亚热带常绿阔叶林林分结构对...驱动作用_从局域到区域尺度_杨欣.pdf
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1、2023,31(2):22139,pages 112doi:10.17520/biods.2022139收稿日期:2022-03-29;接受日期:2022-05-25基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB31030201)*共同通讯作者 Co-authors for correspondences.E-mail:;https:/www.biodiversity-亚热带常绿阔叶林林分结构对物种组成变异的驱动作用:从局域到区域尺度杨欣1,2,姚志良2,3,王彬2,4,温韩东2,5,邓云2,6,曹敏2,5,张志明4,谭正洪1,4*,林露湘2,6*1.海南大学生态与环境学院,海口 57
2、0228;2.中国科学院西双版纳热带植物园热带森林生态学重点实验室,昆明 650223;3.中国科学院大学,北京 100049;4.云南大学生态与环境学院暨云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室,昆明 650091;5.云南哀牢山森林生态系统国家野外科学观测研究站,云南景东 676209;6.云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站,云南勐腊 666303摘要:林分结构可以表征森林群落光的可利用性和光环境的异质性,对群落物种组成的变异具有重要驱动作用。然而,目前还鲜有研究将林分结构用于解释群落物种组成的变异。本研究以哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶林20 ha森林动态监测样地及其周边区域
3、按公里网格设置的19个1 ha森林动态样地为研究对象,将林分结构参数、环境因子和空间结构变量共同作为解释变量,采用基于冗余分析的变差分解和层次分割方法,在局域和区域尺度上同时解析群落物种组成变异的驱动因素。结果表明,在局域和区域尺度上,纳入林分结构后均提高了对物种组成变异的解释率。在局域尺度上,加入林分结构作为解释变量后,单纯的空间结构的解释率明显下降,林分结构与环境因子累计贡献了41.0%的解释率。在区域尺度上,林分结构与环境因子累计贡献了23.0%的解释率。从局域到区域尺度,环境过滤的相对作用明显增强。林分结构指示的光的可利用性对林冠下方的树种组成具有较强的塑造作用,今后的研究应进一步探讨
4、林分结构对亚热带常绿阔叶林物种组成变异的驱动机制。关键词:林分结构;尺度效应;激光雷达;光的可利用性;哀牢山杨欣,姚志良,王彬,温韩东,邓云,曹敏,张志明,谭正洪,林露湘(2023)亚热带常绿阔叶林林分结构对物种组成变异的驱动作用:从局域到区域尺度.生物多样性,31,22139.doi:10.17520/biods.2022139.Yang X,Yao ZL,Wang B,Wen HD,Deng Y,Cao M,Zhang ZM,Tan ZH,Lin LX(2023)Driving effects of forest stand structure of a subtropical everg
5、reenbroad-leaved forest on species composition variation:From local to regional scales.Biodiversity Science,31,22139.doi:10.17520/biods.2022139.Driving effects of forest stand structure of a subtropical evergreen broad-leavedforest on species composition variation:From local to regional scalesXin Ya
6、ng1,2,Zhiliang Yao2,3,Bin Wang2,4,Handong Wen2,5,Yun Deng2,6,Min Cao2,5,Zhiming Zhang4,Zhenghong Tan1,4*,Luxiang Lin2,6*1 School of Ecology and Environment,Hainan University,Haikou 5702282 CAS Key Laboratory of Tropical Forest Ecology,Xishuangbanna Tropical Botanical Garden,Chinese Academy of Scienc
7、es,Kunming 6502233 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000494 School of Ecology and Environmental Sciences&Yunnan Key Laboratory for Plateau Mountain Ecology and Restoration ofDegraded Environments,Yunnan University,Kunming 6500915 National Forest Ecosystem Research Station at Ailaosh
8、an,Jingdong,Yunnan 6762096 National Forest Ecosystem Research Station at Xishuangbanna,Mengla,Yunnan 666303ABSTRACTAim:The variation of species composition can be partitioned into two components which are explained by environmentand space,and can be used to further explore the niche process and neut
9、ral process of community assembly.Forest研究报告杨欣等:亚热带常绿阔叶林林分结构对物种组成变异的驱动作用:从局域到区域尺度2023年|31卷|2期|22139|第2页stand structure characterizes the light availability and heterogeneity under forest canopies,and it is a major drivingfactor in the variation of species composition for forest communities.However,f
10、ew studies have applied forest standstructure to explain the variation of species composition within forest communities.In this study,we sampled 19separate 1-ha forest dynamics plots established among grids of 1 km2(regional scale)near the 20 ha subtropicalmid-mountain moist evergreen broad-leaved f
11、orest dynamics plot(local scale,less than 1 km2)in Ailao Mountains as aresearch platform.Using forest stand structure,environmental factors,and spatial structure variables as the explanatoryvariables for the species composition variation.We resolved the driving forces of species composition variatio
12、n at localand regional scales,with an emphasis on the role of forest stand structure in driving the variation of speciescomposition.Methods:Based on a long-term community survey and airborne LiDAR data,we used redundancy analysis(RDA)andvariance partitioning to analyze how environment,spatial struct
13、ure,and forest stand structure were related to speciescomposition variation in a subtropical evergreen broad-leaved forest at both local and regional scales.To explore themain factors driving the variation of species composition,we analyzed the relative importance of individual explanatoryvariables
14、using commonality analysis and hierarchical partitioning method.Results:Inclusion of forest stand structure as an explanatory variable increased the response rate of the variation ofspecies composition at both local and regional scales.However,inclusion of forest stand structure as an explanatoryvar
15、iable resulted in a significant decrease in the rate of spatial structure at the local level.The cumulative contributionof forest stand structure and environment to the variation in species composition was 41.0%at the local level.At theregional scale,forest stand structure and environment contribute
16、d a cumulative explanatory rate in species compositionwas 23.0%.Conclusions:This study confirms that,for subtropical broad-leaved evergreen forests,forest stand structurecharacterizing the light environment is an important driver of the variation in species composition,which deepens ourunderstanding
17、 of the role of environmental filtering in driving the variation in species composition and remedies thetraditional under-consideration of environmental factors.From local to regional scales,the role of purely spatialstructure declines sharply to negligible levels.However,the relative importance of
18、environmental filtering issignificantly enhanced from the local to the regional scale.Light availability may have a strong effect shaping speciescomposition below the forest canopies.This new relationship between forest stand structure on species compositionwarrants future studies to explore the cau
19、sal mechanisms of how forest stand structure drives species compositionvariation in subtropical broad-leaved evergreen forests.Keywords:forest stand structure;scale effect;LiDAR;light availability;Ailao Mountains驱动群落物种组成空间变化的生态过程是生态学研究的热点之一(Hubbell,2001;Vellend,2010;Page&Shanker,2018)。生态学家通常将群落物种组成的
20、变异划分为由环境和空间结构变量所解释的两个组分,并进一步探讨环境过滤等生态过程在群落构建中的相对作用(Gilbert&Lechowicz,2004;Chang et al,2013)。环境对物种分布的调控,即环境过滤,反映在物种组成变化中由环境变量解释的组分(Whittaker,1956;Gentry,1988;Legendre et al,2005;Chang et al,2013),而扩散限制等是塑造群落物种组成空间结构的生态过程,其影响反映在物种组成变化中由空间变量解释的组分(Chave&Leigh,2002;Condit et al,2002;Gilbert&Lechowicz,200
21、4;Legendre et al,2009)。解析群落物种组成变异驱动因素的相对作用有助于理解驱动群落构建的生态位与中性机制(Dray et al,2012)。已有研究普遍认为,群落物种组成是由环境过滤和扩散限制等生态过程共同驱动的(Gilbert&Lechowicz,2004;Gravel et al,2006;Qian&Ricklefs,2007;Legendre et al,2009)。近年来的研究重点是解析环境过滤与扩散限制之间的相对重要性(Page&Shanker,2018),而这两类生态过程的相对重要性在不同生态系统或研究尺度上具有很大的差异(Qian&Ricklefs,2007;
22、陈 圣 宾 等,2010;Myers et al,2013)。例如,Myers等(2013)发现热带森林的物种组成差异主要受扩散限制驱动,而在温带森林中,环境过滤是最重要的驱动力。局域植物群落组成既取决于环境因子的异质性(如气候、土壤和地形条件等),又受群落内生物间的相互作用及不同物种扩散能力强弱的影响(Levine&Murrell,2003;Seidler&Plotkin,2006;牛克昌等,2009;Chase&Myers,2011)。在区域尺度上,受地史过程和区域过程的影杨欣等:亚热带常绿阔叶林林分结构对物种组成变异的驱动作用:从局域到区域尺度2023年|31卷|2期|22139|第3页
23、响,不同区域之间的物种库存在差异,会导致区域间物种组成的差异(方精云等,2009),并且区域间物种组成还受环境因子(特别是气候变化)的显著影响(Tuomisto et al,2003;Toledo et al,2011)。已有研究发现,在局域尺度上,物种组成相似性与地理距离之间存在较强的相关性,表明物种分布受到扩散限制的影响;而随着空间尺度的增大,生态位分化可能是物种组成变化更重要的驱动因素(Page&Shanker,2018)。局域群落物种共存格局的形成和维持不仅受局域生态过程的驱动,同样也受区域生态过程(如种群扩散)的驱动(Ricklefs,1987;Lalibertet al,2009)
24、,局域和区域过程共同作用于群落的结构和物种组成,并且二者的相对作用大小随着群落和环境条件的不同而有差异(方精云等,2009)。然而,局域与区域尺度上,不同生态过程相对重要性是否具有差异以及差异性如何,还有待进一步研究和探讨。目前仍鲜有研究针对同一生态系统,同时从局域和区域两个尺度上去解析不同生态过程在驱动群落物种组成变异中的相对作用,这也进一步制约了对不同生态过程在局域和区域尺度上差异性的认知。林冠结构的三维特征决定了森林群落中光的空间分布,并进一步影响森林群落的生物多样性(Ishii et al,2004)。林分结构在生物多样性格局形成中的作用已经得到越来越多的证实(周昌艳等,2020;Th
25、om et al,2021;Zhang et al,2022)。传统地面调查数据获取的林分结构主要是与胸径和个体数相关的参数,难以直接反映林冠结构,而激光雷达(lightdetection and ranging,LiDAR)遥感已被证明是定量化各类森林林冠结构的有效工具(Lefsky et al,2002;Drake et al,2003;郭 庆 华 等,2020;Zhang et al,2022)。基于激光雷达获取的林冠结构参数是一种对传统林分结构参数的重要补充,并在解释生物多样性格局形成机制中发挥着重要作用(周昌艳等,2020)。相较以往基于地面调查数据计算的相关林分结构参数,通过激光雷
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