植物功能性状、功能多样性与生态系统功能: 进展与展望

植物功能性状与生态系统功能是生态学研究的一个重要领域和热点问题。开展植物功能性状与生态系统功能的研究不仅有助于人类更好地应对全球变化情景下生物多样性丧失的生态学后果,而且能为生态恢复实践提供理论基础。近二十年来,该领域的研究迅速发展,并取得了一系列的重要研究成果,增强了人们对植物功能性状-生态系统功能关系的认识和理解。本文首先明确了植物功能性状的概念, 评述了近年来植物功能性状-生态系统功能关系领域的重要研究结果, 尤其是植物功能性状多样性-生态系统功能关系研究现状; 提出了未来植物功能性状与生态系统功能关系研究中应加强植物地上和地下性状之间关系及其与生态系统功能、植物功能性状与生态系统多功能性、不同时空尺度上植物功能性状与生态系统功能, 以及全球变化和消费者的影响等方面。     

生物多样性的生态系统功能

本文从以下几个方面综述了生物多样性对生态系统功能和作用的影响：第一,几个关于物种在生态系统中的不同地位和生物多样性如何影响生态系统功能的假说;第二,生物多样性与生态系统的稳定性;第三,生物多样性如何影响生态系统的生产力;第四,生物多样性对生态系统可持续性的影响。此外还提出了几个需要继续探讨和关注的问题。     

生物多样性的生态系统功能

本文从以下几个方面综述了生物多样性对生态系统功能和作用的影响 :第一 ,几个关于物种在生态系统中的不同地位和生物多样性如何影响生态系统功能的假说 ;第二 ,生物多样性与生态系统的稳定性 ;第三 ,生物多样性如何影响生态系统的生产力 ;第四 ,生物多样性对生态系统可持续性的影响。此外还提出了几个需要继续探讨和关注的问题     

小叶锦鸡儿灌丛化对典型草原群落结构与生态系统功能的影响

草原灌丛化是全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题。灌丛化对草原生态系统结构与功能的影响较为复杂, 有待于在更广泛的区域开展研究。该研究在内蒙古锡林郭勒典型草原选择轻度、中度和重度灌丛化草地, 通过群落调查, 结合植物功能性状和土壤理化性质观测, 研究了小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化对草原群落结构(物种多样性、功能多样性和功能群组成)和生态系统功能(初级生产力、植被和土壤养分库)的影响。结果表明: 1)不同程度灌丛化草地的物种丰富度、功能性状多样性和群落加权性状平均值差异显著, 其中, 中度灌丛化草地的物种多样性和功能多样性较高, 表明一定程度的灌丛化有利于生物多样性维持。2)重度灌丛化草地的地上净初级生产力(ANPP)显著高于轻度和中度灌丛化草地, 其原因主要是随着灌丛化程度加剧, 群落内一/二年生草本植物显著增加, 而多年生禾草和多年生杂类草显著减少。三个灌丛化草地的植被叶片和土壤碳、氮库差异均不显著。3)灌丛化对草原生态系统功能包括ANPP、植被和土壤养分库均没有直接的影响, 而是通过影响功能群组成、土壤理化性质和功能多样性, 间接地影响生态系统功能; 灌丛化导致功能群发生替代和土壤旱碱化是最重要的生物和非生物因素。     

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。     

生物多样性和生态系统功能研究综述

生物多样性和生态系统功能之间关系 ,是生态学和环境科学的热门话题。围绕这一主题 ,文章系统回顾了近 2 0年来的研究历史及学术界的不同观点 ,全面展示了目前在理论和实验领域的主要工作结果和研究进展 ,并对今后的发展趋势和面临的挑战作了展望。理论和实验研究都表明 ,生物多样性趋于与生态系统功能 (稳定性 )呈正相关性 ,但是多样性并非是这种关系的直接驱动力。生态系统功能 (稳定性 )潜在地依赖于物种之间相互作用的强度 ,物种的功能反应特性以及生态系统的类型和尺度等。在生物多样性和生态系统功能的研究中 ,重要的不只是结论 ,还应包括其中所隐含的机制。     

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。     

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。     

植物功能性状与森林生态系统服务的关系研究综述

植物功能性状途径是揭示生物多样性与生态系统服务关系的重要视角,尽管植物功能性状与生态系统服务的关系在单一地点的研究取得突出进展,但对于植物功能性状与生态系统服务的关系仍缺乏整体认识。以森林生态系统为对象,通过系统文献检索及筛选,收集了216篇文献,应用整合分析和二分网络分析等方法,探讨了植物功能性状对森林生态系统服务及其权衡与协同关系的影响。结果表明：植物叶片功能性状关注最多,占研究性状数量的48%,生态系统服务中关注最多是生物量、土壤肥力、病虫害控制和固碳服务;81.1%的植物功能性状与生态系统服务关系组表现为稳定的正向或负向关系,而关联植物功能性状多的生态系统服务（生物量、固碳服务、土壤水分、土壤肥力和病虫害控制）往往与植物功能性状表现为不稳定关系;森林生态系统中存在6组"植物功能性状-生态系统服务簇（简称"性状-服务簇"）：水循环相关的性状-服务簇、土壤保持相关的性状-服务簇、物质生产相关的性状-服务簇、灾害控制相关的性状-服务簇、养分循环相关的性状-服务簇和授粉相关的性状-服务簇,揭示了各性状-服务簇内生态系统服务的权衡或协同关系以及与各性状-服务簇关系密切的植物功能性状。该研究从总体上阐明了植物功能性状与森林生态系统服务关系的研究重点和进展、揭示了植物功能性状对森林生态系统服务影响效应的方向和强度,可为深化森林生态系统服务形成机制认识以及协调生态系统服务权衡关系提供科学依据。     

甘南高寒草甸坡向梯度对植物群落功能多样性的影响

植物群落功能多样性对于维持生态系统功能具有十分重要的意义。该研究以青藏高原高寒草甸植物群落为研究对象,运用R软件程序包(FD、Vegan)与单因素方差分析法,分析高寒草甸不同坡向植物群落功能多样性的变化及其与环境因子的关系,以揭示微生境梯度上植物对环境的适应策略以及群落种间功能特征及生态系统内部结构和功能的变化机制。结果显示：(1)青藏高原高寒草甸的北坡和西北坡的物种丰富度、植物株高、比叶面积、叶片有机碳、叶片氮以及叶片磷显著高于其他坡向,且坡向间差异显著(P<0.05)。(2)在北坡到南坡的变化中,功能丰富度差异比较明显(P<0.05),株高、比叶面积、叶片有机碳、叶片氮及叶片磷等功能丰富度均呈递减趋势。(3)北坡的株高功能均匀度、西北坡比叶面积、叶片有机碳、叶片氮及叶片磷等功能均匀度均显著高于南坡,且多元性状功能均匀度在坡向间差异显著(P<0.05)。(4)北坡的比叶面积、叶片氮功能离散度及西北坡的株高、叶片有机碳、叶片磷等功能离散度均高于南坡,且坡向间差异显著(P<0.05)。(5)植物群落功能多样性与土壤含水量、土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷呈显著正相关关系(P<0.05),与坡度、土壤pH、土温、照度呈显著负相关关系(P<0.05)。     

Soil Nematode Diversity: Species Coexistence and Ecosystem Function

Soil nematode species diversity is often high, both at ecosystem and single soil-core scales. First, how can so many species coexist? There is evidence of niche partitioning, notably of physical space, but vast interspecific overlaps and trait plasticity seem equally common. It appears that coexistence of species with similar resource needs is made possible by small-scale disturbance and predation, which likely reduce local population sizes and interspecific competition. Regional processes such as dispersal, large-scale disturbance, and aggregation, which govern ecosystem level diversity, may also affect local species interactions and soil-core scale diversity. Second, what is the significance of having so many species, with so few trophic functions, for ecosystem processes? Focusing on bacterivore diversity, it is clear that species contributions to decomposition, likely to differ as a function of individual biologies, are concealed by the trophic group approach. However, considerable functional redundancy probably exists, which may explain why decomposition processes are maintained in highly disturbed soils despite the extinction of many species. Thus, soil nematode diversity is important for the long-term stability of soil functioning, and merits protection and further study.     

开垦对阿拉善荒漠啮齿动物群落功能多样性的影响

开垦会导致荒漠化的加剧,并对动物群落产生严重的影响。而功能多样性恰恰能体现环境或干扰胁迫导致的群落结构差异。但有关啮齿动物群落功能多样性的研究并不多见,为此,我们在2018至2020年的4月、7月和10月利用铗日法对开垦区和未开垦区的啮齿动物群落进行调查,选择并量化了与其营养、生活史、生理、形态及活动节律等相关的5个功能性状,以探讨开垦对啮齿动物群落组成的影响,以及性状组成和功能多样性变化。研究结果表明：(1)开垦区群落的丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均低于未开垦区,开垦改变了啮齿动物群落性状组成;(2)阿拉善荒漠啮齿动物群落组成与蛰眠、繁殖周期和食性等功能性状显著相关;(3)开垦区春、秋季群落功能丰富度和功能均匀度高于未开垦区,各季节群落功能离散度显著高于未开垦区;而未开垦区夏季群落功能丰富度高于开垦区,秋季群落功能均匀度高于开垦区;(4)开垦区和未开垦区群落功能丰富度最高值均出现在夏季,二者在不同季节间差异较大;开垦区群落功能均匀度最高值出现在春季、功能离散度最高值出现在秋季,二者在季节间差异均较小;未开垦群落功能均匀度最高值出现在秋季、功能离散度最高值出现在夏季,二者在季节间差异均较大。上述结果说明,阿拉善荒漠区啮齿动物群落功能多样性变化与土地开垦和季节相关联,开垦会从啮齿动物群落的生态空间利用程度、资源利用、种间竞争及生态位等方面影响群落功能多样性。     

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.     

Predicting Plant Diversity Response to Disturbance: Applicability of the Intermediate Disturbance Hypothesis and Mass Ratio Hypothesis

Predicting the relationships between disturbance, biodiversity and productivity of ecosystems continue to preoccupy ecologists and resource managers. Two hypotheses underpin many of the discussions. The Intermediate Disturbance Hypothesis (IDH), which proposes that biodiversity peaks at intermediate levels of disturbance, is often extended to predict that productivity follows the same response pattern. The Mass Ratio Hypothesis (MRH) proposes that the biological traits of the dominant species are the critical drivers of ecosystem function (e.g., productivity) and that these species increase in biomass rapidly after disturbance then stabilize. As a consequence, species diversity first peaks then declines after disturbance as a few species dominate the site. Both provide a conceptual link among disturbance, species diversity and productivity (an index of ecosystem function). We assessed the current state of empirical support for these two hypotheses with a literature survey and determined if their conformance is related to ecosystem type or site productivity. Conformance of IDH reported in past reviews (considering all ecosystems) ranged from 16 to 21%. This contrasts with our finding that in terrestrial ecosystems conformance to IDH was 46% (22 of 48 studies), 17% studies reported non-compliance, and 23% reported inconclusive results. Most studies explained their results with respect to IDH or MRH. Only two studies were specifically designed to test the validity of IDH or MRH. We conclude that (i) the IDH is mostly applicable to predict species diversity response to disturbance in upland sites of medium to high productivity and the MRH is applicable to organic sites of low productivity; (ii) there is a critical need for more studies specifically designed to test these hypotheses in natural ecosystems using common protocols; and (iii) enhanced understanding of these models will add value in refining management policies and in the selection of meaningful diversity indicators of sustainability.     

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。     

Original Articles: Plant Attribute Diversity, Resilience, and Ecosystem Function: The Nature and Significance of Dominant and Minor Species

This study tested an hypothesis concerning patterns in species abundance in ecological communities. Why do the majority of species occur in low abundance, with just a few making up the bulk of the biomass? We propose that many of the minor species are analogues of the dominants in terms of the ecosystem functions they perform, but differ in terms of their capabilities to respond to environmental stresses and disturbance. They thereby confer resilience on the community with respect to ecosystem function. Under changing conditions, ecosystem function is maintained when dominants decline or are lost because functionally equivalent minor species are able to substitute for them. We have tested this hypothesis with respect to ecosystem functions relating to global change. In particular, we identified five plant functional attributes—height, biomass, specific leaf area, longevity, and leaf litter quality—that determine carbon and water fluxes. We assigned values for these functional attributes to each of the graminoid species in a lightly grazed site and in a heavily grazed site in an Australian rangeland. Our resilience proposition was cast in the form of three specific hypotheses in relation to expected similarities and dissimilarities between dominant and minor species, within and between sites. Functional similarity—or ecological distance—was determined as the euclidean distance between species in functional attribute space. The analyses provide evidence in support of the resilience hypothesis. Specifically, within the lightly grazed community, dominant species were functionally more dissimilar to one another, and functionally similar species more widely separated in abundance rank, than would be expected on the basis of average ecological distances in the community. Between communities, depending on the test used, two of three, or three of four minor species in the lightly grazed community that were predicted to increase in the heavily grazed community did in fact do so. Although there has been emphasis on the importance of functional diversity in supporting the flow of ecosystem goods and services, the evidence from this study indicates that functional similarity (between dominant and minor species, and among minor species) may be equally important in ensuring persistence (resilience) of ecosystem function under changing environmental conditions.