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生态系统多功能性对全球变化的响应: 进展、问题与展望
张宏锦, 王娓
植物生态学报    2021, 45 (10): 1112-1126.   DOI: 10.17521/cjpe.2020.0074
摘要   (2654 HTML122 PDF(pc) (2530KB)(2197)  

全球变化所包含的土地利用和气候等因素的改变, 将对生产力、养分循环等生态系统功能产生重要的影响。以往研究大多只关注全球变化对单一功能的影响, 即使同时测定多种功能也是进行独立的分析。但由于不同功能间常常存在的权衡或协同关系, 导致基于单个功能的探讨难以反映全球变化对生态系统多功能性(EMF)的影响, 从而限制了人们对于全球变化影响的全面认识和评估。早在2007年, Hector和Bagchi首次量化EMF, 该领域才开始受到广泛关注。在此之后, EMF量化方法的不断完善, 极大地推动了该领域的发展。近年来, 全球变化对EMF的影响也被广泛关注。为系统梳理该领域的研究进展, 该文基于中国知网、ISI Web of Science等当前常用的学术期刊数据库, 检索2007-2020年的相关文献并进行计量分析, 系统归纳出该领域的发展现状。在此基础上, 详细阐述目前关注较多的土地利用变化、气温升高、降水改变以及氮沉降对EMF的影响, 并针对现有研究中存在的问题, 提出未来所需关注的6个方向: (1)规范EMF量化体系; (2)关注全球变化背景下多因子交互效应; (3)不同时间尺度下EMF对全球变化的响应; (4)全球变化背景下多维度、多尺度生物多样性与EMF; (5)全球变化背景下多营养级多样性与EMF; (6)全球变化背景下根系功能性状与EMF。



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图5 全球变化背景下多维度、多尺度生物多样性与生态系统多功能性的关系。
正文中引用本图/表的段落
全球变化不仅会影响生物多样性和EMF, 还可调节生物多样性与EMF之间的关系(Jing et al., 2015)。现阶段研究大多关注物种多样性与EMF的关系, 虽然其他维度多样性(功能多样性、谱系多样性)与EMF关系的研究也在逐渐增多, 但同时考虑全球变化因素的研究相对较少。已有研究表明, 全球变化背景下功能多样性和谱系多样性对EMF同样具有重要影响。例如, 植物功能多样性能够提高草地EMF对干旱的抵抗力(Fry et al., 2018), 并且结合功能多样性与谱系多样性能够更好解释EMF的变异(Le Bagousse-Pinguet et al., 2019), 这表明全球变化背景下考虑不同维度的生物多样性对EMF的影响是十分必要的。此外, 生物多样性还包括α、β和γ三个尺度的多样性, α多样性主要指生境内的多样性, β多样性则强调沿着环境梯度不同生境群落之间物种组成的相异性, 也被称为生境间的多样性, 而γ多样性一般用于描述景观或区域较大尺度的多样性(杨婧等, 2014)。现阶段大量的研究关注α多样性, 即生境内多样性与EMF之间的关系, 忽视了其他尺度多样性对EMF维持的重要作用。越来越多的研究强调, 只有α、β多样性同时达到最大化时, 才有利于高水平EMF的维持(Hautier et al., 2018。即使群落内部拥有较高的α多样性, 生物群落的同质化(即β多样性降低)同样会使EMF降低(van der Plas et al., 2016)。在内蒙古草地的一项研究也证实, 植物功能性状的β多样性在调节干旱对草地多功能性影响中起到了重要作用(Yan et al., 2020)。因此, 以往只关注单一维度或单一尺度多样性与EMF间的关系是不全面的, 未来研究应同时考虑多维度、多尺度生物多样性与EMF间的关系(图5)。
现阶段研究主要针对植物多样性(Maestre et al., 2012)、土壤微生物多样性(Wagg et al., 2014)以及二者间的相互关系(Jing et al., 2015)对EMF的影响进行探讨, 发现它们与多功能性都呈现良好的相关关系。然而, 越来越多的研究表明, 考虑更多营养级时(蚯蚓、土壤线虫、地上昆虫等), 不同营养级对EMF的作用可通过食物网进行传递(Schuldt et al., 2018),使得生物多样性与多功能性的关系变得更加强烈(Lefcheck et al., 2015; Wang et al., 2019), 这意味着以往只考虑单一营养级多样性可能会低估生物多样性对EMF的影响。此外, Valencia等(2018)发现气候变化可通过营养级间的级联效应加剧对EMF的影响, 表明若不考虑不同营养级间级联效应可能会低估气候变化对EMF造成的影响。由此, 结合上述提到的不同维度和尺度多样性, 我们建立了未来应当考虑的研究框架(图5), 希望能够更加全面地去评价全球变化背景下生物多样性与EMF间的关系。
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