森林动态大样地是生物多样性科学综合研究平台
马克平*
中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail: kpma@ibcas.ac.cn
摘要

关键词:
Forest dynamics plot is a crosscutting research platform for biodiversity science
Keping Ma*
State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093
Abstract
Key wordS:

近年来, 物种共存或群落构建机制研究取得明显进展, 成为群落生态学的标志性成果。大型森林动态样地途径为此提供了独特的研究平台。中国森林生物多样性监测网络(CForBio)自2004年开始建立以来, 在各方面的共同努力下快速发展, 是全球森林生物多样性研究最活跃的组成部分。已经建立的大型森林监测样地18个(附录1), 1-5 ha的辅助样地50多个, 比较好地代表了中国从寒温带到热带的地带性森林类型, 样地面积达到538.6 ha, 监测木本植物227.9万株, 隶属于1, 737种。截至2017年2月底, 基于CForBio大样地网络, 已经发表论文370多篇(附录2), 其中SCI论文195篇, 在国内外同行中产生了非常积极的影响。大型森林动态样地已经从建立之初以植物群落生态学研究为主发展成多学科交叉的生物多样性科学综合研究平台。以古田山亚热带常绿阔叶林动态样地为例, 除24 ha主样地外, 还包括: (1)覆盖不同森林类型的13个1 ha辅助样地和27个处于不同演替阶段的30 m × 30 m的卫星样地; (2)将整个古田山国家级自然保护区分成1 km × 1 km的格子, 每个格子建立一个 20 m × 20 m的卫星样地, 同时布设一台红外相机(已连续监测近3年时间); (3)选择主样地和辅助样地的3, 000多株胸径5 cm以上的树木布设生长环监测径级的年度变化; (4)通过无人机搭载的激光雷达(LiDAR)、高光谱和多光谱设备监测森林群落变化; (5)应用分子-组学方法开展植物和微生物多样性研究; (6)正在建设森林塔吊, 将覆盖1.3 ha林地。良好的综合研究平台促进了物种共存机制研究的快速发展。

1 植物功能性状研究的新进展

由于取样难度大, 从植物功能性状角度研究森林群落构建机制多以物种水平的平均功能性状为依据(刘晓娟和马克平, 2015)。基于古田山森林动态样地59种822株树的生长环季节动态监测和12种个体功能性状数据, 通过构建包含种间竞争、生境过滤和功能分化的结构方程模型, 揭示了植物生长的差异是由发生在个体水平上的功能性状策略差异直接造成的, 而竞争和生境过滤则是间接地通过塑造不同的功能策略来影响生长动态(Liu et al, 2016)。该研究将个体水平的功能性状引入生长模型, 从更小的尺度揭示了形成群落季节性动态的根本原因。随着新一代测序技术的发展, 可以在没有参考基因组的情况下对植物的转录组进行快速测序、拼接和注释, 得到基因的序列和在特定环境下的基因表达量。基于此, 转录组方法被引入古田山亚热带常绿阔叶林物种共存机制的研究。Han等(2017)通过对同种和异种邻居幼苗以及同源基因等对目标幼苗的存活进行线性混合效应的拟合分析, 检测了同种和异种幼苗密度、同种和异种大树密度以及同源基因的相似性对古田山24 ha样地的85种木本植物幼苗存活的影响。结果表明与光相关的15个基因本体中有3个是与幼苗存活相关的。同时发现光的光谱组成(光质)在幼苗对光合作用的响应方面起重要作用, 使得具有相似光合作用能力的幼苗共存, 反映了环境的过滤作用。该研究展示了转录组信息在群落构建研究中的应用前景。

2 微生物生态学研究起点高发展快

基于古田山大型森林样地的微生物生态学研究取得了重要进展。大型森林动态样地的特色在于胸径1 cm以上的木本植物都测定空间位置和径级大小, 并且每隔5年全部复查一次。对于微生物而言, 有些木本植物是其宿主, 有些是其重要的生长环境。如此翔实的植物分布数据, 对于微生物生态学研究是十分难得的。Gao等(2013)通过分析外生菌根菌与其宿主植物的关系, 发现二者在宿主植物属级水平相关性最好, 而非种级。说明外生菌根菌的专一性不是很强, 但具有较强的偏好性。土壤真菌多样性在山脊和山谷不同, 而且与植物多样性相关。在山脊, 腐生菌和病原菌多样性与植物丰富度及土壤养分和湿度显著相关, 在山谷, 却与微地形和甜槠(Castanopsis eyrei)的胸高断面积相关。外生菌根菌多样性在山脊生境与甜槠的胸高断面积正相关, 而在山谷生境则与全部木本植物的胸高断面积正相关(Gao et al, 2017)。随着森林演替的进展, 外生菌根真菌群落构建机制发生变化。环境过滤在所有的演替阶段都是群落构建的重要影响因素, 而扩散限制则只在老龄林检测到(Gao et al, 2015)。谱系关联性与丛枝菌根菌和植物形成的互惠共生网络相关。植物及其丛枝菌根菌共生体的谱系保守性是亚热带常绿阔叶林群落构建机制之一(Chen et al, 2017)。

3 近地面遥感与大样地数据结合具良好前景

近年来, 无人机在生态学中的应用发展很快, 为生态学研究由点到面的尺度拓展提供了有力支持。在鼎湖山森林动态样地, 通过无人机搭载相机拍摄高分辨率影像获取林冠参数(主要是林窗和林冠高度), 将其与地面调查的大样地数据结合, 更好地解析了森林植物多样性的空间分布格局(Zhang et al, 2016)。LiDAR、高光谱和多光谱等设备在森林动态样地及更大范围的应用, 使得森林三维可视化与更多功能性状数据的自动获取成为可能, 为森林群落构建机制研究展示了令人期待的光辉前景。

4 中国森林动态样地网络向海外拓展

中国科学院西双版纳热带植物园积极推动与泰国的合作, 将中国的森林动态样地网络拓展到中南半岛, 初步形成由10个大型森林样地组成的亚洲热带雨林动态样地网络, 其中两个为亚高山常绿阔叶林和针叶林样地(附录3)。监测的木本植物约3, 000种100万株。该区域网络弥补了中国森林生物多样性监测网络热带雨林代表性不充分的问题。

本期组织了生物多样性监测专题, 包括6篇文章。有3篇文章介绍中国生物多样性监测与研究网络(Sino BON)的3个专项网的设计框架和科学基础, 分别是林冠生物多样性监测(沈浩等, 2017)、兽类多样性监测(肖治术等, 2017)和两栖爬行动物监测(李成等, 2017)。两篇文章来自中国森林生物多样性监测网络, 分别是关于玉龙雪山森林样地的物种组成和群落结构(黄华等, 2017), 以及弄岗样地北热带喀斯特季节性雨林凋落物组分构成及时空动态特征(郭屹立等, 2017)。本专题的另外一篇文章是关于湖北七姊妹山亚热带常绿落叶阔叶混交林森林动态样地的物种组成和群落结构(丁易等, 2017)。6篇文章从不同角度展示了生物多样性监测与研究进展, 其中4篇基于森林动态样地研究。

文中引用的文献见附录4(http://www.biodiver-sity-science.net/fileup/PDF/2017113-4.pdf)

附录 Supplementary Material

附录1 中国森林生物多样性监测网络样地信息汇总

Appendix 1 Forest dynamics plots of Chinese Forest Biodiversity Monitoring Network (CForBio)

http://www.biodiversity-science.net/fileup/PDF/2017113-1.pdf

附录2 中国森林生物多样性监测网络发表论文目录

Appendix 2 Publication list of Chinese Forest Biodiversity Monitoring Network (CForBio)

http://www.biodiversity-science.net/fileup/PDF/2017113-2.pdf

附录3 亚洲热带雨林动态样地网络

Appendix 3 Asia regional network for tropical rainforest dynamics plots

http://www.biodiversity-science.net/fileup/PDF/2017113-3.pdf

附录4 参考文献

http://www.biodiversity-science.net/fileup/PDF/2017113-4.pdf

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献