森林是陆地生物圈的重要组成部分,它提供了一系列关键的生态系统功能,如固碳、水分和养分循环等。长白山自然保护区拥有完整的原始阔叶红松林生态系统,并与周边分布的不同林龄的杨桦次生林,共同形成了从先锋到顶级群落的次生演替系列。近代以来长白山原始阔叶红松林资源遭到严重破坏,形成了大面积次生林群落。原始阔叶红松林的保护以及退化次生林群落的恢复任务迫在眉睫,对长白山地区森林群落结构与动态的研究显得尤为重要。近年来随着物种丧失形势愈发严峻,探讨生物多样性对生态系统功能的影响机制更加急迫。本文以长白山地区典型次生杨桦林、次生针阔混交林和原始椴树红松林为研究对象,建立了 3块5.2公顷的大面积监测样地。三块样地顺次构成了一个由次生林分逐渐向顶级植被类型过渡的典型演替序列。研究依托于样地环境调查数据和多次植被调查数据,对群落内幼苗更新及树木存活驱动机制、群落空间结构、群落分类结构及多维度生物多样性与森林生产力关系等方面进行了深入的研究,研究结果为解释群落物种共存提供了理论和事实依据,对合理预测森林生态系统功能具有一定的指导意义。主要研究结论如下:1.生境过滤对密度制约的影响:本文使用2011-2014年连续监测数据建立广义线性混合模型(GLMMS)探讨负密度制约(CNDD)和生境过滤对幼苗存活的重要性影响。本次研究幼苗存活模型包括取样范围内所有幼苗和成年大树,将其分为同种和异种的邻体密度分类计算。研究结果发现:同物种密度制约和生境过滤同时影响幼苗存活;同物种幼苗-大树之间的负密度制约在两个不同的林分中均有;特别地,我们的研究结果还发现了同物种幼苗-幼苗之间的正密度制约。2.树木存活的影响因素:利用广义线性混合效应模型(GLMMs)分析树木自身的胸径、生物邻体变量和非生物环境变量对树木个体存活的影响。结果表明:在我们的研究样地中,树木个体死亡率表现出明显的种间差异。在次生杨桦林和次生针阔混交林中,包含胸径、生物变量和非生物环境变量的全模型很好地拟合了树木个体的存活概率;在原始椴树红松林中,仅包含胸径的模型能更好地拟合树木的存活概率。综合来看,树木的死亡并非是一个完全随机的过程,我们的研究结果证实了负密度制约效应和生态位过程在长白山地区典型天然林群落构建过程中发挥着重要作用。3.环境异质性和扩散限制影响群落构建:通过对次生杨桦林、次生针阔混交林和原始椴树红松林3块样地土壤元素数据进行主成分分析,提取4个主成分表示不同土壤特性的空间变化特征。使用同质性泊松模型和同质性托马斯模型模拟物种分布情况,研究土壤-物种关系。研究结果表明样地中物种的空间分布与物种扩散作用和土壤资源空间分布异质性有关。完全随机情况下,3块样地模拟90%以上的物种分布表现出与土壤环境主成分有显著相关关系。其中次生杨桦林内92.7%的树种与土壤中至少一种主成分显著相关,次生针阔混交林内92.6%与土壤中至少一种主成分显著相关,原始椴树红松林内有90.9%的树种与土壤中至少一种主成分显著相关。消除物种扩散限制后发现3块样地内分布与土壤主成分显著相关的物种数有所减少,但还是有接近半数的物种表现出分布会对土壤环境有所偏好。其中次生杨桦林内29.3%的树种与土壤中至少一种主成分显著相关,次生针阔混交林内51.9%与土壤中至少一种主成分显著相关,原始椴树红松林内有45.5%的树种与土壤中至少一种主成分显著相关。4.群落分类结构:首先分析了长白山典型群落的分类结构特征,并利用群落随机零模型判断影响群落构建的主要生态学过程。研究结果表明:长白山地区处于不同演替阶段的森林群落分类结构均具有一定的尺度依赖性,随着尺度的增大,属种比和科种比呈现下降趋势。幂函数模型能够很好地拟合三块样地的属-种关系和科-种关系。通过比较实际群落与随机群落分类结构的差异,我们发现在局域尺度上,环境过滤和扩散限制作用对次生针阔混交林和原始椴树红松林群落分类结构的影响要强于种间竞争,而在次生杨桦林中,竞争作用始终占据主导作用。5.物种多样性和结构多样性与生产力关系:本研究以长白山三块典型森林群落为研究对象,试图分析不同演替阶段物种多样性和结构多样性与生产力之间的关系。研究利用长白山次生杨桦林、次生针阔混交林和原始椴树红松林大样地表示群落演替的早、中、晚期。研究构建了多元线性回归模型比较了各个多样性指标与生产力的相关性,在此基础上选择最优指标表示物种多样性和结构多样性,进而构建结构方程模型比较物种多样性和结构多样性指标对生产力影响的相对重要性。研究结果表明:演替早期,物种丰富度和胸径均匀度与生产力关系最为显著,二者对生产力的影响作用近似,但作用力不强;在演替中期,物种丰富度和胸径均匀度与生产力关系最为显著,二者均对生产力具有促进作用,且物种多样性对生产力的作用比结构多样性更强;演替晚期,物种多样性和结构多样性均与生产力没有显著的相关关系。6.生物多样性与生产力:本文评估了三种不同维度的生物多样性(物种丰富度、功能多样性、谱系多样性)以及环境因素对生态系统功能的影响。其中森林生态系统功能采用森林生物量和生产力来表征。研究发现谱系多样性对生态系统功能的影响最为显著,物种多样性仅在次生杨桦林和针阔混交林阶段分别对森林生物量和生产力起促进作用。综合本文的研究结果可以看出:在局域尺度上,环境过滤作用显著影响长白山典型天然林群落构建过程。包含土壤因子在内的环境因子对树木个体死亡和群落结构有重要影响。而在演替初期(次生杨桦林),竞争作用是驱动群落构建的主要因素,随着演替的进行,这一作用的重要性逐渐降低。负密度制约对树木个体存活和幼苗存活均有重要影响。研究发现,在各个演替阶段生物多样性与生态系统功能均具有相关性,但在演替中期谱系多样性和结构多样性对生产力的影响最为明显。