植物群落功能性状与生态系统生产力关系的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 闫镤 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 何念鹏 |
| 关键词 | 植物群落功能性状 功能生态学 生产力 时空格局 生态系统功能 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 植物功能性状通常是指能直接或间接影响植物生长、繁殖和长期生存的特征参数。在生态学中，基于性状的方式为独立于分类学的跨组织水平和空间尺度的生态过程预测提供了一种美好愿景。因此，从功能性状而不是物种身份来预测生态系统结构、过程和功能，被认为是近年来生态学研究的“圣杯”。然而，以往关于植物功能性状的研究主要集中在器官水平，难以真实反映群落水平的性状特征及其与生态系统功能的关联。如何利用植物功能性状来预测生态系统生产力（本研究特指总初级生产力，gross primary productivity，GPP）的时空变异并给出机制性解释，是当前科研人员面临的巨大挑战和机遇。 针对上述科学挑战，我们首先发展了以植物群落功能性状为核心预测生态系统生产力的理论框架（Trait-based productivity, TBP），包含数量性状（基于单位土地面积的性状，比如单位土地面积上的叶片氮素总量）和效率性状 （群落水平性状的均值，本研究特指群落加权平均性状）两个维度；进而，我们在从单性状到多性状、从中国到全球、从生态系统生产力到与之相关的生态系统多功能等多个角度验证了TBP理论的科学性和适用性，一定程度上弥补了性状-生态系统功能关系领域研究工作的空白和不足，挑战了经典的生产力预测模式，同时该研究的发现也有助于帮助整合日益扩展并可开放获取的植物性状数据进入地球系统模型。主要研究结果和结论如下： （1）理论上，我们创新性地发展了基于植物群落功能性状预测生态系统生产力的新框架（即TBP）。在TBP框架中，我们利用植物群落功能性状二维特征和经典物理学发动机工作模式，提出“数量性状×效率性状×生长时间”是预测生态系统生产力的核心参数，气候和土壤等环境因素则通过影响群落结构来调控数量性状、效率性状和生长时间，从而间接影响生态系统生产力。进而，系统论证了植物群落功能性状与生态系统生产力相关的功能之间存在的因果联系，理论上证明了生态系统内部的生产力和生态系统之间生产力的变异可以由性状的变异来解释。我们的研究表明个体水平的性状可以推导到单位土地面积上，形成群落功能性状（数量维度和效率维度），并用于预测生态系统生产力乃至其他多种功能。 （2）结合单个植物群落功能性状之叶片氮素可以很好地预测中国自然生态系统生产力的空间变异。其中，气候因子调控植物群落功能性状之叶片氮素的两个维度，包括数量性状（Nquantity）和效率性状（Ncontent）。资源条件丰富的地区Nquantity高，而Ncontent低，资源条件贫乏的地区则相反。在间接考虑气候因子情况下，结合Ncontent和Nquantity的途径可较好地预测了GPP在大尺度的空间变异 （R2 = 0.81）。 （3）结合多种植物群落功能性状很好地预测了中国自然生态系统生产力的空间变异。以TBP理论为核心构建的GPP统计模型较好地预测了年均GPP （R2 = 0.87）和月均GPP（R2 = 0.73）的空间变异，并且植物群落功能性状在其中发挥了关键作用。并进一步通过随机抽样和建模，我们较好地预测了年均GPP（Slope = 1.12 ± 0.10, RMSE = 262.41）和月均GPP （Slope = 1.16 ± 0.16, RMSE = 39.79）。研究表明，将多个不同类型的性状整合到以TBP理论为核心的生态系统生产力预测框架中，提高了我们使用性状捕捉生态系统生产力变异的能力。 （4）结合多种植物群落功能性状很好地预测了全球自然生态系统生产力的时空变异。尽管数量性状与效率性状都受气候因子（如湿润度指数，年降水等）的驱动，但是对气候因子的响应方向相反：数量性状随着水热综合条件的改善而增大，效率性状则相反。这表明植物群落作为一个整体不仅调节作为群落加权平均的效率性状，而且还调节作为累加值的数量性状来适应环境条件的波动与长期变化。GPP随着数量性状的增加而变大，而GPP的年际变异随着效率性状的增大而变大；后者为生长-寿命权衡假说提供了强有力的证据支持。该研究的结果揭示了植物群落功能性状作为内源性因素在驱动GPP时空变异上的关键作用。 （5）结合多种植物群落功能性状可以很好地预测多种生态系统功能。植物群落功能性状的两个维度所代表的质量比效应 （R2 = 0.34）要比多样性指数（比如物种丰富度，功能多样性和系统发育多样性）代表的补偿效应 （R2 = 0.21）更强。并且，数量性状和效率性状是解释与生态系统生产力密切相关的多种生态系统功能最重要的两个因子。研究结果表明，采用多维度视角可帮助摆脱仅仅从分类学角度研究生物多样性的局限性，更好地揭示生物多样性对生态系统多功能的复杂影响。同时，植物群落功能性状的数量性状维度与生态系统功能一样以单位土地面积为标准进行量化，可避免使用传统生物多样性测度所面临的“采样面积”困境。植物群落功能性状的使用将有助于我们更好地探讨生物多样性与生态系统多功能的关系。 总而言之，本研究系统论证植物功能性状和生态系统生产力及其相关功能之间的因果联系，提出了一个基于性状的生态系统生产力理论预测框架。然后我们使用群落结构与植物功能性状数据相配套的野外实测数据，从单性状到多性状、从区域到全球、从生产力到与之相关的多功能，系统论证了TBP框架并为TBP理论提供了充分的研究案例；同时也推动了我们对性状-生态系统功能的认知。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 177 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199829]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 闫镤. 植物群落功能性状与生态系统生产力关系的研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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