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由于人类活动引起的全球变化将对生物多样性和植物群落结构产生深远的影响,最终会影响生态系统功能并反馈于全球变化。作为全球植被的重要组成部分,温带典型草原在生物多样性保育和生态系统功能及其稳定性的维持方面起着重要的作用。然而,在全球变化情景下,对温带草原植被动态的理解仍然很有限。
依托多伦全球变化多因子实验平台,本论文检验以下几个科学假说:(1)刈割提高植物群落物种数而元素的添加降低多样性;随着物种数的变化,稳定性也会发生相似的改变;刈割和元素添加不会改变生物多样性与植物群落稳定性的正相关关系;(2)降水增加提高生物多样性,氮素添加降低生物样性;物种特性(如:植株高度和根系)调节植物群落对降水增加和氮素添加的响应;(3)气候变暖将会减少生物多样性,生物因子(物种交互)和非生物因子(土壤湿度)调节植物群落对气候变化的响应。主要结果如下:
(1)刈割提高了植物种群和群落的稳定性,元素添加降低了二者的稳定性。在种群、功能群和植物群落水平,稳定性随着植物物种数的增加而增加。刈割和元素添加没有改变生物多样性—稳定性关系,高的生物多样性通过高的种群稳定性、物种分异响应和统计平均效应来提高群落稳定性。尽管明确揭示自然植物群落中多样性—稳定性格局的机制很困难,但本项研究结果显示,在人为干扰情景下,生物多样性是生态系统稳定性的一个重要的预测因子。
(2)全球氮富集和降水格局变化可以改变植物群落结构和组成,并影响生物多样性和生态系统功能。降水增加提高植物群落物种数,而氮素添加降低物种数。在植物功能群水平,氮素添加和降水增加显著地改变了植物群落结构和组成。植物群落物种数和土壤湿度的相关关系说明:土壤湿度调节着植物群落对变化环境条件的响应。植物高度调节着植物群落对氮素添加的响应,增加降水对植物群落的效应依赖于根系特性。研究结果表明了植物物种特性和土壤湿度在变化环境条件下对构建植物群落中的重要作用。这些发现也说明对物种特性知识的理解有利于预测变化环境条件下的植被动态。
(3)增加降水显著提高了植物群落物种数和植被盖度,增温降低了禾草功能群的物种数和植物群落盖度。植物群落物种数依赖于土壤湿度,土壤湿度在个体水平上也主导着植物群落对气候变化的响应,这些结果说明气候变化可以通过改变土壤湿度来影响植物群落。物种间的交互作用调节着植物群落对增加降水和增温的响应。综上所述,生物因子和非生物因子调节着植物群落对气候变化的响应,在模型预测中,这些因素必须被充分地考虑。
综上所述,本论文证实在中国北方温带典型草原的自然植物群落中,高的生物多样性利于生态系统的稳定性,并且这种正向的关系不受环境条件变化的影响。水分和氮素添加改变了植物群落结构和组成,土壤水分的可利用性主导着植物群落对全球变化驱动因子的响应。物种特性影响着植物群落对环境变化的响应,在未来环境变化的情景下,对物种特性知识的理解利于全球环境变化情景下植被动态的预测。气候变化改变了中国北方温带草原植物群落的结构和组成,植物群落物种数和植被盖度对增加降水和增温存在相反的响应趋势,但是植物群落对降水变化的响应比对增温的响应更强烈。基于本研究结果以及前人对气候变化会引起降雨和温度增加的预测,植物多样性和植被盖度在未来气候变化情景下将会有所增加,这种由气候变化导致的群落结构改变将利于生物多样性的保育和生态系统功能及稳定性的维持,进而利于当地社会经济的发展和生态环境的保护。