天童国家森林公园植物物种和功能多样性的空间自相关系数对森林转换的响应

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:accessw2009
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背景:人为土地利用的变化是造成全球生物多样性下降的主要因素之一。通过改变生态系统的生物和非生物条件,人为土地利用的变化可潜在地影响包括环境过滤、扩散和物种相互作用在内的生态过程。因此,土地利用的变化不仅影响生物多样性的数量,还可能对物种、群落或生物多样性的空间分布产生影响。生物多样性的空间分布变化可能会影响生态过程、生态系统的功能和服务,因此,探索土地利用变化对生物多样性空间分布的影响对于生态系统的管理至关重要。本文首先对前人的文献进行了Meta分析,了解生物多样性的空间格局对土地利用/干扰的响应的现状,并总结该领域的研究局限性。结果表明在土地利用变化/栖息地干扰下,物种多样性的空间自相关指数(物种多样性在空间相邻位置间的相似或差异程度)和斑块大小(空间中物种多样性相似的最大距离)分别降低了15.5%和21.4%,因为干扰改变了环境过滤、扩散或物种相互作用。然而,关于土地利用变化对森林生态系统功能多样性的空间格局的影响的研究依然很少,且森林转换对物种和功能多样性的空间格局的影响是否会因不同的空间尺度而异尚不清楚。研究问题:本研究旨在探讨森林转换对植物物种和功能多样性的空间格局的影响,并探讨该影响是否因不同的空间尺度而异。因此,本文旨在解决以下三个问题:(1)森林转换对物种多样性的空间格局的影响是怎么样的?(2)森林转换对功能多样性的空间格局的影响是怎么样的?(3)森林转换对物种和功能多样性的空间格局的影响是否因空间尺度而异?研究方法:研究地点位于中国东南部浙江省宁波市的天童国家森林公园(29°48’N,121°47’E),海拔650米,占地面积349平方公顷,为本研究提供了理想的环境:(i)提供了比较完备的森林转换类型(如原始林,灌木林和人工林),(ii)广阔的占地面积有利于不同空间尺度样地的设置(如1 m×1 m,10 m×10 m和20 m×20 m)。本研究选取了成熟林,灌木林和人工林这三种森林类型,每种林型设置4个样地,并在每个样地上随机设置了一条20 m×100 m的样带,三种森林类型一共设置了12条样带。每条样带首先被划分成5个连续的20 m×20m的样方,然后每个20 m×20 m的样方又被划分成4个10 m×10 m的样方。此外,我们还在每条样带内部的左侧边缘设置了100个连续的1 m×1 m的样方。因此,每个样地或每条样带上有100个连续的1 m×1 m的样方,20个连续的10 m×10 m的样方以及5个连续的20 m×20 m的样方,并分别将1 m×1m,10 m×10 m和20 m×20 m的样方定义为小尺度、中尺度和大尺度。在每个1 m×1 m,10 m×10 m和20 m×20 m样方内,我们记录了所有植物(木本及非木本)的名称及每个物种的丰度。同时采集了所有植物的成熟叶片进行叶片功能性状的测定,记录了5个物种水平的叶片功能性状,分别是比叶质量、叶厚度、比叶面积、叶干物质含量和叶肉质化程度。在前人的研究基础上,我们选取了4个反映物种多样性的指标,分别是物种丰度、物种丰富度、物种均匀度和香农多样性指数,同时选取了6个反映功能多样性的指标,分别是Rao’s二次熵指数和上述5个叶片功能性状的群落加权平均值。本文采用Moran’s I自相关图量化物种和功能多样性的空间格局,并将物种和功能多样性的总体空间自相关指数分解成了空间正相关指数和空间负相关指数两个分量。为了探究物种和功能多样的总体空间自相关指数、空间正相关指数和空间负相关指数是否随森林转换梯度显著变化,以及该变化是否因不同空间尺度而异,本文采用混合效应方差分析对数据进行了分析,用Shapiro-Wilk检验进行了残差分析,确定残差是否属于正态分布,并用多重比较Turkey法来确定具体林型及不同空间尺度间的差异。研究结果:(1)物种多样性的所有指标包括物种丰度、物种丰富度、均匀度及香农多样性指数在三种森林类型的小尺度和中尺度中均呈现空间正相关关系,但大尺度中并未呈现明显的空间相关性。与成熟林相比,物种丰度、丰富度和均匀度的斑块大小在人工林中较低。与大尺度相比,物种丰度、丰富度和香农多样性指数的斑块大小在小尺度中更大。物种多样性的总体空间自相关指数并没有随着森林转换梯度的变化而显著变化,但在不同的空间尺度中存在显著差异。香农多样性指数的总体空间自相关指数和空间正相关指数随着空间尺度的增大而显著减小。(2)Rao’s二次熵指数在三种森林类型的三个空间尺度中均呈现空间正相关关系,除了成熟林的大尺度。与成熟林相比,人工林的Rao’s二次熵指数的斑块大小较小,但Rao’s二次熵指数的斑块大小在不同的空间尺度中表现出不一致的格局。Rao’s二次熵指数的总体空间自相关指数及空间正相关指数随着森林转换梯度以及空间尺度的变化而显著变化,而空间负相关指数仅在森林转换梯度上存在显著差异。(3)叶片功能性状群落加权平均值的所有指标在三种森林类型的小尺度和中尺度中均呈现空间正相关关系,但大尺度中并无明显的空间相关性。不同指标的叶片功能性状群落加权平均值的斑块大小对森林转换梯度的响应不同。与成熟林相比,人工林中的叶厚度和比叶面积的斑块较小,而叶干物质含量的斑块在人工林中较大。然而,比叶质量和叶肉质化程度在成熟林和人工林中的斑块大小,取决于不同的空间尺度。只有比叶质量的总体空间自相关指数和空间正相关指数随森林转换梯度的变化而显著变化,人工林中比叶质量的总体空间自相关指数和空间正相关指数均低于成熟林。与大尺度相比,叶片功能性状群落加权平均值的所有指标的总体空间自相关指数和空间正相关指数在小尺度中更大。结论:森林转换对功能多样性的空间格局有显著影响,Rao’s二次熵指数的总体空间自相关指数和空间正相关指数随着森林转换梯度显著下降,但物种多样性的空间格局并未随着森林转换梯度而显著变化。相比于大尺度,大多数物种和功能多样性指标的总体空间自相关指数和空间正相关指数在小尺度中更高。本研究强调了将总体空间自相关指数分解为空间正相关指数和空间负相关指数这两个分量分别展开研究的重要性,同时需要进一步将环境因子的空间格局和生物多样性的空间格局联系起来。本研究为探讨我国亚热带常绿阔叶林生态系统中植物物种和功能多样性空间格局形成的驱动机制提供了新的视角,也为人类活动引起的生境不断变化背景下如何科学管理亚热带常绿阔叶森林生态系统及保护生物多样性提供新思路。
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