生物多样性对温带森林生态系统多重功能的作用机制

The relationship between biodiversity and ecosystem multifunctionality has emerged as one of hot issues in current ecological studies. This project will be conducted based on existing Forest Dynamics Plots established in different successional stages of broad-leaved Korean pine (Pinus Koraiensis) mixed forest. Based on long term, consistent monitoring data, we will plan to evaluate the status of forest growth, carbon storage, water conservation capacity and understory plant diversity maintenance ability, and discriminate and analyze their inherent relationships using Pareto efficiency curve. Several approaches of ecosystem multifunctionality measurement (single function approach, turnover approach, averaging approach and thresholds approach) will be used and compared to identify the effect of biodiversity and species interactions on single function and multiple functions and determine relative contributions. Combining phylogentic and functional diversity, we also discuss the external ecological conditions and internal biological factors influencing forest function, and construct the models that can better explain and predict the relationships between biodiversity and ecosystem multifunctionality. Our aims are to clarify the mechanisms driving the formation and maintenance of community function in natural temperate forests, and provide valuable reference sources for efficient utilization and scientific protection of natural forestry resources.

生物多样性与生态系统多重功能之间的关系是目前生态学研究的热点之一。本项目拟以长白山温带针阔混交林为研究对象，依托已建立的不同演替阶段的固定样地，在对群落连续、长期监测的基础上，通过分析和评估树木生长、碳库储量、水源涵养和林下植物多样性维持等生态系统功能现状，使用帕累托效率曲线定量识别和分析各功能之间及功能内具体表现形式之间的内在联系。综合运用平均值法、物种-功能替代法和阈值法等测度生态系统的多重功能，探讨各物种及种间交互作用对各个功能及整体功能的作用及相对重要性。结合谱系和功能多样性，使用结构方程模型构建能够解释和预测多样性－多重功能关系的模型，探讨维持森林生态系统多重功能的内在生物学要素和外在生态条件，阐明长白山温带天然林生态系统功能形成的生态学机制，为科学保护和高效利用天然林资源提供理论依据。

高物种多样性普遍认为是维持森林生态系统功能的必要条件。早期的大量研究多关注地上植物属性（如物种数量、物种质量、物种间亲缘关系）及其与环境因子相互作用等如何影响生态系统单一功能（如生产力）。然而，只考虑了生物多样性对单一生态过程的影响，忽视了生态系统同时提供多项功能和服务的事实，往往会低估生物多样性对生态系统功能的作用。不仅是地上植物多样性，地球上很大一部分生物隐藏在地下, 土壤生物类群几乎参与了所有的生物地球化学过程并在其中扮演了关键的角色。目前，地上-地下生物多样性如何共同影响森林生态系统多重功能的机制尚不清楚。本研究以长白山阔叶红松林为研究对象，依托长期固定监测样地，测定了森林生产力、植物/土壤碳库、土壤/凋落物持水能力、种子/凋落物产量等8种生态系统功能，综合运用均值法、多阈值法（50%，75%和95%）和单功能法度量了生态系统的多功能性，分析了植物多样性、林分结构、树种性状组成和土壤微生物（细菌、真菌和线虫）对生态系系统功能的直接和交互影响。结果发现：尽管8种单一功能受到不同因子的驱动，森林多重功能与木本植物谱系多样性和林分结构呈正相关关系，与资源获取型性状相关的树种组成（如比叶面积）呈负相关。谱系多样性通过提高林分结构复杂性而间接影响生态系统功能。土壤微生物对多功能的均值没有直接影响，但其是维持高水平多功能性的关键驱动者。局域非生物因子则主要通过调控植物结构和组成来间接影响生态系统功能，例如复杂地形会降低林分结构多样性，而土壤肥力会增加物种多样性并降低资源获取型树种的优势度。该研究突破以往专注于生物多样性单个营养级（如植物或微生物）对单个生态系统功能的研究，揭示了林分结构和土壤微生物多样性在维持温带天然林功能中的重要性。在该项目的资助下，实际发表论文13篇，其中SCI论文11篇，包括Ecology, Journal of Ecology和New Phytologist等国际主流期刊，中文核心论文2篇；在科学出版社出版专著《R统计编程入门》1本；获得授权专利一项。系列研究结果可为科学保护和高效利用天然林资源提供理论依据和数据支持。