植物群落物种功能多样性分析方法与应用研究

植物功能多样性与群落结构和生态系统功能过程密切相关，是生物多样性研究与保护的重要方面，受到越来越多学者的关注。对功能多样性理论与方法的研究逐渐成为生态学的热点之一。本项目结合生态学和数学理论，研究功能多样性分析方法及其应用，具有重要的理论意义和实际价值。主要结果：将重要值、系统发育和区系亲缘关系作为权重引入了功能多样性指数，对已有的功能多样性的方法有明显的改进；应用新的数学理论，发展了模糊数学功能多样性分析方法、自组织神经网络功能多样性分析方法和主分量功能多样性指数三个新的物种功能多样性研究方法，在理论上和应用上比较分析了这些方法与已有方法的优缺点，证明了它们的有效性；对多个山地森林、灌丛、草地等群落进行了功能多样性实际应用研究，发现功能多样性的变化受环境梯度的显著影响，新方法在研究功能多样性变化格局方面有优势；植物种功能特征的选取应结合生理、形态、生殖、生态等功能特征，以全面反映植物种的功能差异；在取样面积一致的情况下，抽样效应对功能多样性没有显著影响。下一步研究的重点应转到功能多样性的时空变化格局及其机制的研究上。 2100433B

生物多样性研究是目前生态学最活跃的研究领域，物种功能多样性与群落结构和生态系统功能密切相关，是生物多样性的重要方面，但该方面的研究较为薄弱，主要是缺少有效的分析方法。本项目从生态学和数学理论出发，针对物种功能多样性研究存在的问题，改进和设计新的物种功能多样性指数；发展新的物种功能多样性聚类方法，将最小生成树理论、模糊数学和SOFM神经网络理论引入物种功能多样性研究；对这些方法在Matlab中编写程序进行分析；在分析过程中比较和筛选能够准确反映植物种功能特征的指标；分析物种功能多样性研究中的抽样效应问题，选择最佳取样方法；对五台山、秦岭和神农架山地植物群落物种功能多样性及其影响机制进行实际应用研究。从理论和实际应用效果上与已有的方法进行比较，评价其优缺点。研究将丰富生物多样性与数量生态学的理论和方法，具有重要的理论和实际意义。

物种多样性指数是指用简单的数值表示群落内种类多样性的程度，是用来判断群落或生态系统的稳定性指标。

物种多样性指数是丰富度和均匀性的综合指标。应该指出的是，应用物种多样性指数时，具低丰富度和高均匀度的群落与具高丰富度与低均匀度的群落，可能得到相同的多样性指数。

物种多样性指数是以数学公式描述群落结构特征的一种方法。在调查了植物群落的种类及其数量之后，选定多样性公式，就可计算反映群落结构的多样性指数。物种多样性指数有以下几方面的生态学意义：①是描述群落结构特征的一个指标；②用来比较两个群落的复杂性，作为环境质量评价和比较资源丰富的指标；③从演替阶段的多样性比较，可作为演替方向、速度及程度的指标。

计算物种多样性指数的公式有很多，形式各异，而实质是差不多的。大部分多样性指数中，组成群落的生物种类越多，其多样性指值越大。 2100433B

物种多度分布模型对群落的多样性数据进行了很好的描述。当观察到的数据较好地服从某一理论分布时，则拟合分布的参数可以作为一个多样性指标来描述群落的多样化程度。例如，当群落的物种多度服从对数级数时，它有2个参数α和x。其中X是样本大小的函数，而另一个参数α不受样本大小的影响，反映了群落的固有特性，因此，Fisher等将其定义为多样性指数。然而，通过理论分布的参数去测度群落物种多样性的方法有很大的局限性。首先，某些理论分布的参数与样本大小有关，不适于作为多样性指数；第二，很多观察数据不能较好地被任何一种理论分布拟合；第三，某些群落在进行多样性测度时尚不清楚其物种多度分布格局。因此，人们希望找到与物种多度分布格局独立的多样性测度方法，于是就产生了众多的物种多样性指数。

在群落物种多样性研究和编目中，发现需要界定群落界限。Whittaker（1977）将群落物种多样性定义为β多样性、α多样性、γ多样性和ε多样性等4个水平。最小的尺度为β多样性，是指一个均质生境内微生境或样本间的物种多样性，强调群落内物种多样性的变化；第二个尺度为α多样性，是指均质生境内的多样性，即通常研究的某个生物群落的物种多样性；γ多样性是指更大的尺度，如岛屿或景观的物种多样性；第四个尺度为ε多样性，是指生物地理区域的物种多样性，即7多样性联合的总的物种多样性。

物种多样性是群落的重要特征。在比较两个群落的物种多样性特征时，最简单的方法是比较两群落中的某类群物种的数量，即物种丰富度指数或种数。但由于物种多样性的二元特征，使用物种丰富度比较可能存在误导。

物种多样性指数是物种丰富度和均匀度的函数，不同多样性指数的差别就在于对这两个变量赋予的权重不同。通过这些方程式演算出来的数值可以比较系统而明晰地显示出生物群落的结构，同时也可以反映出生物群落和生态环境之间的关系。生物种群分布格式各不相同，种的分布区和分布范围受地理条件和自然环境严格控制，个体分布的密度与环境理化因素密切相关，亦与生物之间食物网关系密切相关，这些情况反映出取样的复杂性。多样性指数值越高，区域中的生物种类越多、生物间的关系也越密切；若该地区受到外力的干扰、而使区域内的某种生物数量减少时，该种生物空出的生态位置，较容易由其他物种替补其空缺，以维持生态系的稳定与平衡；因此，较低程度的干扰对多样性指数值较高的区域所造成的伤害，会比指数值较低、较为单纯的群集来得小。