植物群落物種功能多樣性分析方法與應(yīng)用研究

植物功能多樣性與群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能過程密切相關(guān)，是生物多樣性研究與保護的重要方面，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。對功能多樣性理論與方法的研究逐漸成為生態(tài)學(xué)的熱點之一。本項目結(jié)合生態(tài)學(xué)和數(shù)學(xué)理論，研究功能多樣性分析方法及其應(yīng)用，具有重要的理論意義和實際價值。主要結(jié)果：將重要值、系統(tǒng)發(fā)育和區(qū)系親緣關(guān)系作為權(quán)重引入了功能多樣性指數(shù)，對已有的功能多樣性的方法有明顯的改進；應(yīng)用新的數(shù)學(xué)理論，發(fā)展了模糊數(shù)學(xué)功能多樣性分析方法、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能多樣性分析方法和主分量功能多樣性指數(shù)三個新的物種功能多樣性研究方法，在理論上和應(yīng)用上比較分析了這些方法與已有方法的優(yōu)缺點，證明了它們的有效性；對多個山地森林、灌叢、草地等群落進行了功能多樣性實際應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)功能多樣性的變化受環(huán)境梯度的顯著影響，新方法在研究功能多樣性變化格局方面有優(yōu)勢；植物種功能特征的選取應(yīng)結(jié)合生理、形態(tài)、生殖、生態(tài)等功能特征，以全面反映植物種的功能差異；在取樣面積一致的情況下，抽樣效應(yīng)對功能多樣性沒有顯著影響。下一步研究的重點應(yīng)轉(zhuǎn)到功能多樣性的時空變化格局及其機制的研究上。 2100433B

生物多樣性研究是目前生態(tài)學(xué)最活躍的研究領(lǐng)域，物種功能多樣性與群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能密切相關(guān)，是生物多樣性的重要方面，但該方面的研究較為薄弱，主要是缺少有效的分析方法。本項目從生態(tài)學(xué)和數(shù)學(xué)理論出發(fā)，針對物種功能多樣性研究存在的問題，改進和設(shè)計新的物種功能多樣性指數(shù)；發(fā)展新的物種功能多樣性聚類方法，將最小生成樹理論、模糊數(shù)學(xué)和SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論引入物種功能多樣性研究；對這些方法在Matlab中編寫程序進行分析；在分析過程中比較和篩選能夠準確反映植物種功能特征的指標；分析物種功能多樣性研究中的抽樣效應(yīng)問題，選擇最佳取樣方法；對五臺山、秦嶺和神農(nóng)架山地植物群落物種功能多樣性及其影響機制進行實際應(yīng)用研究。從理論和實際應(yīng)用效果上與已有的方法進行比較，評價其優(yōu)缺點。研究將豐富生物多樣性與數(shù)量生態(tài)學(xué)的理論和方法，具有重要的理論和實際意義。

物種多樣性指數(shù)是指用簡單的數(shù)值表示群落內(nèi)種類多樣性的程度，是用來判斷群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標。

物種多樣性指數(shù)是豐富度和均勻性的綜合指標。應(yīng)該指出的是，應(yīng)用物種多樣性指數(shù)時，具低豐富度和高均勻度的群落與具高豐富度與低均勻度的群落，可能得到相同的多樣性指數(shù)。

物種多樣性指數(shù)是以數(shù)學(xué)公式描述群落結(jié)構(gòu)特征的一種方法。在調(diào)查了植物群落的種類及其數(shù)量之后，選定多樣性公式，就可計算反映群落結(jié)構(gòu)的多樣性指數(shù)。物種多樣性指數(shù)有以下幾方面的生態(tài)學(xué)意義：①是描述群落結(jié)構(gòu)特征的一個指標；②用來比較兩個群落的復(fù)雜性，作為環(huán)境質(zhì)量評價和比較資源豐富的指標；③從演替階段的多樣性比較，可作為演替方向、速度及程度的指標。

計算物種多樣性指數(shù)的公式有很多，形式各異，而實質(zhì)是差不多的。大部分多樣性指數(shù)中，組成群落的生物種類越多，其多樣性指值越大。 2100433B

物種多度分布模型對群落的多樣性數(shù)據(jù)進行了很好的描述。當觀察到的數(shù)據(jù)較好地服從某一理論分布時，則擬合分布的參數(shù)可以作為一個多樣性指標來描述群落的多樣化程度。例如，當群落的物種多度服從對數(shù)級數(shù)時，它有2個參數(shù)α和x。其中X是樣本大小的函數(shù)，而另一個參數(shù)α不受樣本大小的影響，反映了群落的固有特性，因此，F(xiàn)isher等將其定義為多樣性指數(shù)。然而，通過理論分布的參數(shù)去測度群落物種多樣性的方法有很大的局限性。首先，某些理論分布的參數(shù)與樣本大小有關(guān)，不適于作為多樣性指數(shù)；第二，很多觀察數(shù)據(jù)不能較好地被任何一種理論分布擬合；第三，某些群落在進行多樣性測度時尚不清楚其物種多度分布格局。因此，人們希望找到與物種多度分布格局獨立的多樣性測度方法，于是就產(chǎn)生了眾多的物種多樣性指數(shù)。

在群落物種多樣性研究和編目中，發(fā)現(xiàn)需要界定群落界限。Whittaker（1977）將群落物種多樣性定義為β多樣性、α多樣性、γ多樣性和ε多樣性等4個水平。最小的尺度為β多樣性，是指一個均質(zhì)生境內(nèi)微生境或樣本間的物種多樣性，強調(diào)群落內(nèi)物種多樣性的變化；第二個尺度為α多樣性，是指均質(zhì)生境內(nèi)的多樣性，即通常研究的某個生物群落的物種多樣性；γ多樣性是指更大的尺度，如島嶼或景觀的物種多樣性；第四個尺度為ε多樣性，是指生物地理區(qū)域的物種多樣性，即7多樣性聯(lián)合的總的物種多樣性。

物種多樣性是群落的重要特征。在比較兩個群落的物種多樣性特征時，最簡單的方法是比較兩群落中的某類群物種的數(shù)量，即物種豐富度指數(shù)或種數(shù)。但由于物種多樣性的二元特征，使用物種豐富度比較可能存在誤導(dǎo)。

物種多樣性指數(shù)是物種豐富度和均勻度的函數(shù)，不同多樣性指數(shù)的差別就在于對這兩個變量賦予的權(quán)重不同。通過這些方程式演算出來的數(shù)值可以比較系統(tǒng)而明晰地顯示出生物群落的結(jié)構(gòu)，同時也可以反映出生物群落和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。生物種群分布格式各不相同，種的分布區(qū)和分布范圍受地理條件和自然環(huán)境嚴格控制，個體分布的密度與環(huán)境理化因素密切相關(guān)，亦與生物之間食物網(wǎng)關(guān)系密切相關(guān)，這些情況反映出取樣的復(fù)雜性。多樣性指數(shù)值越高，區(qū)域中的生物種類越多、生物間的關(guān)系也越密切；若該地區(qū)受到外力的干擾、而使區(qū)域內(nèi)的某種生物數(shù)量減少時，該種生物空出的生態(tài)位置，較容易由其他物種替補其空缺，以維持生態(tài)系的穩(wěn)定與平衡；因此，較低程度的干擾對多樣性指數(shù)值較高的區(qū)域所造成的傷害，會比指數(shù)值較低、較為單純的群集來得小。