环境筛选和扩散限制在地表和地下螨群落物种共存中的调控作用

识别扩散限制和环境筛选在群落物种共存中的相对作用,是土壤动物群落物种共存机制研究的重要内容,然而少有针对地表和地下土壤动物群落的探讨。在三江平原农田生态系统,设置一个50 m×50 m的空间尺度,探讨环境筛选和扩散限制对地表和地下土壤螨群落物种共存的调控作用。基于Moran特征向量图(MEMs)和变差分解的方法来区分环境筛选和扩散限制的调控作用;采用偏Mantel检验进一步分析环境距离和空间距离的相对贡献;使用RDA分析环境因子对螨群落物种组成的解释能力。变差分解结果表明,空间变量对地表、地下和地表-地下土壤螨群落具有较大的显著方差解释量,而环境变量和空间环境结构的解释量相对较小且不显著;偏Mantel检验没有发现环境距离或空间距离的显著贡献;RDA分析表明土壤p H值、大豆株高和土壤含水量对土壤螨群落具有显著的解释能力,说明环境变量对螨群落物种组成的重要作用。研究表明,在三江平原农田生态系统,地表和地下土壤螨群落物种共存主要受到扩散限制的调控作用,同时环境筛选的调控作用也不容忽视。     

丰林典型阔叶红松林地表鞘翅目成虫空间异质性及其与环境因子的空间关联性

土壤动物群落空间异质性及其与环境因子的空间作用关系, 是揭示土壤生态系统格局与过程及生物多样性维持机制的重要基础。作者于2015年生长季节(8月)、寒冷季节(10月)在丰林典型阔叶红松林动态监测样地内, 采用陷阱法调查地表鞘翅目成虫群落, 基于地统计空间分析方法, 揭示步甲科和隐翅虫科群落个体数和物种数及优势种的空间格局, 并分析这些空间格局与土壤含水量和地形因子的空间关联性。两次采样共捕获步甲科成虫26种617只, 隐翅虫科19种222只。8月群落个体数和物种数表现为中等变异, 10月为强变异, 群落组成在两个月间具有显著差异。生长季节(8月)和寒冷季节(10月)步甲科和隐翅虫科群落多表现为中等的空间自相关性, 空间分异由随机性因素和结构性因素共同决定。单个物种的个体数多具有中等的空间异质性特征, 且其空间分异主要由随机性因素和结构性因素共同调控。生长季节群落的个体数、物种数和优势种个体数多形成斑块和孔隙镶嵌分布的空间格局。物种之间及物种与环境因子之间多为复杂的空间关联性, 这些关联性主要受到结构性因素或随机性因素的单一调控。典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)结果表明, 8月土壤含水量对步甲科和隐翅虫科物种分布影响显著, 10月凹凸度对步甲科分布影响显著, 海拔对隐翅虫科分布具有显著影响。本研究表明地表步甲科和隐翅虫科在生长季节形成明显的空间格局而在寒冷季节空间格局不明显, 为不同尺度地表土壤动物空间异质性和生物多样性维持机制研究提供了理论基础。     

帽儿山红松人工林鞘翅目成虫群落小尺度空间异质性变化特征

空间异质性是群落空间格局形成的基础,也是物种共存的重要前提。基于地统计空间分析方法,研究20 m×20 m空间尺度上帽儿山红松人工林鞘翅目成虫群落及物种的空间自相关性及异质性分布格局。结果显示:5次调查共捕获鞘翅目成虫10科、42种、2721只个体,群落组成具有中等或较强的空间变异性和明显的时间变异性;Moran's I系数表明群落及部分物种具有显著的空间自相关性,各调查月份接近甚至超过一半的物种不存在空间自相关性;群落及部分物种表现为异质性特征并在特定空间尺度内形成集群,且这种空间分异多由结构性因素或结构性因素和随机性因素共同调控;物种之间表现为具有复杂正的或负的空间作用关系,这种空间关联性的形成主要是结构性因素或随机性因素单一调控的结果,但简单Mantel检验并未发现物种之间存在显著的空间关联性;群落的空间格局梯度分布特征较明显,随着季节的变化(夏天到秋天)聚集物种数量的斑块复杂程度降低。本文旨在揭示鞘翅目成虫空间异质性的变化特征,为鞘翅目成虫群落物种构建机制研究奠定基础。     

温带落叶阔叶林地表鞘翅目成虫小尺度空间格局动态分析

土壤动物空间格局是格局—过程以及生物多样性维持机制研究的重要基础,目前小尺度空间土壤动物空间格局动态特征仍不清楚。基于地统计空间分析方法,以鞘翅目成虫为研究对象,研究帽儿山温带落叶阔叶林小尺度空间(5m)地表鞘翅目成虫群落及类群的空间格局动态特征。结果表明:4次调查共捕获鞘翅目成虫11科、29类、1021只个体,调查月份鞘翅目成虫群落具有较强的时空变异性;Moran'sⅠ系数表明鞘翅目成虫群落和类群具有复杂的正的空间自相关性,其空间异质性可用球状、指数、高斯和线性模型进行拟合。这种空间异质性具有一定的时间变化特征,且这种空间分异是由随机性因素单一调控或结构性因素和随机性因素共同调控的结果;类群之间在多种尺度上表现为复杂的以负相关居多的空间关联性,这种空间关联性的形成主要是结构性因素或随机性因素单一调控的结果。本实验表明地表鞘翅目成虫群落在小尺度空间具有明显的空间异质性特征,这种空间异质性时间变异性较明显。     

土壤动物群落空间格局和构建机制研究进展

群落空间格局和构建机制一直是生态学研究的核心内容。在生物多样性严重丧失的背景下, 揭示群落空间格局及其构建机制, 有助于深刻理解生物多样性丧失的原因, 更有助于应对生物多样性保护等重大生态环境问题。然而, 陆地生态系统的研究多集中于地上生物群落, 对地下生态系统, 尤其是土壤动物空间格局和构建机制的研究尚不充分。事实上, 土壤动物多样性是全球生物多样性的关键组成之一, 是地下生态系统结构和功能维持的重要部分。对土壤动物空间格局和构建机制的研究, 能明确不同空间尺度条件下土壤动物多样性的维持机制。土壤动物群落常在多种空间尺度形成复杂的空间分布格局, 因此, 本文首先介绍了不同空间尺度主要土壤动物群落的空间自相关性特征, 阐述了土壤动物群落斑块和孔隙镶嵌分布的复杂空间格局。继而阐明这种空间格局主要受生物间作用、环境过滤和随机扩散的调控, 并说明这三个过程对土壤动物群落的调控能力和作用方式。作者提出, 这三个过程仍是今后土壤动物群落空间格局和构建机制研究的重点内容, 需要进一步加强以土壤动物为研究对象的群落构建理论的验证和发展。我国土壤动物群落空间格局和构建机制起步较晚, 希望本文能够促进我国土壤动物生态学相关领域的研究。     

内蒙古高原针茅草原群落土壤水分和碳、氮分布的小尺度空间异质性

用地统计学的方法,研究比较了内蒙古高原4类地带性针茅草原群落,贝加尔针茅（Stipa baicalensis)群落,大针茅（S.grandis)群落,克氏针茅（S.krylovii)群落和小针茅（S.kelemenzii)群落0-20cm土壤水分和碳,氮的小尺度空间异质性特征,结果表明;4类群落土壤水分,有机碳和全氮均表现出显著的小尺度空间结构特征。自相关尺度为1.91m-10.81m,结构性方差占样本方差的35.31%-99.74%。从贝加尔针茅群落到小针茅群落空间自相关的尺度逐渐增大,纹理有逐渐变粗的趋势,土壤水分,碳和氮的小尺度空间格局共同作用于群落的生态学过程,即土壤水分格局→植物种群格局（基本斑块的大小）→土壤碳空间格局→土壤氮空间格局,同时,由于生态学过程的反馈作用,土壤氮空间格局→种群格局→土壤水分格局,土壤属性空间自相关尺度的改变可能是导致群落演替的驱动力,草原退化可能与土壤异质性尺度的改变相关。     

贺兰山冲积扇荒漠草地拟步甲群落小尺度空间格局动态

为探讨贺兰山冲积扇荒漠草地拟步甲群落小尺度空间格局动态特征,本研究于2019年5—10月每月采用陷阱法调查200 m×200 m空间尺度的拟步甲昆虫群落,基于地统计分析方法,研究拟步甲昆虫群落的空间格局,并分析空间格局与地形因子的关系。6次调查共捕获拟步甲科成虫7属10种1086只,群落组成具有较明显的空间和时间变异性。其中,拟步甲群落多样性以5月最大,7月最低。Moran I指数表明,拟步甲优势种空间自相关性具有明显的季节波动性,在5月、9月和10月表现为显著空间正相关。拟步甲群落和优势种具有较强的空间异质性,主要由结构性因素决定。普通克里金插值表明,不同季节群落空间格局梯度分布存在明显差异,夏季群落空间格局比较简单。交叉方差函数分析显示,优势种物种间大多表现为正空间关联性,且主要受结构性因素单一调控。典范对应分析(CCA)结果表明,坡度和海拔显著影响昆虫分布。本研究揭示了拟步甲昆虫群落小尺度空间异质性具有明显的季节变异,为研究贺兰山冲积扇生境地表甲虫物种多样性空间格局及维持机制奠定基础。     

小麦-玉米轮作农田土壤螨多样性空间分布格局

以农田土壤动物长期监测样地为平台, 阐明土壤动物物种和功能多样性空间分布格局, 是揭示农田土壤动物多样性维持机制、提高农田土壤质量的重要基础。本试验于2020年10月, 对河南商丘农田土壤动物大型固定样地(9 ha)的210个采样点进行土壤样品野外采集和室内分离, 将土壤螨样品鉴定到种并测量其体长体宽数据, 以说明小麦-玉米轮作农田土壤螨多样性及其体长体宽的空间分布格局。结果表明: (1)共捕获成螨个体17,256头, 其中甲螨亚目为优势类群, 其个体数占总捕获量的94.67%; MGP分析表明样地甲螨群落属于P型, 说明受人为因素影响强烈; 生态位宽度和重叠度分析表明, 进化程度越高甲螨的生态位宽度越宽, 进化程度越相近甲螨之间的竞争越激烈。(2) Moran’s I分析显示, 在20-100 m的空间尺度上, 土壤螨群落、优势种的个体数和体长体宽多为显著正相关; 在220-300 m的空间尺度上, 部分为显著负的空间自相关。半方差函数结果表明, 甲螨群落物种数、个体数和体长体宽的空间变异主要受确定性过程影响, 中气门螨群落的空间变异由确定性和随机性过程共同影响。(3)土壤螨个体数与体长体宽存在显著弱的负相关关系, 这种关系普遍存在于土壤螨各群落与优势种中。本研究建议同时开展物种多样性和以体长体宽为代表的功能多样性空间格局研究, 对揭示土壤螨群落维持机制、保护土壤螨多样性具有重要意义。     

阔叶红松林地表鞘翅目多样性及种间关联性

生物间相互作用被认为是群落构建机制的重要驱动力,然而目前不同空间尺度土壤动物群落物种间相互关联性仍不清楚。为了揭示小尺度空间地表鞘翅目成虫的物种组成、多样性及种间关联性,并验证是否亲缘关系较近的同属(科)物种之间多表现为负关联性,本实验于2015年8月、10月在丰林自然保护区9 hm2阔叶红松林固定监测样地,采用陷阱法捕获地表鞘翅目土壤动物。结果表明:(1)两次实验共捕获地表鞘翅目成虫1394只,隶属9科58种,其中步行虫科和隐翅虫科为优势科。10月捕获的个体数量和物种数相较于8月明显减少,群落多样性在8月和10月间具明显差异。(2)8月份,葬甲科、步行虫科和隐翅虫科群落丰富度均为显著的正关联,不同科地表鞘翅目成虫物种之间空间生态位重叠度较低,种间关系多为随机关系;同科内物种之间大多数为随机关系,极少数物种之间表现为显著的正/负的关联性。本研究表明,小尺度空间地表鞘翅目成虫群落组成和多样性在2个月份间具有明显变化,群落内物种间多为随机性关系,亲缘关系较近的物种间并未表现较多显著的负关联性。     

干旱地区山地荒漠草原阴坡植物群落空间异质性

在样线调查基础上 ,以 Shannon- Wiener指数 ,群落盖度 ,DCA排序轴为区域化随机变量 ,应用半方差、分形分析等方法 ,对干旱地区山坡植物群落空间异质性进行了研究。结果表明 ,在整个山坡尺度上植被格局的空间异质性不大 ,小尺度上植被格局的空间异质性较大 ,尺度依赖性较强 ,不同群落类型的空间格局不同 ,随尺度变化的规律也不一样。严重放牧干扰强烈影响干旱山地植物群落的空间格局 ,生境中的牧道格局 ,斑块格局使山坡植物群落多样性空间异质性更加复杂 ,牧道效应是导致群落空间格局周期性振荡的重要因子。去势对应分析 (DCA)排序第一轴特征值体现了综合生态因子对群落格局作用的结果 ,DCA第二轴半方差变化包含了大量信息 ,其变化具有周期性。群落多样性空间格局强烈影响着干旱山地生态系统的各种生态学过程 ,这些作用机制有待进一步研究     

亚热带不同树种组成森林中土壤甲螨群落结构特征: 以江西新岗山为例

在全球环境变化的大背景下, 生物多样性丧失日益加剧。土壤动物作为生物多样性重要组成之一, 受到广泛的关注。位于我国江西省新岗山的亚热带森林生物多样性与生态系统功能实验样地(BEF-China)是全世界25个森林生物多样性控制实验样地之一。本研究自2019年9月至2022年4月在BEF-China两个不同树种组成的样地(A样地和B样地)内采样, 共获得甲螨23,704头, 隶属于34科50属61种。本文分析和对比了两个样地内甲螨群落结构的差异, 及其多度、物种丰富度、Shannon多样性指数的季节性差异; 通过Pearson检验探讨了甲螨多度与环境因子的关系。结果表明: 在A、B两个不同树种组成的森林生态系统内, 土壤甲螨群落结构及其季节动态具有显著差异。具体表现在: A样地奥甲螨科、罗甲螨科、若甲螨科和尖棱甲螨科的相对多度高于B样地; B样地菌甲螨科、盖头甲螨科和礼服甲螨科的相对多度高于A样地。A样地中夏季和秋季甲螨多度、物种丰富度和Shannon多样性指数显著低于春季和冬季; 而B样地中秋季甲螨多度和物种丰富度与春季差异不显著。Pearson检验结果显示, 凋落物木质素含量与单翼甲螨科和菌甲螨科多度呈负相关关系, 而与奥甲螨科多度呈正相关关系。菌甲螨科多度与土壤和凋落物同一理化因子的相关性基本相同(碳氮比除外), 但与凋落物碳氮比呈正相关关系而与土壤碳氮比呈负相关关系。     

Plant diversity predicts beta but not alpha diversity of soil microbes across grasslands worldwide

Aboveground–belowground interactions exert critical controls on the composition and function of terrestrial ecosystems, yet the fundamental relationships between plant diversity and soil microbial diversity remain elusive. Theory predicts predominantly positive associations but tests within single sites have shown variable relationships, and associations between plant and microbial diversity across broad spatial scales remain largely unexplored. We compared the diversity of plant, bacterial, archaeal and fungal communities in one hundred and forty‐five 1 m² plots across 25 temperate grassland sites from four continents. Across sites, the plant alpha diversity patterns were poorly related to those observed for any soil microbial group. However, plant beta diversity (compositional dissimilarity between sites) was significantly correlated with the beta diversity of bacterial and fungal communities, even after controlling for environmental factors. Thus, across a global range of temperate grasslands, plant diversity can predict patterns in the composition of soil microbial communities, but not patterns in alpha diversity.     

放牧干扰下高寒草甸物种和生活型丰富度与地上及地下生物量的关系

明晰放牧干扰下高寒草甸植物丰富度与生物量的相关关系,为草地植物不同生长时期生物量的预测提供依据。设置6个放牧强度样地,连续3a放牧,2014年进行3个季节(6月、8月、10月)的植物丰富度和地上、地下生物量调查,对比分析放牧干扰下物种和生活型丰富度(生活型的种类)分别与地上、地下生物量的相关关系。结果表明:(1)物种和生活型丰富度与地上生物量均受放牧强度的显著影响,物种丰富度仅在8月与放牧强度显著负相关,生活型丰富度在10月随放牧强度单峰变化,地上生物量在不同季节均与放牧强度显著负相关,而地下生物量与放牧强度无关。(2)物种丰富度与地上和地下生物量均受季节的显著影响,物种丰富度和地上生物量仅在低强度放牧区随季节呈单峰变化,地下生物量在中等强度放牧区随季节呈单峰变化;生活型丰富度与季节无关。(3)放牧干扰前物种和生活型丰富度与地上和地下生物量均显著正相关。3a放牧后仅在8月,物种丰富度只与地上生物量显著正相关,生活型丰富度与地上和地下生物量均显著正相关。(4)对于不同放牧强度,物种丰富度仅在低强度放牧区与地上生物量显著正相关,而生活型丰富度在所有放牧强度区均与地上生物量显著正相关。综上所述,放牧干扰扰乱了高寒草甸丰富度与生物量之间的关系,尤其影响了物种丰富度与地下生物量之间的相关关系。生活型丰富度与地上生物量之间的显著关系不受放牧强度干扰,使生活型丰富度在预测生物量方面表现出优势。     

Plant species richness belowground: higher richness and new patterns revealed by next-generation sequencing

Variation in plant species richness has been described using only aboveground vegetation. The species richness of roots and rhizomes has never been compared with aboveground richness in natural plant communities. We made direct comparisons of grassland plant richness in identical volumes (0.1 × 0.1 × 0.1 m) above and below the soil surface, using conventional species identification to measure aboveground richness and 454 sequencing of the chloroplast trnL(UAA) intron to measure belowground richness. We described above- and belowground richness at multiple spatial scales (from a neighbourhood scale of centimetres to a community scale of hundreds of metres), and related variation in richness to soil fertility. Tests using reference material indicated that 454 sequencing captured patterns of species composition and abundance with acceptable accuracy. At neighbourhood scales, belowground richness was up to two times greater than aboveground richness. The relationship between above- and belowground richness was significantly different from linear: beyond a certain level of belowground richness, aboveground richness did not increase further. Belowground richness also exceeded that of aboveground at the community scale, indicating that some species are temporarily dormant and absent aboveground. Similar to other grassland studies, aboveground richness declined with increasing soil fertility; in contrast, the number of species found only belowground increased significantly with fertility. These results indicate that conventional aboveground studies of plant richness may overlook many coexisting species, and that belowground richness becomes relatively more important in conditions where aboveground richness decreases. Measuring plant belowground richness can considerably alter perceptions of biodiversity and its responses to natural and anthropogenic factors.     

小兴安岭阔叶红松林地表甲虫Beta多样性

Beta多样性用来衡量集群内物种组成的变异性,可以被分解为空间物种转换和物种集群镶嵌两个组分,是揭示群落构建机制的重要基础。目前开展了较多的地上生态系统beta多样性研究,然而地下生态系统beta多样性进展缓慢。以小兴安岭凉水和丰林自然保护区为研究地区,于2015年8、10月采用陷阱法对阔叶红松林进行调查,揭示地表甲虫(步甲科、隐翅虫科、葬甲科)的beta多样性。结果表明:(1)凉水共发现39种、856只地表甲虫,丰林共发现43种、1182只地表甲虫。8月凉水明显具有较高的全部甲虫(三个科的总和)物种多样性和丰富度,10月正好相反。(2)凉水和丰林之间地表甲虫beta多样性的差异仅发现于8月的步甲科和葬甲科之间。(3)凉水和丰林地表甲虫的beta多样性主要由空间物种转换组成,物种集群镶嵌对beta多样性的贡献很小,说明地表甲虫物种组成变异主要由本地物种之间较高的转换引起。研究表明小兴安岭阔叶红松林地表甲虫的beta多样性主要由空间物种转换组成,在揭示群落构建机制过程中,其内部物种交换和环境调控不容忽视。     

Regional‐scale patterns of soil microbes and nematodes across grasslands on the Mongolian plateau: relationships with climate,soil, and plants

Belowground communities exert major controls over the carbon and nitrogen balances of terrestrial ecosystems by regulating decomposition and nutrient availability for plants. Yet little is known about the patterns of belowground communities and their relationships with environmental factors, particularly at the regional scale where multiple environmental gradients co‐vary. Here, we describe the patterns of belowground communities (microbes and nematodes) and their relationships with environmental factors based on two parallel studies: a field survey with two regional‐scale transects across the Mongolia plateau and a water‐addition experiment in a typical steppe. In the field survey, soils and plants were collected across two large‐scale transects (a 2000‐km east–west transect and a 900‐km south–north transect). At the regional‐scale, the variations in soil microbes (e.g. bacterial PLFA, fungal PLFA, and F/B ratio) were mainly explained by precipitation and soil factors. In contrast, the variation in soil nematodes (e.g. density of trophic groups and the bacterial‐feeding/fungal‐feeding nematode ratio) were primarily explained by precipitation. These variations of microbe or nematode variables explained by environmental factors at regional scale were derived from different vegetation types. Along the gradient from nutrient‐poor to nutrient‐rich vegetation types, the total variation in soil microbes explained by precipitation increased and that explained by plant and soil decreased, while the opposite was true for soil nematodes. Experimental water addition, which increased rainfall by 30% during the growing season, increased biomass or density of belowground communities, with the nematodes being more responsive than the microbes. The different responses of soil microbial and nematode communities to environmental gradients at the regional scale likely reflect their different adaptations to climate, soil nutrients, and plants. Our findings suggest that the soil nematode and microbial communities are strongly controlled by bottom‐up effects of precipitation alone or in combination with soil conditions.     

新疆天山森林公园土壤螨类群落多样性与环境因子的相关性

为探讨西北干旱区森林土壤螨类群落和环境因子的相互关系,于2014年对新疆天山森林公园七种不同生境进行土壤螨类群落调查与环境因子测定,并采用除趋势对应分析法(DCA)和冗余分析法(RDA)对土壤螨类群落结构和多样性特征及其与环境因子之间的关系进行相关分析。结果表明,共捕获土壤螨类成体标本24399只,隶属4目56科108属(包括9个中国新记录属),其中小甲螨属Oribatella为优势类群。方差分析表明,在7种不同生境之间土壤螨类群落多样性指标均存在显著差异(P<0.05),Shannon-Wiener多样性指数(H)依次为针叶林>苗圃林>阔叶林>灌木林>针阔混交林>草甸草原>林中草地。RDA分析结果表明,第一主轴和第二主轴分别解释了土壤螨类主要群落总变量的34.8%和27.3%,所有环境因子共解释了土壤螨类群落物种组成变异的82.1%。蒙特卡罗置换检验显示,十种环境因子与全部排序轴(F=7.355,P=0.002)均存在极显著的相关性。研究表明,海拔、土壤含水量和有机质含量对螨类群落结构和多样性的影响显著。     

Relating belowground microbial composition to the taxonomic,phylogenetic, and functional trait distributions of trees in a tropical forest

The complexities of the relationships between plant and soil microbial communities remain unresolved. We determined the associations between plant aboveground and belowground (root) distributions and the communities of soil fungi and bacteria found across a diverse tropical forest plot. Soil microbial community composition was correlated with the taxonomic and phylogenetic structure of the aboveground plant assemblages even after controlling for differences in soil characteristics, but these relationships were stronger for fungi than for bacteria. In contrast to expectations, the species composition of roots in our soil core samples was a poor predictor of microbial community composition perhaps due to the patchy, ephemeral, and highly overlapping nature of fine root distributions. Our ability to predict soil microbial composition was not improved by incorporating information on plant functional traits suggesting that the most commonly measured plant traits are not particularly useful for predicting the plot‐level variability in belowground microbial communities.