岷江上游干旱河谷(及源区)植物多样性分布格局及群落构建机制研究

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生物多样性分布及其形成机制(或影响过程)是植物群落生态学研究的核心问题。干旱区(dry lands)是重要的地球陆地生态系统之一,对全球气候变化影响十分敏感。对干旱生态系统生物多样性研究对生物多样性保护和管理、物种分布模型预测有重要科学和生产意义。本研究以岷江上游为研究对象(包括干旱河谷和湿润源区),旨在探讨干旱对植物生物多样性分布及群落构建机制的影响。基于野外群落学调查数据和环境因子测定,结合《中国木本植物分布图集》和被子植物最新系统发育研究成果(如APG IV),本研究以多尺度多过程的现代群落构建理论为理论框架,通过干旱河谷和源区对比分析,定量分析了岷江上游植被结构空间变化,揭示了干旱河谷(典型植被)灌木群落基于多尺度多过程的构建机制,分析了干旱对β和α多样性分布格局及驱动过程的影响,探讨了基于生态位理论和群落谱系结构的群落内物种共存机制(α多样性维持机制),并初步分析了灌木层种间促进作用对草本层结构的影响。本研究特别强调气候因子(干旱)、下垫面复杂性(地形和土壤因子)及物种特性(如扩散能力和生境适应性)的共同作用以及尺度依赖对群落构建的重要影响。研究结果如下:1.地区尺度上,气候因子(干燥度)为影响岷江上游整体植物群落结构的最关键因子,对岷江上游源区和干旱河谷群落组成做了良好的划分。其次为地形因子,如坡向和坡形。植被分类将源区和干旱河谷分别分为9个和10个群丛(association)。其中干旱河谷分类效果优于源区,表明干旱河谷物种聚集格局更加突出,群落结构空间变化明显。距离衰退分析表明群落结构空间差异是空间距离和环境距离共同作用的结果,二者的共同作用及相对作用在不同生活型物种(木本vs.草本)和不同区域(源区vs.干旱河谷)有明显差别。2.干旱河谷灌木群落构建机制分析。结果表明环境过程和空间过程对灌木群落组成和结构均起到显著影响,且贡献相当。局域空间因子对群落组成的影响力与区域空间因子相当,对群落结构(包括生物量、高度、盖度、密度、α及β多样性)的影响力大于区域空间因子。地形因子对灌木群落组成和结构的影响远大于土壤因子。多尺度分析表明海拔(及土壤水分和养分)是区域尺度上最重要的因子;而微地形,特别是坡向和坡形,是局域尺度的主导因子。我们还分析了灌木群落组成和结构沿环境梯度的变化。3.干旱胁迫下结构性β多样性依赖于(特定)地形梯度和物种特征(如生境适应性、扩散能力)。干旱河谷样方尺度木本植物群落异质性沿海拔显著升高,草本无显著变化。干旱河谷内群落沿(坡面)样带相似性衰退高于湿润源区(特别是草本群落差异显著),但相邻样方相似性显著高于源区。南北坡群落结构差异显著,其中木本群落南北坡相似性干旱河谷显著高于源区,而草本群落南北坡相似性源区显著高于干旱河谷;干旱河谷木本与草本群落南北坡相似性差异显著,而源区二者无显著差异。干旱胁迫下木本群落非结构性β多样性显著降低而草本群落无显著变化;但去除物种库影响(取样效应)后,木本群落异质性干旱河谷显著高于源区,而草本群落异质性干旱河谷显著低于源区。空间过程、地形和土壤变量对木本和草本β多样性均有显著作用,但三者相对贡献不同:地形>空间>>土壤。三者对木本β多样性总解释量在干旱河谷远高于源区,而对草本的解释量无明显变化。4.基于生态位的物种共存机制(α多样性维持机制)分析表明木本物种的γ生态位(基于全国尺度物种分布)系统发育保守,而β生态位(基于样地调查)系统发育不保守。干旱河谷和源区样方尺度上群落谱系结构均呈现随机状态。干旱河谷与源区群落谱系结构差异依赖于零模型的选择。本研究凸显了生态数据准确性对基于格局的过程揭示推断研究的重要性,如调查取样不足导致β生态位测度不准确、α生态位直接数据的缺失均严重影响生态位保守检验。同时本研究表明群落谱系结构受多种潜在因子影响,如多重生态过程共同作用、物种特性(如生境适应性和进化特征)以及尺度依赖。5.α多样性环境梯度分析表明干旱是整个地区尺度上的主要影响因子。尽管不同维度α多样性指标表现不同,以发散度为例(其综合了丰富度和均匀度),总体来说,木本α多样性干旱河谷显著高于源区,而草本α多样性源区显著高于干旱河谷,符合岷江上游植被分布特征。地形因子对木本α多样性起决定性作用,而土壤属性对草本α多样性起主导作用:源区木本α多样性的主要影响因子为海拔和坡向,草本α多样性主要影响因子为土壤含水量;干旱河谷灌木α多样性由多种地形因子(坡向、坡度、海拔及坡形)决定,草本α多样性由土壤因子(养分和含水量)决定。此外,去除环境因子的影响,源区物种α多样性分布的显著空间自相关,而干旱河谷α多样性无空间自相关,这与物种在不同生境中的扩散能力(或分布范围)密切相关。6.干旱胁迫下种间促进作用对草本群落结构影响研究表明灌木层丰富度通过种间促进对草本层群落物种丰富度及系统发育丰富度有显著促进作用。
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