演替过程中植物功能性状研究进展

植物功能性状是植物在漫长的进化和发展过程中与环境相互作用形成的属性, 与演替有紧密的关系。文章从植物在定居、植物聚集和群落演替过程中的功能性状变化, 以及在群落演替过程中功能性与环境因子相互作用机理等方面进行综述, 探讨植物功能性状与群落演替内在的相关性和规律性, 指出群落演替过程中植物功能性状研究的可能发展方向。     

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。     

植物功能性状与环境和生态系统功能

植物性状反映了植物对生长环境的响应和适应,将环境、植物个体和生态系统结构、过程与功能联系起来(所谓的“植物功能性状”)。该文介绍了植物功能性状的分类体系,综述了国内外植物功能性状与气候(包括气温、降水、光照)、地理空间变异(包括地形地貌、生态梯度、海拔)、营养、干扰(包括火灾、放牧、生物入侵、土地利用)等环境因素,以及与生态系统功能之间关系的研究进展,探讨了全球变化(气候变化和CO₂浓度升高)对个体和群落植物功能性状的影响。植物功能性状的研究已经取得很多成果,并应用于全球变化、古植被恢复和古气候定量重建、环境监测与评价、生态保护和恢复等研究中,但大尺度、多生境因子下的植物功能性状研究仍有待于加强,同时需要改进性状的测量手段;我国的植物功能性状研究还需要更加明朗化和系统化。     

基于功能性状的生态系统服务研究框架

功能性状通过影响生态系统的属性和过程及其维持来影响生态系统服务。功能多样性-生态系统功能关系的研究有助于深入探讨生态系统服务形成机制, 也为生态系统服务研究提供了一个切入点。该文对目前的功能性状和生态系统服务研究框架进行了介绍, 回顾了功能多样性-生态系统功能关系的研究现状, 总结了目前功能性状在生态系统服务研究中的应用, 提出了基于功能性状的生态系统服务研究框架。在这个研究框架中, 首先选取对生态系统功能影响显著的非生物因子和功能多样性指数, 然后量化非生物因子和功能多样性与生态系统功能, 以及生态系统功能-生态系统服务之间的关系, 进而构建功能多样性与生态系统服务的数量关系。与此同时, 利用群落构建理论和物种共存机制分析功能多样性-生态系统功能变化的机制联系, 以研究生态系统服务形成和变化机制, 为生态系统服务管理决策提供科学依据。     

刈割与施肥干扰下高寒草甸植物功能性状的构建模式

针对目前关于植物群落功能性状构建模式及其驱动因素存在的争议, 研究了33个物种10个功能性状的构建模式。研究结果显示: (1)在刈割-施肥复合梯度上, 这些功能性状主要表现为随机构建模式, 发生随机性和确定性构建的样方比例分别为82.7%和17.3%; (2)在10个功能性状中, 生长型、生活周期、单株地上干质量、叶面积和叶干质量5个功能性状为随机构建模式, 不受试验处理和群落特征(地上净初级生产力、刈割生物量损失、群落高度)变化的影响。植物倾斜度、繁殖方式、固氮性、株高和比叶面积5个功能性状的构建模式与试验处理或群落特征变化有关, 表现出趋同或趋异构建响应。其中, 植物倾斜度和比叶面积的构建模式仅受群落特征影响, 而固氮性、繁殖方式和株高3个性状的构建模式同时还受刈割或施肥处理的影响, 其构建模式因功能性状而异; (3)群落的生物量损失和地上净初级生产力是解释植物功能性状构建模式变化较理想的群落特征; (4)刈割和施肥处理对株高的构建模式具有相反效应, 而刈割和施肥的交互作用对其无显著影响。上述结果说明该研究群落植物功能性状的构建存在不同模式, 以随机构建模式为主, 确定性构建模式居次要地位。确定性构建模式与试验处理和群落特征变化有关, 而且是性状依赖的。相反选择力对趋同和趋异构建模式的平衡效应能引起功能性状发生随机构建。     

微生物物种多样性、群落构建与功能性状研究进展

微生物主要包括细菌、真菌、古菌、病毒等类群, 是地球上出现时间最早、分布最广泛、个体数量最多, 以及物种和基因多样性十分丰富的生物类群。为了适应各种生境, 微生物衍生出腐生、寄生、共生等多样的生存策略, 在生物地球化学循环、生态系统演替与稳定性、环境修复以及人类健康等方面发挥着重要作用。传统的微生物监测方法限制了我们对微生物多样性的认知; 但是, 近年来高通量测序技术和生物信息学的发展极大推动了微生物多样性的研究进展。本文概述了近年来在微生物多样性分布格局与维持、群落构建以及功能属性多样性的最新进展; 总结分析了细菌、古菌、真菌的多样性纬度分布格局及其驱动因子, 选择、扩散、成种、漂变等过程对细菌、古菌、真菌的群落构建的贡献, 以及细菌和真菌的形态、生理生化、生长繁殖、扩散、基因组等功能性状的多样性; 提出了未来微生物多样性研究的重要领域: 环境宏真菌组研究, 微生物多样性与生态系统多功能性的关系研究, 以及微生物互作网络的生态功能研究。     

植物功能多样性与功能群研究进展

综述了植物功能多样性与功能群研究的最新进展。介绍了植物功能群的定义及植物功能群的划分方法。在功能多样性与生态系统资源动态关系方面．抽样效应和生态位互补效应用来解释植物多样性在生态系统资源动态中的作用。功能多样性与生态系统的稳定性间的关系可以用生态冗余或生态保险概念来解释,这两个概念是一个问题的两个侧面,是多样性与生态系统功能争论的焦点。     

荒漠植物性状权衡策略及功能多样性研究进展

荒漠植物是干旱区具有独特功能性状与资源权衡表征的地带性植物。植物功能性状及其多样性格局与资源权衡策略对群落结构优化和生态系统功能改善起着关键作用。该综述主要从荒漠植物组织、器官功能性状特征、功能性状权衡策略、功能多样性组分及测度3个方面梳理了荒漠植物性状权衡策略与功能多样性研究的进展脉络：1）荒漠植物独特的根、茎、叶功能性状特征揭露了植被对环境变化的响应以及对生态系统功能的影响,基于植物功能性状的研究有助于解决许多生态学的关键性问题;2）作为植物功能性状之间存在的最普遍的联系,权衡策略是经过自然筛选后形成的性状组合,关键性状已经被发掘并创造性的提出了"经济谱"概念。荒漠植物研究过程中,应分析其根、茎、叶的特征属性筛选关键性状,着眼于关键性状间及整株植物性状间的权衡策略;3）功能多样性是影响生态系统运行和发挥作用的生物多样性的重要组成部分,荒漠植物功能多样性能预测和指示群落中物种对于荒漠生态系统功能发挥和过程变化的影响。功能多样性的组分可以从不同角度反映群落的生态位占据状况和资源利用程度,指数的选择要体现在群落内部物种的功能特征之间的差异程度,同时要考虑这些物种自身在群落内的优势程度。本研究为未来荒漠植物功能性状及多样性研究梳理了一些新的研究方向和内容,期望为荒漠植物生理生态学研究的选题和发展提供一些新的思路。     

植物群落构建机制研究进展

群落构建研究对于解释物种共存和物种多样性的维持是至关重要的,因此一直是生态学研究的中心论题。尽管近年来关于生态位和中性理论的验证研究已经取得了显著的成果,但对于局域群落构建机制的认识仍存在很大争议。随着统计和理论上的进步使得用功能性状和群落谱系结构解释群落构建机制变为可能,主要是通过验证共存物种的性状和谱系距离分布模式来实现。然而,谱系和功能性状不能相互替代,多种生物和非生物因子同时控制着群落构建,基于中性理论的扩散限制、基于生态位的环境过滤和竞争排斥等多个过程可能同时影响着群落的构建。所以,综合考虑多种方法和影响因素探讨植物群落的构建机制,对于预测和解释植被对干扰的响应,理解生物多样性维持机制有重要意义。试图在简要回顾群落构建理论及研究方法发展的基础上,梳理其最新研究进展,并探讨整合功能性状及群落谱系结构的研究方法,解释群落构建和物种多样性维持机制的可能途径。在结合功能性状和谱系结构研究群落构建时,除了考虑空间尺度、环境因子、植被类型外,还应该关注时间尺度、选择性状的种类和数量、性状的种内变异、以及人为干扰等因素对群落构建的影响。     

桂林岩溶石山青冈群落植物功能性状的种间和种内变异研究

研究植物功能性状的种间和种内变异,有助于揭示植物对环境的适应策略及其群落构建机制研究。以桂林岩溶石山青冈群落主要木本植物为研究对象,选取叶干物质含量（LDMC）、叶厚度（LT）、比叶面积（SLA）和木材密度（WD）4个功能性状,采用混合线性模型结合方差分解方法对其在种内和种间尺度的变异程度和相对贡献进行分析,同时运用零模型方法探讨驱动岩溶石山青冈群落构建的潜在机制。结果表明：（1） LDMC,LT,SLA和WD这4个性状在种内和种间水平上均存在不同程度的变异幅度,种间变异大于种内变异,但种内变异亦不容忽略。（2）零模型检验表明,将种内变异纳入考虑的环境过滤检测得到改善,基于个体性状值的尺度考虑群落构建机制研究是必要的。（3）对于桂林岩溶石山青冈群落,环境过滤作用确实是群落构建的重要驱动机制,与相似性限制作用和随机作用共同塑造了以青冈为优势物种的群落构建。     

Functional traits explain ecosystem function through opposing mechanisms

The ability to explain why multispecies assemblages produce greater biomass compared to monocultures, has been a central goal in the quest to understand biodiversity effects on ecosystem function. Species contributions to ecosystem function can be driven by two processes: niche complementarity and a selection effect that is influenced by fitness (competitive) differences, and both can be approximated with measures of species’ traits. It has been hypothesised that fitness differences are associated with few, singular traits while complementarity requires multidimensional trait measures. Here, using experimental data from plant assemblages, I show that the selection effect was strongest when trait dissimilarity was low, while complementarity was greatest with high trait dissimilarity. Selection effects were best explained by a single trait, plant height. Complementarity was correlated with dissimilarity across multiple traits, representing above and below ground processes. By identifying the relevant traits linked to ecosystem function, we obtain the ability to predict combinations of species that will maximise ecosystem function.     

功能多样性及其研究方法

功能多样性是联系生物多样性和生态系统功能的关键性因素。植物群落内功能多样性的量化描述对于研究生物多样性响应环境变化及其对生物多样性-生态系统功能关系的影响至关重要。由于功能多样性的概念含混不清,使得对其范围的确定、定量描述及其对生态系统功能的作用的评价存在较大的难度。在查阅大量文献的基础上,以植物群落为例,介绍了功能多样性的定义、计算方法及研究中应注意的问题。在植物群落功能多样性指数的选择和测定过程中,对获取相关物种必要的功能特征信息、确定其权重、确定不同物种在群落中的相对丰富度、利用所得的功能多样性指数解释和预测生态系统过程的变化等问题,进行了研究。     

长白山针阔混交林不同演替阶段群落系统发育和功能性状结构

群落构建一直是生态学研究的热点,基于系统发育和功能性状量化生境过滤、竞争排斥以及随机过程在群落构建中的作用,能够深入理解群落构建机制。本研究以长白山针阔混交林不同演替阶段的3个5.2 hm~2样地(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始椴树红松林)为平台,基于被子植物分类系统Ⅲ(Angiosperm Classification System,APGⅢ)构建的系统发育树和7个关键功能性状(叶面积、比叶面积、叶片厚度、叶片氮含量、叶片磷含量、氮磷比、最大树高),结合环境数据,分析不同演替阶段群落系统发育和功能性状结构。研究表明:(1)各演替阶段7个植物功能性状都表现出显著的系统发育信号,表明植物功能性状受系统发育历史影响;(2)系统发育和功能性状结构在不同演替阶段和不同径级均为非随机状态。随着演替的推进群落系统发育和功能性状结构由聚集走向发散;随着径级的增加,系统发育和功能性状结构的聚集程度减小,表明随着演替阶段的进行和径级增大,竞争性排斥的作用逐渐明显;(3)各演替阶段系统发育和功能性状的周转都为非随机且不同因子对两者的解释力度存在差异。演替早期空间距离的解释力度小于环境距离,说明生境过滤在群落构建中的重要性,而在演替后期空间距离的解释力度大于环境距离,验证了扩散限制在群落构建中的重要性。     

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.     

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。     

What does species richness tell us about functional trait diversity? Predictions and evidence for responses of species and functional trait diversity to land‐use change

In the conservation literature on land‐use change, it is often assumed that land‐use intensification drives species loss, driving a loss of functional trait diversity and ecosystem function. Modern research, however, does not support this cascade of loss for all natural systems. In this paper we explore the errors in this assumption and present a conceptual model taking a more mechanistic approach to the species–functional trait association in a context of land‐use change. We provide empirical support for our model's predictions demonstrating that the association of species and functional trait diversity follows various trajectories in response to land‐use change. The central premise of our model is that land‐use change impacts upon processes of community assembly, not species per se. From the model, it is clear that community context (i.e. type of disturbance, species pool size) will affect the response trajectory of the relationship between species and functional trait diversity in communities undergoing land‐use change. The maintenance of ecosystem function and of species diversity in the face of increasing land‐use change are complementary goals. The use of a more ecologically realistic model of responses of species and functional traits will improve our ability to make wise management decisions to achieve both aims in specific at‐risk systems.     

Using phylogeny and functional traits for assessing community assembly along environmental gradients: A deterministic process driven by elevation

Community assembly processes is the primary focus of community ecology. Using phylogenetic‐based and functional trait‐based methods jointly to explore these processes along environmental gradients are useful ways to explain the change of assembly mechanisms under changing world. Our study combined these methods to test assembly processes in wide range gradients of elevation and other habitat environmental factors. We collected our data at 40 plots in Taibai Mountain, China, with more than 2,300 m altitude difference in study area and then measured traits and environmental factors. Variance partitioning was used to distinguish the main environment factors leading to phylogeny and traits change among 40 plots. Principal component analysis (PCA) was applied to colligate other environment factors. Community assembly patterns along environmental gradients based on phylogenetic and functional methods were studied for exploring assembly mechanisms. Phylogenetic signal was calculated for each community along environmental gradients in order to detect the variation of trait performance on phylogeny. Elevation showed a better explanatory power than other environment factors for phylogenetic and most traits’ variance. Phylogenetic and several functional structure clustered at high elevation while some conserved traits overdispersed. Convergent tendency which might be caused by filtering or competition along elevation was detected based on functional traits. Leaf dry matter content (LDMC) and leaf nitrogen content along PCA 1 axis showed conflicting patterns comparing to patterns showed on elevation. LDMC exhibited the strongest phylogenetic signal. Only the phylogenetic signal of maximum plant height showed explicable change along environmental gradients. Synthesis. Elevation is the best environment factors for predicting phylogeny and traits change. Plant's phylogenetic and some functional structures show environmental filtering in alpine region while it shows different assembly processes in middle‐ and low‐altitude region by different trait/phylogeny. The results highlight deterministic processes dominate community assembly in large‐scale environmental gradients. Performance of phylogeny and traits along gradients may be independent with each other. The novel method for calculating functional structure which we used in this study and the focus of phylogenetic signal change along gradients may provide more useful ways to detect community assembly mechanisms.