种内功能性状分化对草原群落物种共存与功能多样性的维持机制——基于优势种和稀有种的对比响应研究

The mechanistic linkages between functional trait diversity and ecosystem functioning have recently emerged as a central issue in ecology. However, few studies have explored the maintaining mechanisms of intra-specific trait variability on species coexistence and biodiversity, and the relevant mechanism remains largely unclear. Based on the water (precipitation, snow) and nutrient (N, P) manipulation experiments in a typical steppe of Inner Mongolia grassland, the individual-level plant functional traits, seedling density and phenology of two contrasting groups of species (i.e. dominant vs. rare species) will be investigated in this study. The effects of water and nutrient additions on trait convergence, trait divergence and functional diversity of these two groups will be examined at the community level. The objects of this project are: 1) to reveal the adaptive strategies of dominant and rare species to water and nutrient additions, and their coexistence mechanisms from the point of niche differentiation at the time and spatial scales; 2) to elucidate the maintaining mechanisms of intra-specific trait variability on functional diversity; 3) to test the habitat filtering and niche differentiation hypotheses based on the null model construction; and finally 4) to provide new insights into the mechanistic linkages between biodiversity and ecosystem functioning and scientific basis for grassland restoration and biodiversity conservation in China.

植物功能性状多样性与生态系统功能的关系是当前生态学的研究热点，然而关于种内功能性状分化对草原群落物种共存和功能多样性的维持机制研究较少，相关机制尚不清楚。本项目利用在内蒙古典型草原设置的水分(夏季增雨、冬春增雪)和养分(N、P)添加控制实验，通过对基于植物个体水平的关键功能性状的观测，结合幼苗密度和物候特征，从资源利用的时间和空间生态位分化角度，揭示不同成员型物种(优势种vs.稀有种)对水分和养分添加的适应策略，以及它们的共存机制；在群落水平，研究优势种和稀有种的功能性状的趋同和分异，以及功能多样性的变化，通过构建零模型，对生境过滤(habitat filtering)和生态位分化(niche differentiation)假说进行验证，揭示种内功能性状分化对草原群落功能多样性的维持机制，以期在生物多样性—生态系统功能关系的机理研究方面有所突破，为退化草地恢复和生物多样性保育提供科学依据

全球变化背景下，降水格局变化和氮沉降加剧对草原生态系统的结构与功能产生了很大的影响，植物功能性状多样性与生态系统功能的关系一直是生态学研究的热点。本项目利用在内蒙古典型草原建立的水分(夏季增雨、冬春增雪)和养分(N、P)添加控制实验平台，研究了种内功能性状分化对草原群落物种共存、功能多样性和生态系统多功能性的维持机制。主要创新点和结论：(1)N素添加导致群落内植物功能性状的种内变异增加，而物种多样性降低，促进了物种之间的生态位分化；群落水平上，植物功能性状的种内和种间变异越大，初级生产力的变异性越小，优势物种对生物多样性和生态系统稳定性的维持起着重要作用。(2)N素添加对初级生产力具有明显的促进效应，尤其是夏季增雨(W2)+N、N+P、W2+N+P处理，水肥之间呈现出明显的耦合效应；水分和养分添加导致群落内功能群发生替代，多年生丛生禾草减少，而多年生根茎禾草和多年生杂类草显著增加，多年生根茎禾草对P添加尤为敏感。(3)N添加和W2+N添加显著提高了群落加权性状值和物种多样性，但降低了功能多样性，进而间接地影响了生态系统多功能性，尤其是群落加权性状是最重要的生物因素；W2+N+P添加也显著提高了群落加权性状值，但降低了功能多样性，其对物种多样性无显著影响，功能群组成发生明显改变，多年生丛生禾草逐渐被多年生根茎禾草所替代。除了间接途径外，W2+N+P添加也通过直接效应影响生态系统多功能性，相较而言，功能群发生替代是更为重要的生物因素。(4)植物功能性状的变化与生态学尺度和空间尺度有关。在局地、景观、流域和区域尺度上，个体、物种和环境梯度对植物功能性状变异的方差贡献率具有高度一致性，物种间变异所占比例最大，种内变异和环境梯度次之，而群落内的方差贡献率为零；沿着空间尺度上升，种内变异逐渐降低，而环境梯度的方差贡献率逐渐增加。群落内植物功能性状的种内变异主要受微生境过滤(internal filtering)的调控，而区域尺度上植物功能性状的变异主要受环境梯度(external filtering)的调控，尤其是降雨量的影响。