光的时空异质性对喜阳种和耐荫种共存的影响

Light availability is often extremely low at the forest floor of late-successional forests. Shade-tolerant species often have higher fitness at habitats with low light availability than shade-intolerant species, which makes shade-tolerant species common and shade-intolerant species rare in late-successional forests. How shade-intolerant species coexist with shade-tolerant species in late-successional forests is a fundamental question in ecology but remains unresolved. We proposed that the relative advantage of shade-intolerant species in utilizing spatial and temporal light heterogeneity can facilitate species coexistence. For advantage in utilizing spatial light heterogeneity, shade-intolerant species may have higher efficiency in dispersal into canopy gaps, and also have higher survival and growth rates in habitats with high light availability. For advantage in utilizing temporal light heterogeneity, the strong plasticity of shade-intolerant species could promote their growth recovery when canopy gaps open in highly shaded areas, which further provide shade-intolerant species competitive advantage relative to shade-tolerant species. We plan to perform both greenhouse experiment and field-site observation to evaluate the above two mechanisms. Our research will contribute significantly to the understanding of light partitioning and species coexistence in forests.

演替后期的森林通常具有极高的荫蔽度。耐荫种由于对弱光生境具有更高的适应性从而成为优势种，而喜阳种则成为弱势种。处于弱势的喜阳种如何与耐荫种共存是生态学中非常重要但尚未解答的问题。本项目提出，喜阳种可以分别通过对光的空间和时间异质性的利用优势，促进其与耐荫种共存。喜阳种对光的空间异质性的利用优势机制表现为，当林窗形成时，喜阳种具有更高的扩散效率，从而更快占领更多林窗；并在强光生境具有更高的适应性。喜阳种也可能具有对光的时间异质性的利用优势，其机制表现为在荫蔽林下生长的喜阳种幼苗在林窗形成时通过强可塑性恢复快速生长，并从原来的竞争劣势逆转为竞争优势。本项目拟在南亚热带森林中，利用室内控制实验和野外调查相结合的方法，研究喜阳种和耐荫种的幼苗生长、存活和更新等对光的时空异质性的响应，及其对两类物种共存的影响。本项目的研究将促进关于森林中物种对光资源的分割机制及其对物种共存的影响的认识与理解。

热带与亚热带森林中具有非常丰富的生物多样性；同时，物种的多度差异巨大，绝大多数为稀有种，只有少部分为常见种；演替后期的森林的荫蔽度很高，耐荫种通常成为优势或常见物种。这些丰富的物种如何在有限的空间与资源下共存一直是困扰生态学家的难题。物种对资源的差异性利用导致的生态位分割是物种共存的重要机制。这种生态位分割机制可以体现在不同的时间与空间尺度对不同的资源（如光与水分）的利用。本项目围绕森林植物种的生态位分割和物种共存的机制，研究了邻近空间物种的生态位分割机制、光强度与水的时间变化对森林树木存活和竞争的影响、光强度与土壤湿度的空间差异以及生物多样性对森林幼苗虫害的影响等内容。主要结果和科学意义为：（1）建立了关于邻近空间物种的生态位分割与生长差异共同促进物种共存的机制框架；（2）发现光强度的时间变化是干旱间接影响森林群落动态的重要机制，有助于更好地理解与预测干旱对森林生态系统的影响；（3）发现土壤湿度而非光的空间异质性是影响幼苗虫害的生物多样性效应的主要因子，揭示了多种生物与非生物因子协同影响植物多样性维持的机制。本项目研究促进了森林群落中物种共存机制的理解。相关研究成果已发表于Proceedings of the Royal Society B、Ecology和Forest Ecology & Management。