海南島熱帶天然林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的研究.pdf

1、全球生態(tài)系統(tǒng)正在遭遇劇烈的變化，從而加快了物種滅絕的速率。全球生物多樣性減少和喪失對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響是當(dāng)前生態(tài)學(xué)最為關(guān)注的領(lǐng)域之一。大量關(guān)于生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系(BEF)的研究結(jié)果表明生物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能具有顯著的影響。目前，大多數(shù)有關(guān)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系(BEF)的研究主要是通過對(duì)草本植物的控制實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行的，由于其選擇的物種數(shù)量有限再加之控制的條件與野外群落的實(shí)際生態(tài)條件有較大差異，因此其結(jié)果與野外實(shí)際情況的吻合

2、性還有待證實(shí)?；谝巴鈱?shí)地的調(diào)查觀察也還很少，尤其在森林生態(tài)系統(tǒng)中更是這樣。但基于野外調(diào)查的研究更加符合生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的實(shí)際情況。此外，以往的研究主要側(cè)重于物種豐富度如何影響生態(tài)系統(tǒng)功能，而較少關(guān)注生物多樣性的其他方面（例如功能多樣性和譜系多樣性）的作用。本文以海南島霸王嶺自然保護(hù)區(qū)刀耕火種后處于不同演替階段的熱帶低地雨林、尖峰嶺自然保護(hù)區(qū)不同海拔梯度的老齡林以及尖峰嶺自然保護(hù)區(qū)30公頃熱帶山地雨林大樣地為研究對(duì)象，通過群

3、落學(xué)調(diào)查、功能性狀測(cè)定及環(huán)境因子分析，探討了功能性狀和生物多樣性（包括物種多樣性、功能多樣性及譜系多樣性）及生態(tài)系統(tǒng)主要功能（本文僅分析林分地上部分生物量）隨時(shí)間（演替階段）和空間（海拔梯度和生境類型）的變化，并評(píng)估了群落演替過程中，評(píng)估環(huán)境因子如何影響功能性狀及生物多樣性;研究了生物多樣性不同指標(biāo)之間、功能性狀及生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能（林分地上部分生物量）之間的關(guān)系隨時(shí)間（演替階段）和空間（海拔梯度和生境類型）的變化規(guī)律;并運(yùn)用結(jié)構(gòu)

4、方程模型(SEM)闡述環(huán)境因素如何影響功能性狀或者生物多樣性，并影響生態(tài)系統(tǒng)功能。本文是少有的基于野外實(shí)際調(diào)查測(cè)定所進(jìn)行的關(guān)于森林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系(BEF)的研究，對(duì)于進(jìn)一步深入開展生物多樣性的理論分析和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估都具有較大的參考價(jià)值。主要研究結(jié)果如下:
　　 （一）熱帶天然林功能性狀、生物多樣性及地上部分生物量的時(shí)空變化
　　 1.在霸王嶺的不同演替階段(15年、30年、60年次生林和老齡林)的熱

5、帶低地雨林中，隨著次生演替的進(jìn)行:(1)比葉面積、葉片氮含量、葉片磷含量和葉片總有機(jī)碳含量逐漸降低，葉片干物質(zhì)含量、木材密度和潛在最大高度逐漸升高，而葉片鉀含量則變化不大;(2)物種豐富度和Shannon-Weaver指數(shù)均增加，Pielou's均勻度指數(shù)在次生林中差異不大但都小于老齡林;(3)功能豐富度、功能均勻度、功能離散度和Rao's二次熵均呈先下降后增加的趨勢(shì)，而功能分散度隨演替的進(jìn)行逐漸增加，但60年以后有所下降;(4)物種對(duì)

6、的平均譜系距離和譜系多樣性逐漸增大，凈譜系親緣關(guān)系指數(shù)和平均最近相鄰譜系距離逐漸減小，最近分類單元指數(shù)在在次生演替各階段中差異不大但都大于老齡林，群落譜系結(jié)構(gòu)由聚集逐漸轉(zhuǎn)向發(fā)散;(5)林分地上部分生物量逐漸增大;(6)在不同的演替階段，影響功能性狀和生物多樣性指標(biāo)（物種多樣性、功能多樣性、譜系多樣性）的關(guān)鍵因素不同，其中影響15年、30年、60年次生林和老齡林的關(guān)鍵環(huán)境因子依次為pH值與有機(jī)質(zhì)、林冠開闊度、全鉀與有效磷、以及土壤磷含量。

7、
　　 2.在尖峰嶺的不同海拔范圍內(nèi)的老齡林中，隨著海拔的升高:(1)比葉面積和潛在最大高度逐漸降低，葉片干物質(zhì)含量和木材密度逐漸增大;(2)物種豐富度和Shannon-Weaver指數(shù)逐漸增大;(3)功能豐富度逐漸增大，功能均勻度、功能分散度、功能離散度和Rao's二次熵均則逐漸降低;(4)譜系多樣性逐漸增大，群落譜系結(jié)構(gòu)由發(fā)散轉(zhuǎn)向聚集;(5)林分地上部分生物量增大。
　　 3.在尖峰嶺30公頃熱帶山地雨林老齡林大樣地

8、中，隨著生境從溝谷、下坡、中坡、上坡逐漸到山頂?shù)淖兓?(1)比葉面積逐漸減小，葉片干物質(zhì)含量、木材密度和潛在最大高度逐漸增大;(2)物種豐富度和Shannon-Weaver指數(shù)呈逐漸降低趨勢(shì);(3)功能豐富度、功能均勻度、功能離散度和Rao's二次熵逐漸減小，而功能分散度呈先降低后增加的格局;(4)譜系多樣性呈逐漸降低趨勢(shì)，從溝谷經(jīng)下坡至中坡，群落譜系結(jié)構(gòu)由聚集逐漸走向發(fā)散，而從中坡經(jīng)上坡至山頂則由發(fā)散逐漸趨于隨機(jī)，但群落總體格局趨于隨

9、機(jī)狀態(tài);(5)林分地上部分生物量逐漸增大。
　　 （二）、熱帶天然林不同生物多樣性指標(biāo)之間的關(guān)系
　　 4.在各種不同類型的林分中，物種豐富度、功能豐富度與譜系多樣性之間均存在顯著的正相關(guān)，物種豐富度與譜系多樣性的相關(guān)性最大。在霸王嶺不同演替階段的熱帶低地雨林中，隨著演替的進(jìn)行，物種豐富度與譜系多樣性的相關(guān)性逐漸增大，而物種豐富度與功能豐富度的相關(guān)性及譜系多樣性與功能豐富度的相關(guān)性在15年次生林和60年次生林中較高。在尖

10、峰嶺不同海拔范圍內(nèi)的老齡林中，與高海拔(＞800m)相比，低海拔(＜800m)群落中物種豐富度解釋了更多的譜系多樣性的變異。在尖峰嶺30公頃熱帶山地雨林老齡林大樣地中，隨著生境從溝谷、下坡、中坡、上坡逐漸到山頂?shù)淖兓?，物種豐富度與功能豐富度的相關(guān)性逐漸增大。物種豐富度與譜系多樣性的關(guān)系在溝谷和山頂均較強(qiáng)，而在下坡時(shí)較弱。譜系多樣性和功能豐富度的關(guān)系在溝谷時(shí)最弱，而在下坡最強(qiáng)。
　　 （三）熱帶天然林植物功能性狀及生物多樣性與地上

11、部分生物量關(guān)系隨時(shí)空的變化規(guī)律
　　 5.在霸王嶺不同演替階段的熱帶低地雨林中，前三個(gè)演替階段的天然次生林地上部分生物量與比葉面積和葉片干物質(zhì)含量相關(guān)性不顯著，而老齡林地上部分生物量與比葉面積負(fù)相關(guān)，而與葉片干物質(zhì)含量正相關(guān)。不同演替階段林分的地上部分生物量均與木材密度呈正相關(guān)。與30年次生林相反，15年次生林和老齡林地上部分生物量與潛在最大高度正相關(guān)，而在60年的次生林中二者相關(guān)性不顯著。在尖峰嶺不同海拔范圍的老齡林中，低海拔

12、地區(qū)地上部分生物量與功能性狀相關(guān)性不顯著，而在高海拔地區(qū)林分地上部分生物量與比葉面積負(fù)相關(guān)，而與葉片干物質(zhì)含量和木材密度正相關(guān)，但與潛在最大高度的相關(guān)性不顯著。在尖峰嶺30公頃熱帶山地雨林大樣地中，在溝谷和下坡生境，林分地上部分生物量與比葉面積負(fù)相關(guān)，與葉片干物質(zhì)含量及木材密度正相關(guān)。在中坡、上坡及山頂生境下，林分地上部分生物量只與木材密度的正相關(guān)，而與其它功能性狀的相關(guān)性不顯著。隨著生境從溝谷、下坡、中坡、上坡逐漸到山頂?shù)淖兓?，林分?/p>

13、上部分生物量與潛在最大高度相關(guān)性均不顯著，而與其他功能性狀的相關(guān)性逐漸減弱。
　　 6.在霸王嶺不同演替階段的熱帶低地雨林中，林分地上部分生物量與生物多樣性各指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)。在15年次生林和老齡林中，生物多樣性解釋了較多的林分地上部分生物量變異，而在30年和60年次生林中，生物多樣性所解釋的林分地上部分生物量變異較少。在尖峰嶺不同海拔范圍的老齡林中，林分地上部分生物量與生物多樣性的相關(guān)性均不顯著。在尖峰嶺30公頃老齡林熱帶山

14、地雨林大樣地中，在溝谷生境下林分地上部分生物量與物種豐富度和譜系多樣性均顯著正相關(guān)，但物種豐富度解釋了更多的林分地上部分生物量變異，而林分地上部分生物量與功能豐富度相關(guān)性不顯著。在其它四種生境下，林分地上部分生物量與生物多樣性的相關(guān)性都不顯著。
　　 （四）環(huán)境因素對(duì)功能性狀及生物多樣性與林分地上部分生物量關(guān)系的調(diào)控機(jī)制
　　 7.假設(shè)結(jié)構(gòu)方程模型是環(huán)境因素影響群落特征（包括功能性狀或者生物多樣性），群落特征進(jìn)而對(duì)生態(tài)系

15、統(tǒng)功能（地上部分生物量）產(chǎn)生影響，而演替階段對(duì)環(huán)境因素、群落特征及生態(tài)系統(tǒng)功能均產(chǎn)生影響。最終的結(jié)構(gòu)方程模型運(yùn)算結(jié)果表明比葉面積與木材密度、地上部分生物量存在負(fù)相關(guān)，而木材密度與地上部分生物量存在正相關(guān)，生物多樣性與地上部分生物量存在正相關(guān)，與地上部分生物量相關(guān)性由小到大的多樣性指標(biāo)依次為物種豐富度、譜系多樣性和功能多樣性。群落演替階段對(duì)地上部分生物量的影口向最大。功能性狀及生物多樣性比環(huán)境因素解釋了更多的地上部分生物量變異。本研究表明