图指数、FRic功能体积指数、FEve功能均匀度指数、Rao功能离散度常二次熵指数、FDiv功能离散指数、FDis功能分散指数),分析了高寒草地植物物种多样性、功能多样性关系及其与初级生产力的关系,以期阐明3个科学问题:不同草地类型的高寒草地生态系统植物物种多样性和功能多样性有何差异?高寒草地生态系统的植物物种多样性和功能多样性有何关系?高寒草地生态系统物种多样性、功能多样性对生态系统功能的影响有何异同?研究结果表明:(1)与高寒草原相比,高寒草甸具有更高的物种多样性、功能丰富度和功能离散度;(2)高寒草甸中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc)和功能离散度指数(FDiv)的具有较强的相关性,最优拟合方程分别为幂函数和二次多项式函数;(3)高寒草原中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc、FRic)、Shannon指数和Simpson指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为二次多项式函数,Pielou指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为指数函数;(4)高寒草甸的初级生产力分别与物种丰富度指数Patrick、功能离散指数FDiv具有较强的相关性;而高寒草原的初级生产力与4个物种多样性指数间均具有较强的相关性,与功能离散指数FDiv具有较强的相关性,最佳拟合方程均为二次多项式函数。研究的总体结论为:物种多样性、功能多样性、二者之间的关系以及二者与生态系统服务功能(以初级生产力为例)之间的关系在高寒草甸和高寒草原群落中表现迥异,因此在研究青藏高原高寒草地的生态功能时,不能仅仅测度传统的物种多样性,还应测度与物种多样性、生态功能密切相关的功能多样性。     

川西亚高山针叶林土壤微生物及酶对林下植物去除的响应

生物多样性与生态系统功能的关系是生态学领域研究的热点与难点。但因受研究手段的限制,有关森林物种组成及其多样性变化对土壤微生物数量和酶活性影响的研究少有报道。采用人工去除灌草层的实验方法,研究了川西亚高山针叶林灌草层丧失对土壤微生物数量和酶活性的影响。结果表明:1)灌草层去除后,土壤细菌和真菌数量以CK(对照)RH(除草)RS(除灌),而土壤放线菌数量则以RHCKRS;2)灌草层去除后,土壤微生物群落构成发生改变,真菌比例有所下降;3)灌草层去除后,土壤酶活性随之发生变化,各种酶活性均以CKRHRS。表明林下灌草层去除,尤其是灌木层去除,导致土壤微生物数量下降、群落构成发生变化以及土壤酶活性下降,从而在一定程度上影响到森林生态系统的物质循环功能。     

Endophytic fungi alter relationships between diversity and ecosystem properties

Recent studies have expanded research on biodiversity by investigating whether the effects of diversity on ecosystem functioning hinge on the presence of symbiotic microorganisms. Cool‐season grasses commonly harbour endophytic fungi that can enhance plant resistance to herbivory, drought and competition. We address whether these endosymbionts modify relationships between diversity and two ecosystem properties: productivity and invasibility. We develop a graphical model that predicts endophyte infection of a grass host will weaken correlations between diversity and ecosystem properties. We then use a long‐term field experiment to test this prediction by manipulating symbiosis in tall fescue grass (Festuca arundinacea), a common and invasive species in the US. As predicted, endophyte infection reduced the strength of correlations between diversity and both primary productivity and the invasiveness of tall fescue. By altering relationships between diversity and ecosystem functioning, endophytic fungi may contribute more to the dynamics of communities than previously supposed.     

高寒草甸群落植物多样性和初级生产力沿海拔梯度变化的研究

 对不同海拔梯度高寒草甸群落植物多样性和初级生产力关系的研究结果表明：1）不同海拔梯度上,中间海拔梯度群落植物多样性最高,即物种丰富度、均匀度和多样性最大;2）不同海拔梯度上,群落生产力水平和物种丰富度中等时,物种多样性最高;3）随着海拔的逐渐升高,地上生物量逐渐减少;4）地下生物量具有“V”字形季节变化规律,在牧草返青期和枯黄期地下生物量最大,7月最小,且地下生物量主要分布在0～10 cm的土层中。地下生物量垂直分布呈明显的倒金字塔特征。     

植物群落功能多样性计算方法

以性状为基础的功能多样性指数在预测生态系统功能中起到越来越重要的作用.本文对近年来陆续出现的植物群落功能多样性指数进行综述.依据物种多样性指数的组成,功能多样性指数分为功能丰富度、功能均匀度和功能离散度指数.介绍了这3类指数的计算方法,有助于更好、更准确地理解“生物多样性-环境-生态系统功能”的关系.     

井冈山鹿角杜鹃群落灌木层功能多样性及其随海拔梯度的变化

研究植物群落功能多样性沿环境梯度的变化可以揭示功能多样性与生态系统功能间的关系及维持机制。以井冈山地区鹿角杜鹃（Rhododendron latoucheae）群落为研究对象,通过调查不同海拔梯度群落灌木层植物的物种组成与结构特征,研究了该群落类型灌木层植物的物种多样性、功能多样性、环境因子的特征及其相互之间的关系。结果表明：1）群落类型灌木层植物物种多样性和功能多样性沿海拔梯度呈现不同的变化趋势。物种多样性指数均随着海拔的升高呈减小趋势,而功能多样性指数的变化却较为复杂。其中FRic、FEve和FDis随着海拔的升高显著减小,FDiv和Rao却随海拔的升高而增加;2）群落中物种多样性和功能多样性呈现复杂的相关性。FRic、FEve与丰富度指数呈显著正相关,而Rao、FDis、FDiv与Simpson优势度指数呈线性相关关系,且具有显著相关性;3）群落所分布的坡位及土壤氮与磷含量等环境因子对灌木植物的功能多样性有着重要的影响。鹿角杜鹃群落灌木层植物的物种多样性和功能多样性的相互关系及其对环境变化的响应共同决定了群落的生态系统功能。     

羌塘高寒草地物种多样性与生态系统多功能关系格局

传统的生物多样性-生态系统功能研究大多侧重于单一生态系统功能与物种多样性的关系,忽略了生态系统的重要价值在于其能够同时提供多种功能或服务,即生态系统的多功能性。基于藏北羌塘高寒草地样带调查数据,选取植被地上生物量、地下生物量、土壤全氮、硝态氮及铵态氮含量、土壤全磷含量、土壤有机碳储量等7个与植物生长、养分循环、土壤有机碳蓄积相关的参数来表征生态系统多功能性。采用上述参数转换为Z分数后的平均值计算多功能性指数(M)。分析了不同生物多样性指数与生态系统多功能指数的关系以及年降水量和年均温度对物种多样性和生态系统多功能性指数的影响。结果表明,物种丰富度指数与生态系统多功能性之间呈极显著的正相关关系,Shannon-wiener和Simpson物种多样性指数也与多功能性指数间呈显著的正相关,但多功能性指数与Pielou均匀度指数没有表现出明显的相关关系。物种丰富度与表征植物生长、养分循环以及土壤有机碳蓄积的生态系统功能指数间也均呈极显著的正相关关系。降水格局显著影响羌塘高原物种丰富度和生态系统多功能指数,二者均随年降雨量的增加而显著增加,但物种多样性指数并未与年降水量呈现显著相关关系。研究强调了群落物种丰富度即群落物种数量对维持生态系统多功能性的重要意义,这意味着由于人类活动导致的物种丧失可能会给藏北高寒草地生态系统多功能和生态服务带来更为严重的后果。就退化草地恢复或草地可持续管理而言,在藏北羌塘地区,本地植物种的物种丰富度恢复和维持应作为重要目标之一。     

Niche conservatism as an emerging principle in ecology and conservation biology

The diversity of life is ultimately generated by evolution, and much attention has focused on the rapid evolution of ecological traits. Yet, the tendency for many ecological traits to instead remain similar over time [niche conservatism (NC)] has many consequences for the fundamental patterns and processes studied in ecology and conservation biology. Here, we describe the mounting evidence for the importance of NC to major topics in ecology (e.g. species richness, ecosystem function) and conservation (e.g. climate change, invasive species). We also review other areas where it may be important but has generally been overlooked, in both ecology (e.g. food webs, disease ecology, mutualistic interactions) and conservation (e.g. habitat modification). We summarize methods for testing for NC, and suggest that a commonly used and advocated method (involving a test for phylogenetic signal) is potentially problematic, and describe alternative approaches. We suggest that considering NC: (1) focuses attention on the within‐species processes that cause traits to be conserved over time, (2) emphasizes connections between questions and research areas that are not obviously related (e.g. invasives, global warming, tropical richness), and (3) suggests new areas for research (e.g. why are some clades largely nocturnal? why do related species share diseases?).     

Removal of invasive shrubs reduces exotic earthworm populations

Invasive species are a leading threat to native ecosystems, and research regarding their effective control is at the forefront of applied ecology. Exotic facilitation has been credited with advancing the success of several aggressive invasive species. Here, we suggest using the knowledge of exotic facilitations to control invasive earthworm populations. In northern hardwood forests, the invasive shrubs Rhamnus cathartica (buckthorn) and Lonicera x bella (honeysuckle) produce high quality leaf litter, and their abundance is positively correlated with exotic earthworms, which increase nutrient cycling rates. We performed an invasive plant removal experiment in two northern hardwood forest stands, one dominated by buckthorn and the other by honeysuckle. Removal of invasive shrubs reduced exotic earthworm populations by roughly 50% for the following 3 years. By targeting invasive species that are part of positive feedback loops, land managers can multiply the positive effects of invasive species removal.