甘肃干旱区地上/地下生物多样性与生态系统多功能性的关系及其驱动因素研究

Biodiversity is the foundation for the maintenance of ecosystems, which are valued for their ability to maintain multiple functions and services simultaneously (ecosystem multifunctionality; EMF). Consequently a single ecosystem function can′t completely reflect the effects of biodiversity on ecosystem functioning. However, we still have limited knowledge of the links between biodiversity and multifunctionality as well as drivers of these relationships in large-scale natural ecosystems, and this precludes our understanding of responses of ecosystems to global change. Previous studies suggested that aboveground biodiversity would influence multiple ecosystem functions significantly, but how do belowground biodiversity influence multifunctionality? whether these effects are mediated by climate and other factors? and what is the relative importance of biotic (i.e. above- and belowground biodiversity) and abiotic drivers (i.e. aridity, climate or soil properties) of ecosystem multifunctionality? These questions remain unclear. To answer the above questions, we investigate plant community, soil microbial community, soil physicochemical properties, climatic and geographic features, and 15 ecosystem function indicators in the regional-scale drylands of northwestern Gansu province. We aim to elucidate the relationships between above- and belowground biodiversity and multifunctionality, and to illustrate the links among abiotic factors, biotic attributes, and multifunctionality. Our research will be of particular importance to guide conservation and sustainable management efforts in the drylands of China.

生物多样性是维持生态系统功能的关键所在。然而，单个功能指标往往不能完全反映生物多样性对生态系统功能的影响，因为生态系统能够同时提供多项功能与服务，即生态系统多功能性。但，目前我们对大尺度下的自然生态系统中生物多样性和多功能性的关系及其驱动因素仍所知甚少，严重阻碍了我们进一步理解生态系统对未来全球变化的响应。前期的研究表明，地上生物多样性会显著影响多个生态系统过程，那么，地下生物多样性对多功能性的影响如何？这些影响是否受气候和其它因素的调控？驱动多功能性的生物、非生物因素的相对重要性如何？针对上述问题，本项目在区域尺度上，对甘肃省西北部干旱区自然生态系统进行调查，通过分析植物群落、土壤微生物群落、土壤理化性质、地理气候特征以及15项生态系统功能指标，在阐明地上/地下生物多样性与多功能性关系的基础上，进一步揭示生物、非生物因素与多功能性的耦联机制，为我国干旱区的保护和有效管理提供科学依据。

植物和土壤微生物分别是陆地生态系统主要的生产者和消费者，在驱动气候调节、生产力、养分循环及土壤肥力等多个关键生态系统功能服务方面扮演着重要角色。为了阐明植物和土壤微生物多样性与生态系统多功能性的关系及其驱动因素，本项目在甘肃省西北部干旱区中研究了植物与土壤微生物多样性对多功能性的影响及其与干旱的耦联机制，并结合室内不同水分处理的微宇宙实验验证了干旱胁迫对土壤微生物多样性与多功能性关系的调节作用。结果表明，干旱降低了植物多样性，但增加了土壤古菌多样性，然而，土壤细菌和真菌多样性沿干旱梯度呈单峰格局；植物和土壤真菌多样性促进了多功能性，土壤古菌多样性降低了多功能性，而土壤细菌多样性对多功能性的影响较弱；干旱直接地并通过影响土壤pH、植被覆盖度和土壤真菌多样性间接地削弱了多功能性；此外，干旱转移了植物和土壤微生物多样性与多功能性的关系，在低干旱区域，植物多样性是多功能性的主要驱动因素，而在高干旱区域，土壤微生物（尤其是土壤真菌）多样性对多功能性的维持作用更强，该转移发生在干旱水平0.8的区域；室内微宇宙实验进一步确认了干旱胁迫对多功能性的负效应，并证实土壤微生物多样性对多功能性的影响随水分梯度发生了转移，在更干旱的状况下具有更强的正效应，该转移发生的水分水平与野外状况下一致。上述研究结果丰富了我们对干旱区地上/地上生物多样性与生态系统多功能性关系的理解，为全球变化背景下我国干旱区的有效管理和保护政策制定提供了科学依据。