森林群落的构建即多样性维持机制是当今生态学研究的热点问题。然而, 当前群落构建和群落多样性的研究多在间接梯度上进行, 而在水、热等影响物种在区域内定植的关键且直接的环境梯度上研究群落构建和多样性模式则鲜有报道。结合环境因子, 基于物种组成和谱系方法探讨不同群落的分布成因, 有助于解释群落构建过程中的关键问题。该研究基于华北森林群落调查数据和环境数据, 涉及7个省市区的29个以壳斗科、桦木科为优势种的群落, 探讨了直接环境梯度上的群落构建和多样性模式, 同时用典范对应分析研究了不同群落分布的环境解释。结果发现, 相似的群落具有相似的生境偏好, 相似的生境条件会形成物种组成相同或相似的群落。环境热量主导了本区域的谱系关系, 在年平均气温较低的地区, 群落构建主要表现为生境过滤的模式。此外, 随着年降水量的增加, 生境过滤作用逐渐增加。在温度梯度上, 谱系多样性表现为钟形模式, 而降水量的增加能导致谱系多样性的增加。

华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林、日本落叶松(L. kaempferi)林及太白红杉(L. chinensis)林是华北地区常见的3种落叶松林类型, 其中日本落叶松林为人工林, 华北落叶松林既有天然分布又有人工种植, 太白红杉林则主要是天然林。该研究基于野外调查数据, 对这3种落叶松林的分布、物种组成、群落结构、物种多样性及其与环境间的关系进行了分析。研究发现, 3种落叶松林的分布受年平均气温的影响较大, 随着年平均气温的增加, 落叶松林的天然分布减少而人工种植的分布增加。3种森林中落叶松的林分径级及树高均为右偏分布, 说明3种落叶松林均处于相对稳定的演替阶段。3种落叶松林均拥有较高的物种丰富度且差异显著, 其中太白红杉林的物种丰富度最大(39.3 ± 17.9), 而华北落叶松林的物种丰富度最小(人工林27.2 ± 17.7, 天然林27.5 ± 13.8)。除最大树高与经度的关系不显著以外, 落叶松林的最大胸径和最大树高及物种丰富度均随经纬度的增加而显著降低, 随着年降水量的增加而显著增加。此外, 年平均气温对落叶松林的总物种丰富度影响不大, 但是对其群落结构影响显著。随着年平均气温的升高, 落叶松林的最大胸径显著降低而最大树高却显著增加。落叶松天然林和落叶松人工林物种多样性的地理分布格局及与气候因子间的关系与落叶松林总体的基本一致, 但群落结构的格局不尽相同: 随着经纬度的增加, 落叶松人工林的最大树高增加而天然林的最大树高减小; 落叶松天然林的最大胸径和最大树高分别随年平均气温的升高和年降水量的增加而减小, 而落叶松人工林的最大胸径和最大树高分别随年平均气温的升高和年降水量的增加而增大。

探究植物分布规律和群落构建机制是揭示植物群落空间分布、群落物种多样性的形成、发展及其影响因素的重要途径。该文以华北地区胡桃楸(Juglans mandshurica)林为研究对象, 基于野外84个样方的调查数据, 通过径级分析、典范对应分析等方法研究了胡桃楸林的空间分布规律, 并通过亲缘关系指数计算、植物功能性状等方法研究了胡桃楸林的物种共存机制。结果表明, 华北地区胡桃楸的胸径相对较小(平均5.36 cm), 种群年龄较低; 海拔、坡度、坡位和人为干扰程度是影响华北地区胡桃楸分布的主要因子。研究区域内的胡桃楸大部分生长于山体中下部海拔较低的缓坡, 且人为干扰相对较少的区域, 各分布区域中胡桃楸林的分布规律各异。胡桃楸林物种的构建由生态位机制主导, 其中河北、陕西、天津的胡桃楸林物种共存过程主要受负密度制约的影响, 北京、山西的胡桃楸林的物种共存过程主要受环境选择驱动。

探索和揭示生物多样性的空间格局和维持机制是生态学和生物地理学研究的热点内容, 但综合物种、系统进化和功能属性等方面的多样性海拔格局研究很少。该文以关帝山森林群落为研究对象, 综合物种、谱系和功能α和β多样性指数, 旨在初步探讨关帝山森林群落多样性海拔格局及其维持机制。研究结果表明: 随着海拔的升高(1 409-2 150 m), 关帝山森林群落物种丰富度指数(S)、谱系多样性指数(PD)和功能丰富度指数(FRic)整体上表现出上升的趋势, 特别是海拔1 800 m以上区域。随着海拔的升高, 总β多样性(β_total)和更替(β_repl)上升趋势明显, 而丰富度差异(β_rich)则逐渐下降。不同生活型植物的物种、谱系和功能多样性海拔格局差异较大。随着海拔的升高, 草本植物S和物种多样性指数(H′)上升趋势高于木本植物。影响草本植物S分布的主要因素是地形因子, 而影响木本植物S分布的主要因素是历史过程。随着海拔的升高, 木本植物β_total上升趋势要比草本植物明显。随着海拔的升高, 木本植物β_repl和β_rich分别表现出单峰格局和“U”形格局, 而草本植物β_repl和β_rich则分别表现出单调递增和单调递减的格局。随着环境差异和地理距离的增加, 群落间物种、谱系和功能β多样性显著增加。环境差异(环境过滤)对木本植物的β多样性具有相对较强的作用; 而环境差异(环境过滤)和地理距离(扩散限制)共同作用于草本植物的β多样性。

植物分布与气候之间的关系是预估未来气候变化对生态系统影响的实现基础。以往的物种分布模型通常以物种的分布区或者分布点的物种存在数据作为物种分布的响应变量。相较于物种存在数据, 多度反映了一个物种占用资源并把资源分配给个体的能力, 更能衡量物种对区域生态系统的影响。该研究通过野外调查获取了华北及周边地区1 045个样方的栎属树木多度, 利用广义线性模型、广义加性模型和随机森林模型模拟栓皮栎(Quercus variabilis)、麻栎(Q. acutissima)、槲栎(Q. aliena)、锐齿槲栎(Q. aliena var. acuteserrata)和蒙古栎(Q. mongolica) 5个树种多度的地理分布及未来2个不同时期(2050年和2070年)的潜在分布。结果表明: 随机森林模型对5个栎属树种的多度的拟合结果要优于广义线性模型和广义加性模型; 典型浓度路径(RCP) 8.5下的5个栎属树种在未来两个时期的多度变化幅度都要大于RCP 2.6下的变化, 在超过一半面积的区域中麻栎、槲栎、锐齿槲栎和蒙古栎的多度减少, 其中内蒙古东北部和黑龙江北部地区是5种栎属植物多度减少的集中分布地区。未来气候变化背景下, 需要加强对这几个区域的监测与物种保护。

传统的元素限制模型认为氮是温带森林生长的限制元素, 不过该结论更多是从地上生物量以及群落水平进行阐述, 忽视了不同物种以及不同径级树木对外源氮的响应差异。辽东栎(Quercus wutaishanica)林是华北地区常见的森林类型, 该研究以北京东灵山辽东栎林为研究对象, 通过设置3个氮添加水平的实验, 即对照CK (0 kg·hm ^-2·a ^-1), N50 (50 kg·hm ^-2·a ^-1)和N100 (100 kg·hm ^-2·a ^-1), 模拟氮沉降对群落和物种水平以及不同径级树木生长的影响。经过7年氮添加, 实验结果显示: 物种水平上, 氮添加明显促进了优势树种辽东栎的生长; 群落水平上, 树木生长随氮浓度增加有不断上升趋势, 但统计学差异不显著; 氮添加显著抑制了辽东栎以及群落内小径级(3-10 cm)树木生长, 中(10-20 cm)、大径级(>20 cm)树木生长随氮沉降水平增加呈上升趋势, 但统计学差异不显著。表明氮是辽东栎以及温带森林树木生长的限制元素; 不同径级的辽东栎和群落内其他植物对氮添加响应不一致, 氮添加抑制了小径级树木生长, 中、大径级树木生长对氮添加响应不明显。

灌丛在中国北方广泛分布, 研究其物种组成特征及构建机制对植被恢复有重要意义。群落系统发育结构能有效反映群落组成的生态过程, 对揭示群落构建机制具有重要作用。该研究利用华北地区自然植物群落资源综合考察数据库的灌丛数据, 分析了中国华北地区主要灌丛群落的分布情况、物种组成及其系统发育结构特征。同时, 结合WorldClim数据库中的气候因子利用逐步回归和一般线性模型分析了气温和降水对灌丛不同垂直结构层物种系统发育结构特征的影响。经统计, 共调查木本植物75科207属570种; 草本植物99科491属1 221种。按植被型和群系类型分类后, 共有5种植被型, 195个群系, 其中分布最多的群系类型为虎榛子(Ostryopsis davidiana)灌丛、荆条(Vitex negundo var. heterophylla)灌丛、荆条+酸枣(Ziziphus jujuba)灌丛和沙棘(Hippophae rhamnoides)灌丛。整体上, 草本层的物种丰富度高于灌木层。草本层的系统发育结构表现为发散模式, 而灌木层的系统发育结构表现为聚集模式, 且不同植被型灌丛的系统发育结构不同。气候因子的变化对灌木层和草本层系统发育结构都表现出了明显的影响, 但对灌木层的影响要强于对草本层的影响, 且气候因子和植被型、群系类型都有明显的交互作用。分析结果表明, 区域尺度上气温和降水的变化会影响灌丛群落不同结构层的系统发育结构特征, 且对不同的植被型和群系类型的影响不同。

半日花(Helianthemum songaricum)为亚洲中部特有种和古地中海残遗植物, 其群落为内蒙古西鄂尔多斯地区的特有荒漠植物群落。该文以2016-2017年野外调查数据为基础, 结合相关文献资料, 对半日花荒漠群落的分布、群落特征及其分类进行了总结。结果表明: (1)半日花荒漠群落集中分布于黄河以东内蒙古西鄂尔多斯的阿尔巴斯山麓南北部、千里沟; 少量分布于黄河以西贺兰山北端内蒙古乌海市与阿拉善盟交界处及贺兰山最南端的内蒙古阿拉善盟与宁夏交界处明长城沿线的石质残丘。(2)根据样地调查, 半日花荒漠群落记录到种子植物58种, 隶属于17科39属, 其中灌木、半灌木18种, 多年生草本27种, 一年生草本植物13种; 水分生态类型中强旱生植物(15种)和旱生植物(29种)占绝对优势; 区系地理成分以中亚东部成分为主, 其次为古地中海成分和戈壁成分。(3)根据生活型和优势度, 半日花荒漠群落可分为半日花-草本荒漠群丛组、半日花-灌木-草本荒漠群丛组和半日花-半灌木荒漠群丛组, 进一步分为10个群丛。

柽柳(Tamarix chinensis)是暖温带滨海盐碱湿地的先锋灌木物种, 在滨海湿地植物群落演替和防止沿海地区海水入侵中发挥着重要的作用。研究柽柳种群的空间分布格局和不同径级柽柳个体之间的空间关联性, 揭示种群发展规律, 可以为盐碱地柽柳种群的保护提供指导, 并为滨海湿地生态系统的演替和生态管理提供依据。该研究在昌邑国家海洋生态特别保护区核心区内沿平行海岸线方向设置两条间隔800 m左右的样带, 每条样带上设置3个50 m × 50 m的样地, 共设置6块样地进行每木调查, 绘制柽柳种群空间位置分布图, 并将调查的柽柳按照其基径大小分为≤4 cm、4-8 cm、>8 cm 3个不同径级。利用Programita软件对柽柳种群的分布格局以及不同径级间的空间关联性进行分析。结果显示: (1) 6块样地共调查柽柳个体374株; (2)不同样地间柽柳植株密度差别较大, 说明柽柳在区域尺度上的分布并不均匀; (3)柽柳种群在小尺度(小于5 m)上表现为聚集分布, 在大尺度(大于15 m)上表现为随机分布, 总体表现为随空间尺度的增大柽柳种群呈现由聚集分布过渡到随机分布的趋势; (4) 3个径级两两之间在小尺度上表现为正关联, 在大尺度上表现为无关联, 但在15 m尺度上径级II与径级III因为竞争而呈空间负相关关系。

生境差异是影响植物群落及其物种多样性分布格局的重要因素。该研究基于370个荆条(Vitex negundo var. heterophylla)灌丛的野外调查样方, 结合多元回归树(MRT)、显著性分析、Pearson相关分析等技术手段, 分析了华北地区荆条灌丛及其物种多样性的空间分布格局。结果表明: 荆条灌丛的经纬度均跨越10°以上, 可分为高、中、低纬度分布区; 分布海拔则从117 m至1 248 m跨越了1 000 m以上, 也可分为高、中、低海拔分布区。所有分布区中荆条灌丛草本层的Shannon-Wiener指数、Simpson指数和均匀度指数均高于灌木层。灌木层物种多样性随着纬度的降低而降低, 随着海拔的升高而降低; 草本层相反, 物种多样性随着纬度降低而升高, 随着海拔升高而升高。灌木层和草本层的物种丰富度(Shannon-Wiener指数)与水、热、地形等环境因子显著相关, 其中灌木层物种多样性随着气温、坡位升高而显著减少, 随着降水的增加而显著增加;草本层则相反。

群落构建机制是生态学研究的核心论题。生态位理论和中性理论是阐明群落构建的两种主要理论, 但这两种理论分别强调的环境过滤和扩散限制对群落构建的影响尚存争议。该研究以黄土高原人工林下草本层群落为研究对象, 将群落物种组成数据与地理空间、气候、地形以及生物因子相结合, 运用随机森林模型(RF)和基于距离矩阵的多元回归方法(MRM), 探究了各个因子的重要性, 并通过邻体主坐标矩阵(PCNM)和基于距离的冗余分析(db-RDA)分别筛选显著的空间结构和环境因子, 最后结合筛选出的PCNM特征值和环境变量进行变差分解。研究结果显示: 1)林下草本层群落组成相似性随地理距离和生境差异的增加而减小。2)地理距离与生境差异共同解释了群落组成相似性变化的47.8%。其中, 空间因子和环境因子的独立解释率分别为14.1%和9.8%, 两者的联合解释率为23.9%。3)地理距离和年降水量是引起研究区内物种组成变化的关键因子, 且地理距离的重要性大于年降水量。在黄土高原腹地, 扩散限制与环境过滤共同主导了人工林下草本层群落的构建过程。