植物群落物種功能多樣性分析方法與應(yīng)用研究項(xiàng)目摘要

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(xiàng)目從生態(tài)學(xué)和數(shù)學(xué)理論出發(fā)，針對(duì)物種功能多樣性研究存在的問(wèn)題，改進(jìn)和設(shè)計(jì)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(lèi)方法，將最小生成樹(shù)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(duì)這些方法在Matlab中編寫(xiě)程序進(jìn)行分析；在分析過(guò)程中比較和篩選能夠準(zhǔn)確反映植物種功能特征的指標(biāo)；分析物種功能多樣性研究中的抽樣效應(yīng)問(wèn)題，選擇最佳取樣方法；對(duì)五臺(tái)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(jī)制進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用研究。從理論和實(shí)際應(yīng)用效果上與已有的方法進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)其優(yōu)缺點(diǎn)。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(shí)際意義。

植物功能多樣性與群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能過(guò)程密切相關(guān)，是生物多樣性研究與保護(hù)的重要方面，受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。對(duì)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(diǎn)之一。本項(xiàng)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(shí)際價(jià)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(duì)已有的功能多樣性的方法有明顯的改進(jìn)；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(gè)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(diǎn)，證明了它們的有效性；對(duì)多個(gè)山地森林、灌叢、草地等群落進(jìn)行了功能多樣性實(shí)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(shì)；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(duì)功能多樣性沒(méi)有顯著影響。下一步研究的重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)到功能多樣性的時(shí)空變化格局及其機(jī)制的研究上。 2100433B

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

物種多樣性指數(shù)是豐富度和均勻性的綜合指標(biāo)。應(yīng)該指出的是，應(yīng)用物種多樣性指數(shù)時(shí)，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(lèi)及其數(shù)量之后，選定多樣性公式，就可計(jì)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(gè)指標(biāo)；②用來(lái)比較兩個(gè)群落的復(fù)雜性，作為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和比較資源豐富的指標(biāo)；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(biāo)。

計(jì)算物種多樣性指數(shù)的公式有很多，形式各異，而實(shí)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(lèi)越多，其多樣性指值越大。 2100433B

物種多度分布模型對(duì)群落的多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的描述。當(dāng)觀察到的數(shù)據(jù)較好地服從某一理論分布時(shí)，則擬合分布的參數(shù)可以作為一個(gè)多樣性指標(biāo)來(lái)描述群落的多樣化程度。例如，當(dāng)群落的物種多度服從對(duì)數(shù)級(jí)數(shù)時(shí)，它有2個(gè)參數(shù)α和x。其中X是樣本大小的函數(shù)，而另一個(gè)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(guò)理論分布的參數(shù)去測(cè)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(jìn)行多樣性測(cè)度時(shí)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(dú)立的多樣性測(cè)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(gè)水平。最小的尺度為β多樣性，是指一個(gè)均質(zhì)生境內(nèi)微生境或樣本間的物種多樣性，強(qiáng)調(diào)群落內(nèi)物種多樣性的變化；第二個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)群落的物種多樣性特征時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是比較兩群落中的某類(lèi)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(duì)這兩個(gè)變量賦予的權(quán)重不同。通過(guò)這些方程式演算出來(lái)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(shí)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?xiàng)l件和自然環(huán)境嚴(yán)格控制，個(gè)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(lèi)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(shí)，該種生物空出的生態(tài)位置，較容易由其他物種替補(bǔ)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(duì)多樣性指數(shù)值較高的區(qū)域所造成的傷害，會(huì)比指數(shù)值較低、較為單純的群集來(lái)得小。