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     

生物多样性与生态系统功能关系研究进展

生物多样性和生态系统功能关系的研究,是生态学和环境学的一个中心论题。围绕这一主题,首先介绍了生物多样性及生态系统功能的含义;其次,一方面历史地回顾了生物多样性与生态系统功能关系的研究,另一方面结合近20年间的研究及实验,分别从多样性与生产力、多样性与稳定性、多样性与生态系统可持续性3个方面系统地阐述了二者关系研究的主要论点;最后,对其今后面临的挑战及发展趋势进行了展望。     

物种多样性与生态系统功能时间变异性的关系研究进展

近年来物种多样性的急剧丧失使得物种多样性与生态系统功能的时间变异性的关系及其机制问题的研究成为了生态学研究的一个热点。综述了物种多样性与群落集合性质变异性以及种群性质变异性的关系及其机制的最新研究成果：1、理论上探讨造成物种多样性与群落集合性质变异性负相关关系的机制包括：抽样效应、资源利用分化假说、统计平均效应、保险假说、种群变异性的均匀度效应等;但实验研究对理论预期的支持并不是普遍的;2．多样性与种群变异性之间的关系主要依赖于均值-方差尺度系数Z;理论上大部分自然群落是种群变异性应该随着多样性的增加而增加;但有研究表明：在变动环境中多样性对单个组分物种的种群水平有稳定性作用;而经验研究并不能得出多样性对种群变异性效应的清晰模式。讨论了目前的理论和实验研究中存在的和今后研究中需要认真思考的问题。     

植物种多样性对生态系统功能的影响

采用8种1年生植物,利用室外盆栽方法构建的植物群落对物种多样性与群落生产力、杂草入侵性之间的关系及其潜在的作用机理进行了研究.结果表明,各物种单播时其生产力和抗杂草入侵能力都有较大差异.物种多样性与群落生产力之间不存在线性关系,而呈现单峰格局关系,即在一定范围内(本研究为4种),物种多样性对生产力增加有促进作用,超过该范围,物种多样性增加,群落生产力不再增加.但群落生产力和物种多样性均与杂草入侵量之间呈显著负相关关系.相对产量总和(RYT)分析表明,资源互补效应是本研究中所观察到的多样性-生产力、多样性-入侵性及生产力-入侵性关系的主要作用机理.     

高寒草地植物物种多样性与功能多样性的关系

物种多样性与功能多样性的关系是生态学当前研究的热点问题之一,不同区域典型生态系统物种多样性和功能多样性的关系研究有利于生物多样性保护理论的全面发展。以青藏高原地区的主要草地生态系统—高寒草甸和高寒草原为研究对象,采用4个物种多样性指数(Patrick丰富度指数、Shannon-Weiner多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数)和9个功能多样性指数(FAD功能性状距离指数、MFAD功能性状平均距离指数、基于样地的FDp和基于群落的FDc功能树状图指数、FRic功能体积指数、FEve功能均匀度指数、Rao功能离散度常二次熵指数、FDiv功能离散指数、FDis功能分散指数),分析了高寒草地植物物种多样性、功能多样性关系及其与初级生产力的关系,以期阐明3个科学问题:不同草地类型的高寒草地生态系统植物物种多样性和功能多样性有何差异?高寒草地生态系统的植物物种多样性和功能多样性有何关系?高寒草地生态系统物种多样性、功能多样性对生态系统功能的影响有何异同?研究结果表明:(1)与高寒草原相比,高寒草甸具有更高的物种多样性、功能丰富度和功能离散度;(2)高寒草甸中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc)和功能离散度指数(FDiv)的具有较强的相关性,最优拟合方程分别为幂函数和二次多项式函数;(3)高寒草原中,Patrick丰富度与功能丰富度指数(FAD、MFAD、FDp、FDc、FRic)、Shannon指数和Simpson指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为二次多项式函数,Pielou指数与FEve指数的相关性较强,最优拟合方程为指数函数;(4)高寒草甸的初级生产力分别与物种丰富度指数Patrick、功能离散指数FDiv具有较强的相关性;而高寒草原的初级生产力与4个物种多样性指数间均具有较强的相关性,与功能离散指数FDiv具有较强的相关性,最佳拟合方程均为二次多项式函数。研究的总体结论为:物种多样性、功能多样性、二者之间的关系以及二者与生态系统服务功能(以初级生产力为例)之间的关系在高寒草甸和高寒草原群落中表现迥异,因此在研究青藏高原高寒草地的生态功能时,不能仅仅测度传统的物种多样性,还应测度与物种多样性、生态功能密切相关的功能多样性。     

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。     

物种多样性和功能群多样性与生态系统生产力的关系——以内蒙古短花针茅草原为例

生物多样性与生态系统生产力之间的关系是当前生态学领域的热点问题。短花针茅(Stipa breviflora)草原是内蒙古荒漠草原的主要类型, 生态系统脆弱, 气候波动剧烈, 研究内蒙古短花针茅草原生物多样性与生产力的关系具有十分重要的意义。该研究在内蒙古短花针茅草原区设置了202个样地进行群落调查, 在干旱区及半干旱区两种资源供给下, 分析了物种丰富度、功能群丰富度与生产力的关系, 旨在解决两个科学问题: 1)物种多样性和功能群多样性中, 哪一种与生产力关系更为密切?2)资源供给对多样性和生产力关系的影响。结果表明: 1)物种丰富度、群落生产力与年降水量呈正相关关系, 而功能群丰富度与年降水量之间不存在显著相关性; 2)群落生产力随物种丰富度的增加而增加, 且两者间呈正线性关系, 功能群丰富度与生产力之间不存在显著相关关系; 3)资源供给会影响多样性与生产力之间的关系, 资源供给低时, 多样性对生产力贡献较低, 资源供给高时, 多样性对生产力的贡献较高。该研究丰富了多样性与生产力关系的研究, 同时, 考虑到植物功能性状的研究在近几年受到生态学家的重视, 且多数研究集中于小尺度的人工控制实验, 因此, 在大尺度自然生态系统中开展功能性状多样性与生态系统功能关系的研究将十分必要。     

生物多样性与生态系统多功能性的关系研究进展

生物多样性与生态系统功能关系是生态学研究的热点之一,以往研究多关注生物多样性与单一生态系统功能之间的关系,然而生态系统能够同时提供多种功能和服务即生态系统多功能性(ecosystem multifunctionality, EMF),仅考虑单一生态系统功能会低估生物多样性的重要性。近年来,EMF研究的重要性受到更多重视,生物多样性与生态系统多功能性(biodiversity and ecosystem multifunctionality, BEMF)关系成为生态学研究新的热点。梳理近15年的研究发现,不同维度、不同尺度的单一或多营养级生物多样性均会对EMF产生显著的影响,并且在全球变化的背景下,自然干扰与人为干扰均会影响生物多样性与生态系统多功能性从而改变BEMF关系,EMF测度方法的差异也可能导致BEMF关系的不一致。生物多样性维度(尺度)选择的局限、不同EMF测度方法的认知差异、BEMF时空数据库的缺乏以及BEMF关系研究方法的单一等问题阻碍了BEMF关系的深入探究。未来研究应对现有测度方法进行深入比较并发展通用的新方法,深入探究多维度、多尺度生物多样性对EMF影响的综合作用。此...     

生产力与生物多样性关系研究进展

生物多样性与生态系统的功能的关系已经成为人类社会面临的一个重大科学问题。本文简要介绍了生产力与生物多样性的概念和研究背景,综述了生产力与物种多样性关系研究的最新进展与争论：1．是物种多样性还是物种特性或物种组成决定生态系统的功能,目前还没有一致的结论;2．生产力与物种多样性关系的尺度效应极其明显,深刻理解和把握生态学尺度和尺度效应有望成为解析生产力与物种多样性关系的突破口：3．不能只保护所谓的关键种,考虑到生态系统的功能很大程度上依赖于受各式各样物种影响的各种不同的过程,尽最大可能保护最大的多样性,才是谨慎而明智的：4．由于自然生态系统极大的复杂性,生产力与物种多样性关系并没有一般的模式。在对已有成果进行综合分析的基础上,对生产力与物种多样性关系研究中亟待解决的区别物种特性与物种多样性问题、尺度问题、实验设计问题进行了探讨,并对未来的发展方向进行了展望。     

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。     

Relationships between functional diversity and ecosystem functioning: A review

Functional diversity, which is the value, variation and distribution of traits in a community assembly, is an important component of biodiversity. Functional diversity is generally viewed as a key to understand ecosystem and community functioning. There are three components of functional diversity, i.e. functional richness, evenness and divergence. Functional diversity and species diversity can be either positively or negatively correlated, or uncorrelated, depending on the environmental conditions and disturbance intensity. Ecosystem functioning includes ecosystem processes, ecosystem properties and ecosystem stability. The diversity hypothesis and the mass ratio hypothesis are the two major hypotheses of explaining the effect of functional diversity on ecosystem functioning, diversity hypothesis reflects that organisms and their functional traits in a assemblage effect on ecosystem functioning by the complementarity of using resources, and mass ratio hypothesis emphasises the identify of the dominant species in a assemblage. These two hypotheses do not contradict each other and instead they reflect the two different sides of functional diversity and functional composition. The effect of functional diversity on ecosystem functioning also depends on abiotic factors, perturbation, management actions, etc. Function diversity potentially influences ecosystem service and management by effecting on ecosystem functioning. Ecosystem management groups should include functional diversity in their scheme and not just species richness.     

A review on the relationships between plant genetic diversity and ecosystem functioning

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

植物遗传多样性与生态系统功能关系的研究进展

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

Two approaches towards the relationship between plant species diversity and ecosystem functioning

Abstract. The main question to be dealt with in the papers published in this Special Feature is to which extent plant species richness can be applied as a parameter in restoration projects to qualify the ecosystem's state. Before considering this problem, it should be recognized that this approach illuminates only one side of the coin; the other side is touched by the opposite question, asking which plant species are essential components of an ecosystem. These two approaches towards the relationship between species richness and ecosystem functioning are not mutually exclusive, but should not be confused either. In view of ecosystem functioning certain species may be considered redundant, while in view of evolutionary processes certain ecosystem processes may be considered redundant. Where do the two approaches meet and when should they be separated? This paper touches upon this question by referring to the dual hierarchy of ecological systems.     

物种多样性与生态系统功能：影响机制及有关假说

本文主要介绍了有关物种多样性对生态系统功能的影响机制及有关假说,包括冗余种假说、铆钉假说、不确定假说、无效假说、补偿／关键种假说、非线性假说、单调／驼峰模型假说等。尽管这些假说的提出都有一定的理论或实验研究基础,但到目前为止,还没有一种假说被普遍认为反映了两者之间关系的实际情形（如果确实存在这样一种普适机制）。通过分析,我们发现在这些假说之间存在一定的内在联系,它们或者互相包含,或者互相补充,并且都可以归结到冗余种假说有关。     

Links between tree species, symbiotic fungal diversity and ecosystem functioning in simplified tropical ecosystems

We studied the relationships among plant and arbuscular mycorrhizal (AM) fungal diversity, and their effects on ecosystem function, in a series of replicate tropical forestry plots in the La Selva Biological Station, Costa Rica. Forestry plots were 12 yr old and were either monocultures of three tree species, or polycultures of the tree species with two additional understory species. Relationships among the AM fungal spore community, host species, plant community diversity and ecosystem phosphorus-use efficiency (PUE) and net primary productivity (NPP) were assessed. Analysis of the relative abundance of AM fungal spores found that host tree species had a significant effect on the AM fungal community, as did host plant community diversity (monocultures vs polycultures). The Shannon diversity index of the AM fungal spore community differed significantly among the three host tree species, but was not significantly different between monoculture and polyculture plots. Over all the plots, significant positive relationships were found between AM fungal diversity and ecosystem NPP, and between AM fungal community evenness and PUE. Relative abundance of two of the dominant AM fungal species also showed significant correlations with NPP and PUE. We conclude that the AM fungal community composition in tropical forests is sensitive to host species, and provide evidence supporting the hypothesis that the diversity of AM fungi in tropical forests and ecosystem NPP covaries.     

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。     

Biodiversity and ecosystem functioning decoupled: invariant ecosystem functioning despite non‐random reductions in consumer diversity

Most research that demonstrates enhancement and stabilization of ecosystem functioning due to biodiversity is based on biodiversity manipulations within one trophic level and measuring changes in ecosystem functions provided by that same trophic level. However, it is less understood whether and how modifications of biodiversity at one trophic level propagate vertically to affect those functions supplied by connected trophic levels or by the whole ecosystem. Moreover, most experimental designs in biodiversity–ecosystem functioning research assume random species loss, which may be of little relevance to non‐randomly assembled communities. Here, we used data from a published ecotoxicological experiment in which an insecticide gradient was applied as an environmental filter to shape consumer biodiversity. We tested how non‐random consumer diversity loss affected gross primary production (an ecosystem function provided by producers) and respiration (an ecosystem function provided by the ecosystem as whole) in species‐rich multitrophic freshwater communities (total of 128 macroinvertebrate and 59 zooplankton species across treatments). The insecticide decreased and destabilized macroinvertebrate and, to a lesser extent, zooplankton diversity. However, these effects on biodiversity neither affected nor destabilized any of the two studied ecosystem functions. The main reason for this result was that species susceptible to environmental filtering were different from those most strongly contributing to ecosystem functioning. The insecticide negatively affected the most abundant species, whereas much less abundant species had the strongest effects on ecosystem functioning. The latter finding may be explained by differences in body size and feeding guild membership. Our results indicate that biodiversity modifications within one trophic level induced by non‐random species loss do not necessarily translate into changes in ecosystem functioning supported by other trophic levels or by the whole community in the case of limited overlap between sensitivity and functionality.     

Relationships between biological soil crusts,bacterial diversity and abundance,and ecosystem functioning: Insights from a semi‐arid Mediterranean environment

Questions: To what degree do biological soil crusts (BSCs), which are regulators of the soil surface boundary, influence associated microbial communities? Are these associations important to ecosystem functioning in a Mediterranean semi‐arid environment? Location: Gypsum outcrops near Belmonte del Tajo, Central Spain. Methods: We sampled a total of 45 (50 cm × 50 cm) plots, where we estimated the cover of every lichen and BSC‐forming lichen species. We also collected soil samples to estimate bacterial species richness and abundance, and to assess different surrogates of ecosystem functioning. We used path analysis to evaluate the relationships between the richness/abundance of above‐ and below‐ground species and ecosystem functioning. Results: We found that the greatest direct effect upon the ecosystem function matrix was that of the biological soil crust (BSC) richness matrix. A few bacterial species were sensitive to the lichen community, with a disproportionate effect of Collema crispum and Toninia sedifolia compared to their low abundance and frequency. The lichens Fulgensia subbracteata and Toninia spp. also had negative effects on bacteria, while Diploschistes diacapsis consistently affected sensitive bacteria, sometimes positively. Despite these results, very few of the BSC effects on ecosystem function could be ascribed to changes within the bacterial community. Conclusion: Our results suggest the primary importance of the richness of BSC‐forming lichens as drivers of small‐scale changes in ecosystem functioning. This study provides valuable insights on semi‐arid ecosystems where plant cover is spatially discontinuous and ecosystem function in plant interspaces is regulated largely by BSCs.