利用结构方程解析杉木林生产力与环境因子及林分因子的关系

通过收集155篇644条杉木林生产力数据,利用结构方程模型,分析杉木林净初级生产力与年均降雨量、年均温度、林分密度和林龄之间的关系。结果表明:杉木林净生产力与年均降水量和年均温度呈显著正相关,相关系数分别为0.63和0.378。杉木林净生产力与林龄和林分密度呈显著负相关,相关系数分别为-0.332和-0.408。结构方程模型较好的解析了杉木净初级生产力与环境因子和林分因子之间的关系。杉木林净生产力与年均降水量、年均温度、林龄、林分密度都有影响,其总通径系数分别为0.398(P0.01)、0.746(P0.01)、-0.321(P0.01)和-0.738(P0.01)。年均温度和林龄不仅直接影响杉木林净生产力,还通过影响年均降水量和林分密度间接影响林分净生产力。年均温度和林龄的直接通径系数分别为0.494(P0.01)和-0.700(P0.01);年均温度和林龄的间接通径系数分别为0.252(P0.05)和0.379(P0.05)。结构方程作为大尺度分析净初级生产力的方法,杉木林净初级生产力影响因素的62%来自年均降水量、年均温度、林龄和林分密度。     

树冠结构对典型阔叶红松林生产力的影响

阔叶红松(Pinus koraiensis)林是东北东部山区的地带性森林植被, 阐明其生产力的影响因素, 对于理解温带森林生产力维持机制具有重要意义。该研究依托小兴安岭典型阔叶红松林9 hm²动态监测样地, 基于2005和2015年的30 m × 30 m样方内所有胸径>6.5 cm的木本植物的调查数据, 计算各样方的树冠结构复杂性、物种多样性和林分胸高断面积, 结合各样方的地形和土壤理化性质数据, 拟合结构方程模型, 定量分析影响典型阔叶红松林生产力的直接和间接因素。研究结果显示: 树冠结构复杂性和物种多样性与生产力显著正相关, 且树冠结构复杂性对生产力的影响显著高于物种多样性; 树冠结构复杂性对生产力的作用分为树冠垂直分层和树冠可塑性, 其中树冠垂直分层是树冠结构复杂性影响阔叶红松林生产力的主要因素, 而树冠可塑性无显著影响; 林分胸高断面积与生产力显著正相关, 其解释权重仅次于树冠结构复杂性, 树冠结构复杂性与物种多样性均通过影响林分胸高断面积对阔叶红松林生产力产生间接影响; 考虑不同树冠结构复杂性时, 坡度和土壤全磷含量代表的环境因素在调节生产力上发挥的作用存在差异, 移除树冠垂直分层的作用后两者与生产力呈显著的负相关关系。综上可知, 在典型阔叶红松林中, 树冠结构复杂性比物种多样性更有效地解释了生产力的变化, 同时不可忽视其他生物和非生物因素对生产力的作用。     

中短轮伐期杨树纸浆林LAI及生物生产力的研究

研究了中短轮伐期杨树纸浆林ＬＡＩ的动态变化,ＬＡＩ与透光率的关系,林分的生物生产力及林分的经济生物量生产．结果表明,ＬＡＩ随林龄和密度的增大而递增,３个杨树无性系间是ＮＬ８０３５１＞Ｉ６９＞Ｉ７２;ＬＡＩ与透光率的关系可用Ｍ．Ｍｏｎｓｉ和Ｔ．Ｓａｅｋｉ修正的消光方程来描述,消光系数为０．８１８;林分地上部分年净生物生产力与ＬＡＩ密切相关,其关系可用指数函数来表达;４年生时,不同密度及不同无性系间林分的生物生产力、生物量分配模式存在较大差异,以１１１１株·ｈｍ－２林分的生产力最高,约为５００株·ｈｍ－２林分的１４倍．３个无性系中以ＮＬ８０３５１最高,Ｉ７２杨最低;林分地上部分干木质部、枝木质部及皮的干物质累积趋势可用Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程描述．４年生时,作为化学浆材的林分经济生物量是１１１１＞８３３＞６２５＞５００株·ｈｍ－２,作为磨木浆材的林分经济生物量是５００＞６２５＞８３３＞１１１１株·ｈｍ－２．无性系间均以ＮＬ８０３５１的林分经济生物量最高,Ｉ７２杨最低．     

树种相互作用、林分密度和树木大小对华北落叶松生产力的影响

本研究以塞罕坝地区华北落叶松纯林、白桦纯林和华北落叶松与白桦混交林为对象,每种林分类型设置2个林分密度(200～340和880～1100株·hm^-2)。基于树木大小分层取样,采集树芯样本668条。运用线性混合模型,分析了树种相互作用、林分密度和树木大小对华北落叶松生产力的影响。结果表明: 华北落叶松断面积生长量不同程度地受竞争、胸径、年龄和邻体密度的影响;在林分密度较高的混交林中,由于白桦对华北落叶松生长的促进作用,落叶松生产力发生明显的增益效应;在林分密度较低的混交林中,落叶松和白桦之间不发生相互作用,2个树种的生产力均低于相应的纯林;种内竞争是影响华北落叶松生产力的主要因素;树木大小对华北落叶松生产力产生积极的影响,但影响程度因林分密度和树种组成而异。适当增加林分密度和选择白桦作为混交树种可以提高华北落叶松生产力。     

吉林蛟河针阔混交林林层结构对生产力的影响

探讨不同林层物种多样性和林分结构与森林生产力之间的关系,为森林可持续经营管理策略优化提供理论支持。以吉林蛟河30 hm²针阔混交林固定监测样地中的38432株木本植物的野外调查数据为研究对象,利用结构方程模型探讨了不同林层物种多样性和林分结构多样性对森林生产力的作用机制。结果表明：（1）林冠层林分结构多样性和生产力之间呈负相关关系,路径系数为-0.138;林下层林分结构多样性和生产力之间呈正相关关系,路径系数为0.083。（2）林冠层物种多样性和生产力之间呈正相关关系,路径系数为0.099;林下层物种多样性和生产力之间关系不显著,且物种多样性在林冠层和林下层呈正相关关系,路径系数为0.147。物种多样性和林分结构多样性与森林生产力之间不存在唯一的关系,这种关系的大小、方向和潜在机制与林层有关。为此,在森林经营过程中要充分考虑不同林层物种多样性和林分结构多样性与森林生产力之间的关系。     

Effects of biodiversity,stand factors and functional identity on biomass and productivity during the restoration of subtropical forests in Central China

恢复梯度上华中亚热带森林生物多样性、林分因子及功能特性对生物量、生产力的影响 草地群落上进行的控制实验大都发现生物多样性对生态系统功能有显著促进作用。然而,在天然林中,多样性与林分因子、群落功能特性的相对作用大小仍存在争议。本文在森林恢复梯度上,研究这3类因素对生物量和生产力的相对影响。我们在湖北神农架设置了处于不同恢复阶段的24块(600 m²)亚热 带森林样地,计算了林分生物量和生产力。选择5个关键的植物功能性状,并计算了群落的功能多样性(功能丰富度、功能均匀度和功能离散度)和性状的加权平均值(CWM)。使用一般线性模型(GLMs)、变异分离等方法探究林分因子(密度、林龄、群落最大树高等)、功能特性、物种和功能多样性对生物量和生产力的相对重要性。研究结果表明,随着森林恢复,林分生物量和生产力显著增加,群落物种丰富度显著增加,而功能离散度显著降低。变异分离结果表明,多样性对生物量和生产力的单独效应不显著,但可能通过与林分因子和功能特性的协同效应来影响生物量和生产力。总体而言,我们发现林分因子对亚热带森林生物量和生产力的影响最大,功能特性显著影响生产力,但不影响生物量。这些结果说明,在森林经营中,调整林分结构和群落物种特性是提高森林碳储量和固碳潜力的有效途径。     

中短轮伏期杨树纸浆林LAI及生物生产力的研究

研究了中短轮伐期杨树纸浆林ＬＡＩ的动态变化,ＬＡＩ与透光率的关系,林分的生物生产力及林分的经济生物量生产,结果表明,ＬＡＩ随林龄和密度的增大而递增,３个杨树无性系间ＮＬ－８０３５１〉１－６９〉１－７２;ＬＡＩ与透光率的关系可用Ｍ．Ｍｏｎｓｉ和Ｔ．Ｓａｃｋｉ修正的消光方程来描述,消光系数为０．８１８;林分地上部分年净生物生产力与ＬＡＩ密切相关,其关系可用指数函数来表达;４年生时,不同密度及不同无性系     

我国3个桉树人工林种植区生产力影响因素

研究影响桉树人工林生产力的主要因素,对于提高桉树人工林生产力以及经营水平和合理利用树种都具有重要的意义。收集我国3个桉树人工林种植区(广东省、广西壮族自治区、云南省)关于生物量与生产力研究中的相关数据,对海拔、林分密度、林龄、年均温和年降水量与乔木层生物量进行了主成分分析与混合模型分析,探究各因素对我国桉树人工林生物量与生产力的影响。结果显示:年均温、年降水量、林龄、海拔和林分密度均是影响广东、广西、云南这3个省(区)桉树人工林生物量的主要因素,其中年降水量对这3个地区桉树人工林的生物量影响极其显著(P0.01),林龄和林分密度对桉树人工林的生物量影响显著(P0.05)。这是因为这3个地区都位于亚热带,温度都属于桉树生长的适宜温度,而这3个地区存在明显的干湿季,降水量在季节和地域上分布不均匀,导致这3个地区年降水量存在较明显的差异。因此,年降水量成为影响这3个地区桉树人工林生物量的关键因素。     

功能多样性对典型阔叶红松林生产力的影响

为比较生物量比率假说与生态位互补假说在解释生产力变异的相对重要性,探讨生物多样性和生产力之间的关系是否受到生物和非生物因素的影响,该研究依托小兴安岭9 hm~2阔叶红松(Pinus koraiensis)林动态监测样地,通过计算群落初始生物量、物种多样性、功能多样性、植物性状的群落加权平均值和测定环境因子,运用线性回归模型、结构方程模型,比较了物种多样性和功能多样性与生产力的相关性。结果表明:(1)物种多样性和功能多样性均对生产力有显著作用,功能多样性比物种多样性与生产力的关系更为密切;(2)功能多样性指数比群落加权平均值能更好地解释生产力变异,说明生态位互补假说更适用于解释阔叶红松林群落内生产力的变异;(3)生物多样性与生产力的关系受生物因素与非生物因素的共同作用,相较于多样性和功能性状组成(植被质量),初始林分生物量(植被数量)能更有效地解释生产力的变异。生物多样性与生产力关系的研究应从植被质量与植被数量同时出发,评估生态系统过程的多种非生物和生物驱动因素,同时维护森林功能多样性,加强植物与土壤环境的保护,对有效增加生产力和维持生物多样性具有重要意义。     

功能多样性对典型阔叶红松林生产力的影响

为比较生物量比率假说与生态位互补假说在解释生产力变异的相对重要性, 探讨生物多样性和生产力之间的关系是否受到生物和非生物因素的影响, 该研究依托小兴安岭9 hm ²阔叶红松(Pinus koraiensis)林动态监测样地, 通过计算群落初始生物量、物种多样性、功能多样性、植物性状的群落加权平均值和测定环境因子, 运用线性回归模型、结构方程模型, 比较了物种多样性和功能多样性与生产力的相关性。结果表明: (1)物种多样性和功能多样性均对生产力有显著作用, 功能多样性比物种多样性与生产力的关系更为密切; (2)功能多样性指数比群落加权平均值能更好地解释生产力变异, 说明生态位互补假说更适用于解释阔叶红松林群落内生产力的变异; (3)生物多样性与生产力的关系受生物因素与非生物因素的共同作用, 相较于多样性和功能性状组成(植被质量), 初始林分生物量(植被数量)能更有效地解释生产力的变异。生物多样性与生产力关系的研究应从植被质量与植被数量同时出发, 评估生态系统过程的多种非生物和生物驱动因素, 同时维护森林功能多样性, 加强植物与土壤环境的保护, 对有效增加生产力和维持生物多样性具有重要意义。     

Correlation Analysis between Productivity of Chinese Pine Pinus tabulaeformis (Carr.) Plantations and Ecological Factors in Shaanxi Province

This paper centers on the relationships between productivity of Chinese pine stands and ecological factors. The effects of geographictopographic factors, climatic factors, stand factors, soil factors, and combination of these factors are analysed. The whole 84 step-by-step and multiple regression equations are obtained. There are 6 best equations selected for future use. The standard regression coefficients of environmental factors in each equation are calculated. According to their effects on the production of tree components the important sequence is put in order. At last, the practical utilization of study on the relationships between productivity and ecological factors is explored.     

川西盆周丘陵地区油菜作物生态效应的初步探讨

名山县位于东经103°08′,北纬30°06′,是四川省商品粮油基地县之一,属川西盆周丘陵地区。年平均气温15.5℃,日照1052.0小时,降雨量1519.9mm,一年两熟,能满足油菜全生育期的需要。全县油菜发展较快,1989年较1983年种植面积扩大了33.91%,达到6000ha;总产增加30.35%,达到5958.1t。     

物种多样性和系统发育多样性对阔叶红松林生产力的影响

生物多样性与生态系统功能间的关系已成为生态学研究的热点问题之一,其中植物多样性对森林生产力的驱动作用受到广泛关注,而其潜在驱动机制还存在很大争议.本研究依托黑龙江凉水国家级自然保护区典型阔叶红松林9 hm^2森林动态监测样地,利用2005年和2015年的调查数据,采用线性回归和结构方程模型探究不同空间尺度下物种多样性和系统发育多样性对森林生产力的影响.结果表明:物种多样性和系统发育多样性与生产力均呈正相关,随着空间尺度的增大,物种多样性对生产力的作用强度逐渐增强,而系统发育多样性对生产力的作用逐渐减弱;小尺度下系统发育多样性对生产力的影响大于物种多样性.生产力还受到非生物因素影响,在不同尺度下土壤因子与生产力均呈显著正相关,并且随着尺度的增大,土壤因子对生产力的作用逐渐占据主导地位.在今后研究中应将进化信息与生态系统功能相联系,可为其他多样性度量提供额外的解释力,同时还应考虑空间尺度及非生物因素的影响,为深入了解森林生产力的驱动机制提供科学依据.     

基于地形因素的高寒草甸土壤温湿度和物种多样性与初级生产力关系研究

山地是高寒草甸的主要分布区,地形变化引起了土壤温湿度和物种的差异性分布,进而影响到草地生态系统生产功能。为明晰高寒草甸山地环境因子(土壤温湿度)和物种多样性(丰富度、多度、均匀度、优势度)与初级生产力的关系,本研究以青藏高原东北缘马牙雪山支脉的高寒草甸山体为研究对象,选择阶地、阴坡、山脊和阳坡与3个海拔梯度段,调查了189个样方的植物群落组成和土壤温湿度。采用线性回归法分析土壤温湿度和物种多样性与初级生产力之间的关系。结果表明:(1)以山地高寒草甸整体为研究单元,初级生产力只随物种多度的增加而显著增加(R~2=0.07 P=0.01)。(2)坡向影响初级生产力的因素不同,阴坡初级生产力与物种丰富度正线性相关;山脊初级生产力与土壤湿度正线性相关,也随物种丰富度增加而显著增加;阳坡初级生产力与物种多度正线性相关;阶地初级生产力随均匀度增加而显著增加,随优势度增加而显著降低。(3)只有低海拔区(2860-2910 m)初级生产力随物种多度和丰富度的增加而显著增加。综上所述,山地高寒草甸土壤温湿度和物种多样性与初级生产力关系受坡向比海拔的影响更大,且物种多样性对初级生产力的影响大于土壤温湿度。建议山地高寒草甸生态系统生产和生态管理过程中要重点考虑坡向对植物多样性和初级生产力的影响。     

Trade-offs and synergies between ecosystem productivity and stability in temperate grasslands

Aim

It is crucial to monitor how the productivity of grasslands varies with its temporal stability for management of these ecosystems. However, identifying the direction of the productivity–stability relationship remains challenging because ecological stability has multiple components that can display neutral, positive or negative covariations. Furthermore, evidence suggests that the direction of the productivity–stability relationship depends on the biotic interactions and abiotic conditions that underlie ecosystem productivity and stability. We decipher the relationships between grassland productivity and two components of its stability in four habitat types with contrasting environments and flora.

Location

France.

Time period

2000–2020.

Major taxa

Grassland plant species.

Methods

We used c. 20,000 vegetation plots spread across French permanent grasslands and remotely sensed vegetation indices to quantify grassland productivity and temporal stability. We decomposed stability into constancy (i.e., temporal invariability) and resistance (i.e., maximum deviation from average) and deciphered the direct and indirect effects of abiotic (namely growing season length and nitrogen input) and biotic (namely plant taxonomic diversity, trait diversity and community-weighted mean traits) factors on productivity–stability relationships using structural equation models.

Results

We found a positive relationship between productivity and constancy and a negative relationship between productivity and resistance in all habitats. Abiotic factors had stronger effects on productivity and stability compared with biotic factors. A longer growing season enhanced grassland productivity and constancy. Nitrogen input had positive and negative effects on grassland productivity and resistance, respectively. Trait values affected the constancy and resistance of grassland more than taxonomic and trait diversity, with effects varying from one habitat to another. Productivity was not related to any biotic factor.

Main conclusions

Our findings reveal how vital it is to consider both the multiple components of stability and the interaction between environment and biodiversity to gain an understanding of the relationships between productivity and stability in real-world ecosystems, which is a crucial step for sustainable grassland management.     

浙江定海次生林内物种丰富度与生物量和生产力关系的环境依赖性

迄今生物多样性与生态系统功能关系的研究主要在物种组成随机配置的人工生态系统中进行, 在自然生态系统中研究较少, 且未考虑环境因子如何影响生态系统功能及其与生物多样性的关系。本研究选取亚热带广泛分布的次生林为研究对象, 利用模型拟合的方法, 探讨亚热带次生林中物种丰富度与生物量和生产力之间的关系, 以及环境因子(海拔、坡度、坡向、土层厚度)和次生林恢复时间(林龄)对生物量、生产力、物种丰富度与生物量和生产力间关系的影响。结果表明, 当不考虑环境因子时, 物种丰富度与生物量之间存在显著的线性正相关关系, 而与生产力之间存在显著的二次关系(先增加后减少的驼峰型)。当考虑环境因子时, 个体密度和土层厚度对生物量具有显著影响, 而环境因子对生产力并无显著效应。在坡度较陡、坡向朝南及土层较厚的环境条件下, 物种丰富度与生物量具有显著的线性正相关关系; 而在坡度较缓、坡向朝北及土层较薄的环境条件下, 物种丰富度不影响生物量。在较高海拔环境条件下, 生产力随物种丰富度先增加后减少(驼峰形状), 而在其他环境条件下, 生产力均不响应物种丰富度。以上结果说明自然森林生态系统中物种丰富度与生物量和生产力的关系存在差异, 且其相互间的关系依赖于环境因子。     

Population stability is higher in more diverse annual plant communities

Abstract Theoretical work suggests a paradoxical effect of diversity on the temporal stability of ecological systems: increasing diversity should result in decreased stability of populations while community stability is enhanced. While empirical work indicates that community stability tends to increase with diversity, investigations of the effect of diversity on populations have resulted in few clear patterns. Here, we examine relationships between community diversity and population stability in unmanipulated annual plant communities. We show that, counter to theory, the temporal stability of annual plant populations increases with diversity. In addition, and again counter to theoretical assumptions, mean population size tends to increase with diversity, a pattern most likely due to variation in local productivity. The fact that community diversity, population size and the temporal stability of populations covaried positively suggests that abiotic factors such as productivity may govern population stability to such an extent as to override potential effects of diversity.     

Partitioning the biodiversity effects on productivity into density and size components

Plant density and size — two factors that represent plant survival and growth — are key determinants of yield but have rarely been analysed explicitly in the context of biodiversity–productivity relationships. Here, we derive equations to partition the net, complementarity and selection effects of biodiversity into additive components that reflect diversity-induced changes in plant density and size. Applications of the new method to empirical datasets reveal contrasting ways in which plant density and size regulate yield in species mixtures. In an annual plant diversity experiment, overyielding is largely explained by selection effects associated with increased size of highly productive plant species. In a tree diversity experiment, the cause of overyielding shifts from enhanced growth in tree size to reduced mortality by complementary use of canopy space during stand development. These results highlight the capability of the new method to resolve crucial, yet understudied, demographic links between biodiversity and productivity.     

The role of phytoplankton diversity metrics in shallow lake and river quality assessment

Ecological water quality problems are frequently connected to increment of phytoplankton productivity and overdominance of some phytoplankton species. Metrics that show monotonously increasing or decreasing tendencies along stressor gradients is recommended for ecological state assessment. Diversity metrics are influenced by various physical disturbances and show high within-year variability; thus, there is no agreement on the usefulness of these metrics as state indicators.To test the usefulness of phytoplankton diversity in ecological state assessment we investigated the productivity–diversity relationships for lakes and rivers in the Carpathian Basin (Hungary). We demonstrated that the shape of productivity–diversity relationship depends on the investigated water body type. Regarding lakes, hump-shaped relationship was found for all computed metrics. Parallel with the increase in phytoplankton productivity values, diversity metrics showed monotonously increasing tendencies in rhithral and decreasing tendencies in large potamal rivers. We found no systematic relationship in the case of small lowland rivers.Changes of diversity metrics calculated for species and functional groups showed similar tendencies within the types, only the slopes of regression lines differ each other.The use of diversity metrics as ecological state indicators should be restricted to water body types where diversity decreases or increases monotonously with phytoplankton biomass. Regarding the lakes the use of diversity metrics is not recommended for ecological state assessment. In rhithral and large potamal river assessment, application of diversity metrics should be strongly considered. We demonstrated that diversity metrics can be useful components of multimetric indices proposed to use by the Water Framework Directive.     

生物多样性与生态系统功能:最新的进展与动向

生物多样性与生态系统功能的关系及其内在机制是当前生态学领域的重大科学问题。 2 0 0 2年以来人们不再过多地纠缠于“抽样 -互补之争” ,对这一世纪课题的认识又有了新的进展。 (1)人们开始运用已有的知识揭示更大时间和空间尺度上的物种多样性 -生态系统功能关系。多样性作用机制可能存在着动态变化———“抽样向互补转型” :群落建立初期 ,抽样效应是主要的多样性作用机制 ;随时间推移 ,生态位互补成为主要机制。理论研究则预测 :局域尺度上生态系统功能与物种多样性呈现单峰曲线关系 ,在区域尺度上为单调上升关系 ;(2 )非生物因素与多样性 -生产力的交互关系吸引了许多实验研究。人们发现 :物种多样性 -生产力关系可能会受到资源供给率和环境扰动的修正 ,环境因素可能是多样性 -生产力关系的幕后操纵者 ;(3)人们开始重视营养级相互作用对于多样性 -生态系统功能关系的影响 ,生态位互补和抽样假说开始被扩展运用到消费者营养级上 ;(4 )人们开始认真思考物种共存机制在多样性 -生态系统功能关系的形成中所扮演的角色。理论模型研究表明 ,不同的物种共存机制会导致不同的多样性 -生产力关系