刈割、围封、放牧三种利用方式下草原生态系统的多功能性与植物物种多样性之间的关系

随着全球变化对生物多样性的影响不断加剧, 生物多样性与生态系统功能之间相互关系(BEF)的研究显得极为重要。过去的20多年, BEF的研究大多集中在对物种多样性与单一或少数生态系统功能之间关系的探讨, 但生态系统最为重要的价值是同时维持多种服务和功能的能力, 基于此, 该文首次在国内引入近年来不断完善的生态系统多功能性(multifunctionality)的概念, 并对目前主流的评价方法进行了改进, 从而对内蒙古三种利用方式(刈割、围封、放牧)下的草地群落进行了多功能性评价, 并探讨了多功能性与物种多样性之间的关系。结果显示本研究改进的方法和目前主流方法评价得出的多功能性指数在样方和样地尺度上都有很高的相关性(R² = 0.6956, p < 0.0001; R² = 0.9231, p < 0.0001), 表明该文作者改进后的方法是可靠的。重度放牧的草地群落物种多样性水平最低, 绝大多数土壤功能指标较差, 表现出退化特征; 7年的围封和刈割群落均有较高的物种多样性水平和改善的土壤功能指标; 三者的多功能性指数为刈割(0.2178) >围封(0.0704) >放牧(-0.8031)。植被样方主要沿水肥梯度分布; 多样性指数中, 均匀度指数(Pielou index)和丰富度指数(Margelf index)对多功能性的影响作用最大, 均为样方尺度(R² = 0.1871, p < 0.0001; R² = 0.1601, p < 0.0001)小于样地尺度(R² = 0.5921, p = 0.0093; R² = 0.7499, p = 0.0007), 有尺度依赖性; 多功能性在样方和样地尺度上均与物种均匀度呈线性正相关关系, 而与物种丰富度呈单峰曲线关系。该文研究结果表明, 相对于重度放牧和围封, 刈割更有利于维持该地区生态系统的多功能性; 物种丰富度适中且物种分布均匀的生态系统可能有更好的多功能性。     

放牧对草地生态系统服务和功能权衡关系的影响

内蒙古草原是我国北方的重要生态屏障和绿色畜牧业基地, 放牧是草原生态系统的主要利用和管理方式, 在放牧管理中充分发挥生态系统某一项或几项服务和功能最大利用价值时, 往往会与其他服务(功能)发生冲突, 需要权衡多项生态系统服务和功能, 制定合理的放牧管理制度。该研究以内蒙古锡林郭勒典型草原为例, 通过设置不放牧、轻度放牧、中度放牧以及重度放牧的放牧梯度, 从多项生态系统服务和功能权衡的角度比较了最适放牧管理强度。结果显示, 在放牧管理的草地生态系统服务和功能的权衡中, 权衡、协同、不相关关系同时存在, 如土壤呼吸速率与植物群落净生长量、生物多样性与植物群落净光合速率表现为权衡关系, 植物群落净生长量分别与土壤含水量、植物群落净光合速率及草地蒸散速率存在协同关系, 土壤有机碳含量与其他服务或功能间呈不相关关系; 放牧能不同程度地削弱多项生态系统服务及功能间的权衡关系(冲突对立关系); 中度放牧条件下的多项生态系统服务及功能的协同性最佳。     

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。     

Effects of fertilization and clipping on species diversity,productivity and their relationship in subalpine meadow

施肥和刈割分别对植物群落物种多样性和生产力有重要的影响。采用不同施肥水平和刈割频度, 研究了施肥和刈割对亚高山草甸植物群落物种多样性与生产力及其关系的影响。结果显示, 5年的施肥和刈割处理对群落地上生物量均有显著影响, 但对物种多样性影响不显著; 物种多样性与生产力之间的关系因施肥和刈割次数的不同而不同, 有负相关、二次函数关系和不相关等几种类型, 多数为不相关。此结果表明施肥和刈割并不总是一致性地影响群落物种多样性与生产力。因此, 不同施肥和刈割处理下的亚高山草甸植物群落生产力与物种多样性之间并没有确定的关系。     

A landscape‐scale assessment of the relationship between grassland functioning,community diversity,and functional traits

Livestock farmers rely on a high and stable grassland productivity for fodder production to sustain their livelihoods. Future drought events related to climate change, however, threaten grassland functionality in many regions across the globe. The introduction of sustainable grassland management could buffer these negative effects. According to the biodiversity–productivity hypothesis, productivity positively associates with local biodiversity. The biodiversity–insurance hypothesis states that higher biodiversity enhances the temporal stability of productivity. To date, these hypotheses have mostly been tested through experimental studies under restricted environmental conditions, hereby neglecting climatic variations at a landscape‐scale. Here, we provide a landscape‐scale assessment of the contribution of species richness, functional composition, temperature, and precipitation on grassland productivity. We found that the variation in grassland productivity during the growing season was best explained by functional trait composition. The community mean of plant preference for nutrients explained 24.8% of the variation in productivity and the community mean of specific leaf area explained 18.6%, while species richness explained only 2.4%. Temperature and precipitation explained an additional 22.1% of the variation in productivity. Our results indicate that functional trait composition is an important predictor of landscape‐scale grassland productivity.     

甘南高寒草甸海拔梯度上功能多样性与生态系统多功能的关系

植物群落功能多样性与生态系统多功能的关系是近年来生态学研究的新视角,以往的研究多关注植物群落功能多样性与单一生态系统功能的关系,缺乏对生态系统多功能的理解。本研究以甘南高寒草甸植物群落为对象,选取地上生物量、土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷、土壤速效氮和土壤速效磷6个功能指标,运用Bartlett球形度检验与多阈值分析法,分析甘南高寒草甸海拔梯度上植物群落功能多样性与生态系统多功能的关系。结果表明:不同海拔植物群落组成差异显著,且海拔3500 m物种丰富度、植物盖度显著高于其他海拔。一元、多元功能多样性随海拔升高总体呈降低趋势,且海拔间差异显著。冗余分析发现,一元、多元功能丰富度、功能均匀度、Rao的二次熵均与土壤温度、土壤含水量、土壤容重呈显著正相关,与土壤pH、土壤电导率呈显著负相关。在较大阈值范围(6%～89%)内,功能多样性对生态系统多功能具有显著正效应;基于相关分析、最优回归模型和随机森林模型分析发现,功能多样性中多元功能丰富度指数与生态系统多功能具有显著正线性关系,同时多元功能丰富度也是生态系统多功能的主要驱动因素。总体来看,功能丰富度对青藏高原高寒草甸生态系统多功能的影响最为显著。     

刈割、施肥和浇水对高寒草甸物种多样性、功能多样性与初级生产力关系的影响

通过在高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸为期4年的刈割(留茬1 cm、3 cm及不刈割)、施肥(尿素7.5 g·m^-2·a^-1+磷酸二铵1.8 g·m^-2·a^-1、不施肥)和浇水(20.1 kg·m^-2·a^-1、不浇水)控制实验, 对该生态系统中功能多样性与物种多样性的变化及其与初级生产力关系进行了研究。结果表明: 刈割和施肥显著影响植物性状和生产力, 而浇水作用微弱。刈割对物种多样性无影响, 但对不同功能多样性指数的影响不同; 施肥降低了物种多样性和以所有性状(除植株高度外)量化的功能多样性; 浇水仅对物种丰富度有微弱影响。各功能多样性的平均值能更好地反映群落物种间的功能差异。功能多样性和物种多样性呈正相关或不相关, 且二者与初级生产力的关系可表现为正相关、负相关和不相关, 说明三者间的关系是性状依赖的, 并受生境资源状况和刈割扰动的影响。植物功能性状对群落初级生产力有更加直接的影响。在考虑生物多样性对生态系统功能的影响时, 应更加注重对植物功能属性变化的研究。     

放牧和模拟增温对藏北高寒草地植物群落特征及生产力的影响

气候变化和放牧活动对草地植物物种多样性和生产力具有重要影响。为探索藏北高寒草地植物物种多样性和生产力对增温、放牧及其交互作用的响应, 于2011年在藏北高原开始建立增温实验平台, 2016年起增设放牧、增温+放牧实验, 连续2年(2016-2017年)观测了植物群落特征、群落组成、生产力和物种多样性。结果表明, 增温和放牧对高寒草地植物高度和净初级生产力具有显著交互作用。在放牧条件下, 增温对植物高度无显著影响; 但在不放牧条件下, 增温却显著增加了植物高度。在放牧条件下, 增温对净初级生产力的影响存在年际差异, 2016年增温对生产力无显著影响, 2017年增温显著降低了植物净初级生产力; 但在不放牧条件下, 增温对植物净初级生产力无显著影响。增温和放牧对高寒草地植物物种丰富度、盖度、重要值及多样性均无显著交互作用。植物盖度在增温和放牧条件下显著降低, 杂类草物种比例显著增加, 但物种多样性均无显著变化。研究表明, 增温和放牧显著改变高寒草地群落结构。未来气候变化条件下, 放牧活动加剧有可能导致高寒草地生产力降低。     

亚高山草甸植物群落物种多样性与群落C、N、P生态化学计量的关系

通过测定祁连山东部亚高山草甸256个群落样方的群落物种数和地上植物的C、N、P元素含量, 探究了该地区高产草地和低产草地植物群落物种多样性与植物群落C、N、P生态化学计量特征的关系。结果表明: 高产样地植物群落C、N、P含量的平均值分别为53.05%、1.99%、0.22%; 而低产样地植物群落C、N、P含量的平均值分别为52.51%、2.28%、0.19%。高产和低产样地植物群落C、N、P元素含量均呈现显著差异。高产样地上植物群落的物种数与N含量和N:P呈显著正相关关系, 与C:N呈显著负相关关系, 但与C、P含量和C:P无明显相关关系; 低产样地上植物群落的物种数与N、P含量呈极显著负相关关系, 与C:N和C:P呈显著正相关关系, 但与C含量和N:P无明显相关关系。说明高产草地和低产草地植物群落物种多样性与养分元素化学计量特征显示出一定的分异性, 高产样地上植物群落的物种数主要受N含量的限制, 与N含量呈正相关关系; 低产样地上植物群落的物种数则受N、P含量共同限制, 与N、P含量呈负相关关系。     

On the relationship between plant species diversity and genetic diversity of Plantago lanceolata (Plantaginaceae) within and between grassland communities

Aims and Methods The relationship between genetic diversity and species diversity and the underlying mechanisms are of both fundamental and applied interest. We used amplified fragment length polymorphism (AFLP) and vegetation records to investigate the association between genetic diversity of Plantago lanceolata and plant species diversity using 15 grassland communities in central Germany. We used correlation and partial correlation analyses to examine whether relationships between genetic and species diversity were direct or mediated by environmental differences between habitats.Important findings Both within- and between-population genetic diversity of P. lanceolata were significantly positively correlated with plant species diversity within and between sites. Simple and partial correlations revealed that the positive correlations indirectly resulted from the effects of abiotic habitat characteristics on plant species diversity and, via abundance, on genetic diversity of P. lanceolata. Thus, they did not reflect a direct causal relationship between plant species diversity and genetic diversity of P. lanceolata, as would have been expected based on the hypothesis of a positive relationship between plant species diversity and niche diversity.     

取样尺度对亚高寒草甸物种多样性与生产力关系的影响

植物物种多样性与生产力之间的关系是群落生态学的一个热点问题, 目前仍存在着很多争议。为探究自然群落中二者之间的关系, 对青藏高原亚高寒草甸3个样地的自然植物群落分别进行了不同取样面积的抽样调查。结果显示, 取样样地和取样尺度均对物种丰富度有显著影响, 取样样地而非取样尺度对群落地上生物量有显著性影响。在某一时刻对某一样地进行取样, 其单位面积生产力并不因取样面积的增加而提高, 而是保持恒定的, 尽管物种数随取样面积的增加而有明显增多。物种多样性与生产力之间的回归关系因样地与取样尺度不同而不同, 有U型、单峰型、正线性相关和无相关性, 其中无相关性出现的最多。据此推测, 亚高寒草甸群落物种多样性与生产力之间不存在某种确定性关系, 或者说, 亚高寒草甸物种多样性和生产力之间不存在必然的因果联系。     

高寒草甸不同草地群落物种多样性与生产力关系研究

生态系统的结构和功能、生物多样性与生产力的关系问题是近年来群落生态学中研究的中心问题,其中,生态系统生产力水平是其功能的重要表现形式,用4种不同草地类型探讨自然群落的物种多样性与生产力关系.结果表明,矮嵩草草甸、小嵩草草甸和金露梅灌丛群落中物种多样性与生产力的关系呈线性增加关系,藏嵩草沼泽化草甸群落中线性增加关系不显著,这表明群落生产力除受物种多样性的影响外,也受物种本身特征和环境资源的影响.不同的环境资源和环境异质性是形成群落结构特征、物种多样性分布格局差异的主要原因之一.     

放牧干扰下高寒草甸物种、生活型和功能群多样性与生物量的关系

为明晰放牧强度对高寒草甸物种、生活型以及功能群多样性和生物量的时间累积作用以及对多样性与生物量之间相互关系的影响。选择青藏高原东北缘高寒草甸,在6个放牧强度样地连续4 a(2012—2015)进行物种、生活型、功能群多样性和生物量调查。采用重复测量方差分析和线性回归法分析放牧强度和放牧年份对物种、生活型、功能群多样性以及多样性与生物量之间的相关关系的影响。结果表明:(1)放牧强度和放牧年份均对生物量产生显著影响。随放牧强度增加,生物量显著降低。但随放牧年份延长,不同放牧强度区生物量无一致的变化规律。(2)放牧年份对物种、生活型和功能群丰富度、均匀度和优势度的影响均达到显著水平。但放牧强度和放牧年份只对物种丰富度产生交互作用,放牧强度对物种丰富度的影响具有时间的累积效应。(3)放牧干扰下不同层次多样性,仅物种丰富度与所有多样性指数显著相关,物种丰富度可以作为物种多样性测度的代表性指标。(4)多样性与生物量关系的研究,对丰富度而言,仅低放牧强度样地(Plot2)中物种丰富度随生物量增加而显著降低,其余放牧强度样地的物种、生活型和功能群丰富度均与生物量无关。对均匀度而言,高放牧强度样地(Plot4、Plot5、Plot6)生活型均匀度随生物量的增加而显著降低。对优势度而言,高放牧强度样地生活型优势度随生物量的增加而显著增加。生活型多样性可作为放牧干扰下生物量变化快速预测的有效指标。     

Relationships between species diversity or community structure and productivity of woody-plants in a broad-leaved Korean pine forest in Jiaohe,Jilin, China

Aims Based on the dataset of a broad-leaved Korean pine forest in Jiaohe, Jilin Province, this research compared the influences of species diversity and community structure on productivity. We aim to explain the relationship between diversity and productivity for better forest management. Methods We used the data of 10 973 woody-plants in a 11.76 hm² large sample plot and analyzed the correlations between 7 different indices of species diversity or community structure and productivity. Structural equation model was used to compare the effects of species diversity and community structure on productivity. Important findings The results showed that: (1) Both species diversity and community structure had significant effects on productivity when they were considered separately in linear regression analysis, i.e. species evenness was negatively correlated with productivity, the Shannon index of community structure was positively correlated with productivity and the Gini index was negatively correlated with productivity. (2) In the structural equation model, when simultaneously considered, community structure had stronger influence on productivity than species diversity. Our research suggests that, the effects of community structure on productivity are greater than species diversity and it is important to increase community structure complexity to improve forest productivity during forest management.     

中国东部海岛黑松群落功能多样性的纬度变异及其影响因素

黑松(Pinus thunbergii)群落在中国东海和黄海海域的海岛广泛分布, 研究其功能多样性的纬度变化特征及其影响因素, 有助于揭示是否在高度隔离的片断化景观中, 同一植物群落类型的生物多样性也具有显著的纬度地带性特征。该研究调查和测定了中国东部海域跨越13个纬度的27个海岛60个黑松群落的物种组成和植物功能性状, 分析了生物因素(黑松优势度和物种多样性)与非生物因素(年平均气温、总太阳辐射和干旱指数)与黑松群落功能多样性的关系, 并利用广义线性回归和方差分解揭示了各影响因素对黑松群落功能多样性的相对影响。主要结果: 随纬度升高, 群落的黑松优势度和物种丰富度, 以及枝干性状和枝叶性状总体的功能丰富度、功能分散度、Rao二次熵均显著降低, 但叶片功能多样性无显著变化趋势。黑松优势度、物种多样性和气候综合解释了枝叶性状总体功能丰富度、分散度和Rao二次熵变异的63%、47%和39%, 枝干性状功能丰富度、分散度和Rao二次熵变异的56%、67%和53%, 对叶片性状功能多样性的综合解释度较低(21%-30%)。物种丰富度和辛普森多样性显著增加叶功能多样性, 香农-维纳多样性显著降低叶功能丰富度。干旱度显著增加枝叶性状总体和枝干功能多样性, 年平均气温显著降低枝干功能分散度和Rao二次熵。该结果表明, 中国东部海岛黑松群落的功能多样性具有明显的纬度格局, 气候因素和物种丰富度是决定黑松群落功能多样性纬度变异的重要因素。     

Short-term effects of a winter wildfire on diversity and intensity of soil microbial function in the subalpine grassland of western Sichuan,China

为可持续管理川西亚高山草地生态系统, 全面地了解火后土壤微生物功能的多样性和强度的变化及其恢复状况, 基于2010年“12·5”冬草场的火烧事件, 以川西亚高山草地为研究对象, 对比了火烧和未火烧区域0-20 cm土层土壤中7种酶(β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶)的活性变化, 分析了土壤微生物功能多样性及其强度对火处理的响应。结果发现, 7种酶的潜在活性在0-5 cm土层中皆有所增加, 但对火处理、土层深度和两者交互作用的响应有所差异; 其中, 碱性磷酸酶在指示该区域火后微生物功能多样性和强度短期内的变化时具有较好的灵敏性和指示性。火在一定程度上促进了表土层微生物功能的发挥, 但是土壤微生物功能多样性及其强度对火和土层深度(0-20 cm)的响应并不显著。因此, 为能更好地揭示干扰行为对微生物生物多样性的影响机制, 未来应加强土壤微生物群落功能稳定性的研究。     

刈割、施肥对高寒草甸物种多样性与生态系统功能关系的影响及群落稳定性机制

植物群落中不同“功能身份”物种的多样性与特定生态系统功能之间具有何种关系及其作用机制尚不明确。通过在高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸为期5年的刈割(不刈割、留茬3 cm、留茬1 cm)、施肥(施肥、不施肥)和浇水(浇水、不浇水)控制实验, 研究了刈割与土壤资源获得性梯度上不同“功能身份”物种(群落中所有物种、响应物种、作用物种和共有物种)的多样性变化与群落地上净初级生产力和稳定性的关系以及稳定性机制。研究结果显示: 群落中响应物种、作用物种和共有物种数分别占全部物种数的36.6%、18.3%和64.8%, 物种多样性对生态系统功能具有不同的效应, 净初级生产力主要受响应物种和作用物种的多样性变化影响, 而稳定性则主要由共有物种的多样性变化决定; 群落稳定性的维持主要依赖于共有物种的多样性增加, 其作用机制是投资组合效应, 而超产效应和异步性效应对稳定性并无作用; 刈割和施肥对物种多样性、稳定性和净初级生产力具有相反的影响, 前者能增加物种多样性和稳定性, 并降低净初级生产力, 而后者的作用正相反。这与群落中全部物种的多样性变化受刈割影响较大, 而作用物种的多样性变化受资源获得性影响较大有关。上述结果表明高寒草甸生态系统地上净初级生产力主要由少数影响生产力的作用物种的多样性决定, 而稳定性则由大量共有物种的多样性所掌控。投资组合效应是物种多样性导致稳定性的机制。由于群落中不同物种的多样性效应具有分异性, 对于特定的生态系统功能而言, 物种的“功能身份”可能比物种多样性本身更重要, 不加区别地笼统定义物种多样性与生态系统功能的关系可能欠妥。     

Carbon fluxes and species diversity in grazed and fenced typical steppe grassland of Inner Mongolia,China

Aim Grasslands are dominant vegetation of China, support outstanding biodiversity and sequester bulk amount of atmospheric CO₂. These grasslands are highly degraded and fragmented due to remarkable anthropogenic and grazing loads. Chinese Government has made great attempt to restore by grazing exclusion. The relations of carbon fluxes with species composition and diversity in the communities sensitive to grazing by large herbivores are needed to be analysed under the global climate change scenario. The objective of present study was to comprehend the effects of grazing and fencing on the ecosystem structure and function of the typical steppe grassland.     

The importance of rare species: a trait‐based assessment of rare species contributions to functional diversity and possible ecosystem function in tall‐grass prairies

The majority of species in ecosystems are rare, but the ecosystem consequences of losing rare species are poorly known. To understand how rare species may influence ecosystem functioning, this study quantifies the contribution of species based on their relative level of rarity to community functional diversity using a trait‐based approach. Given that rarity can be defined in several different ways, we use four different definitions of rarity: abundance (mean and maximum), geographic range, and habitat specificity. We find that rarer species contribute to functional diversity when rarity is defined by maximum abundance, geographic range, and habitat specificity. However, rarer species are functionally redundant when rarity is defined by mean abundance. Furthermore, when using abundance‐weighted analyses, we find that rare species typically contribute significantly less to functional diversity than common species due to their low abundances. These results suggest that rare species have the potential to play an important role in ecosystem functioning, either by offering novel contributions to functional diversity or via functional redundancy depending on how rare species are defined. Yet, these contributions are likely to be greatest if the abundance of rare species increases due to environmental change. We argue that given the paucity of data on rare species, understanding the contribution of rare species to community functional diversity is an important first step to understanding the potential role of rare species in ecosystem functioning.