环境过滤和扩散限制对库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00129

摘要/Abstract

摘要：

β-多样性反映群落之间的物种组成差异，群落β-多样性的形成和维持一直是生态学研究的核心问题。通过对库姆塔格沙漠南缘60个植物群落的调查，结合环境因素和空间距离，通过Mantel分析以及基于距离的多元回归（MRM），分析了环境过滤和扩散限制对研究区植物群落β-多样性及组分的影响。结果表明：库姆塔格沙漠南缘植物群落存在明显的地理衰减格局，群落之间物种组成差异较大，β-多样性高且大部分来自物种更替；环境差异和空间距离对群落β-多样性及更替组分均有显著影响，物种更替对二者的响应与β-多样性保持一致；MRM分析表明，在研究区β-多样性的形成中环境过滤和扩散限制的相对作用存在差异，环境过滤作用对β-多样性及组分的影响超过扩散作用。通过本次研究可以初步确定在库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性主要由生态位过程与中性过程以及其他未知过程共同控制，其中气候、海拔等生态位因素扮演着比中性过程更为重要的角色。此外，研究区群落β-多样性可能主要由物种更替导致，不同生态过程对群落β-多样性的影响可能主要通过调控群落物种更替来实现。

关键词: 环境过滤, 扩散限制, β-多样性, 更替, 嵌套, 库姆塔格沙漠南缘

Abstract:

Beta diversity reflects the difference in species composition between communities. The formation and maintenance mechanism of community beta diversity has been a core issue in ecology. In this study， we investigated 60 plant communities in the south fringe of the Kumtag Desert， and combined with environmental factors and spatial distance. To analyze the impact of environmental filtering and dispersal limitation on beta diversity and components in the study area through mantel analysis and multiple regression on distance matrices （MRM）. The results showed that the plant community similarity in the south fringe of the Kumtag Desert had a significant geographical decay pattern. The species composition between the communities was quite different， and the beta diversity was high， which mainly came from the replacement. Environmental differences and spatial distance had significant effects on community beta diversity and replacement， and the response of species replacement is consistent with beta diversity. MRM analysis shows that the relative effects of environmental filtering and dispersal limitation in the formation of beta diversity are different. and the influence of environmental filtering on beta diversity and components exceeded that of diffusion. Through this study， it can be concluded that the beta diversity of plant community in the south fringe of the Kumtag Desert is mainly controlled by niche process， neutral process and other unknown processes， among which niche factors such as climate and altitude play a more important role than neutral process. In addition， the community beta diversity in the study area may be mainly caused by species replacement， and the impact of different ecological processes on the community beta diversity may be mainly achieved by regulating the community species replacement.

Key words: environmental filtering, dispersal limitation, beta diversity, replacement, nestedness, the south fringe of the Kumtag Desert

中图分类号:

Q948.15

杨欢, 王寅, 王健铭, 夏延国, 李景文, 贾晓红, 吴波. 环境过滤和扩散限制对库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性的影响[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 147-154.

Huan Yang, Yin Wang, Jianming Wang, Yanguo Xia, Jingwen Li, Xiaohong Jia, Bo Wu. Effects of environmental filtering and dispersal limitation on the β-diversity of plant communities in the south fringe of Kumtag Desert[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(3): 147-154.

图/表 6

图1 库姆塔格沙漠南缘调查样点分布

Fig.1 Distribution of sample points in the south fringe of the Kumtag Desert

图2 库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性距离衰减关系

Fig.2 The distance-decay curves of plant community β- diversity in the south fringe of the Kumtag Desert

图3 库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性及组分统计

Fig.3 Summary statistics of the plant β-diversity and components in the south fringe of the Kumtag Desert

表1 β-多样性及组分与环境差异和空间距离的Mantel检验

Table 1 The relationship between β-diversity or components and the environmental differences or spatial distance using Mantel tests

环境、空间	影响因素	总体	更替组分	嵌套组分
环境	温度	0.176^**	0.155^**	-0.125^NS
	降水	0.227^**	0.207^**	-0.201^NS
	海拔	0.438^***	0.369^***	-0.247^NS
空间	空间距离	0.342^***	0.347^***	-0.281^NS

表2 环境因子和空间距离对库姆塔格沙漠南缘植物群落β-多样性及组分的影响

Table 2 The effects of environmental factors and spatial distance on β-diversity and components of community in the south fringe of the Kumtag Desert

影响因子	影响因素	总体		更替
影响因子	影响因素	R²	P	R²	P
环境	最冷月最低温	0.049	<0.001	0.046	<0.001
	气温年较差	0.004	>0.05	0.002	>0.05
	气温日较差	0.003	>0.05	0.003	>0.05
	最干旱月降水量	0.094	<0.001	0.100	<0.001
	最干旱季降水量	0.130	<0.001	0.138	<0.001
	海拔	0.189	<0.001	0.190	<0.001
空间	空间距离	0.147	<0.001	0.156	<0.001

图4 环境差异及空间距离对植物群落β-多样性及更替组分的影响

Fig.4 The effects of environmental differences and spatial distance on β-diversity and replacement component of plant communities

参考文献 44

1	Whittaker R H.Vegetation of the Siskiyou Mountains，Oregon and California［J］.Ecological Monographs，1960，30（4）：407.
2	Condit R，Pitman N，Leigh E G，et al.Beta-diversity in tropical forest trees［J］.Science，2002，295（5555）：666-669.
3	Svenning J，Fløjgaard C，A.Climate Baselga，history and neutrality as drivers of mammal beta diversity in Europe：insights from multiscale deconstruction［J］.Journal of Animal Ecology，2011，80（2）：393-402.
4	Zellweger F，Roth T，Bugmann H，et al.Beta diversity of plants， birds and butterflies is closely associated with climate and habitat structure［J］.Global Ecology and Biogeography，2017，26（8）：898-906.
5	李新辉，刘延虹，刘晔，等.地理距离及环境差异对云南元江干热河谷植物群落β-多样性的影响［J］.生物多样性，2016，24（4）：399-406.
6	Myers J A，Chase J M，Jiménez I，et al.Beta-diversity in temperate and tropical forests reflects dissimilar mechanisms of community assembly［J］.Ecology Letters，2013，16（2）：151-157.
7	H.Dispersal Tuomisto，environment，and floristic variation of Western Amazonian Forests［J］.Science，2003，299（5604）：241-244.
8	Xing D，He F.Environmental filtering explains a U-shape latitudinal pattern in regional β-deviation for eastern North American trees［J］.Ecology Letters，2019，22（2）：284-291.
9	王均伟，侯嫚嫚，黄利亚，等.长白山阔叶红松林系统发育和功能性状β-多样性［J］.北京林业大学学报，2016，38（10）：21-27.
10	Leibold M A，Mcpeek M A.Coexistence of the niche and neutral perspectives in community ecology［J］.Ecology，2006，87（6）：1399-1410.
11	Chave J.Neutral theory and community ecology［J］.Ecology Letters，2004，7（3）：241-253.
12	Hubbell S P.The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography［M］.Princeton，UDA：Princeton University Press，2001.
13	牛克昌，刘怿宁，沈泽昊，等.群落构建的中性理论和生态位理论［J］.生物多样性，2009，17（6）：579-593.
14	Wennekes P L，Rosindell J，Etienne R S.The neutral-niche debate：a philosophical perspective［J］.Acta Biotheoretica，2012，60（3）：257-271.
15	Chase J M.Towards a really unified theory for metacommunities［J］.Functional Ecology，2005，19（1）：182-186.
16	Legendre P，Mi X，Ren H，et al.Partitioning beta diversity in a subtropical broad-leaved forest of China［J］.Ecology，2009，90（3）：663-674.
17	翁昌露，张田田，巫东豪，等.古田山10种主要森林群落类型的α和β多样性格局及影响因素［J］.生物多样性，2019，27（1）：33-41.
18	Wang S，Wang X，Guo H，et al.Distinguishing the importance between habitat specialization and dispersal limitation on species turnover［J］.Ecology and Evolution，2013，3（10）：3545-3553.
19	刘翔宇，赵慈良，许洺山，等.中国东部海岛维管植物的β-多样性及其驱动因素［J］.生物多样性，2019，27（4）：380-387.
20	Baselga A.Partitioning the turnover and nestedness components of beta diversity［J］.Global Ecology and Biogeography，2010，19（1）：134-143.
21	Si X，Baselga A，Ding P.Revealing beta-diversity patterns of breeding bird and lizard communities on inundated land-bridge islands by separating the turnover and nestedness components［J］.PLoS One，2015，10（5）：e127692.
22	Wang J，Chen C，Li J，et al.Different ecological processes determined the alpha and beta components of taxonomic，functional，and phylogenetic diversity for plant communities in dryland regions of Northwest China［J］.Peer J，2019，6：e6220.
23	Li L，Wang Z，Zerbe S，et al.Species richness patterns and water-energy dynamics in the drylands of Northwest China［J］.PLoS One，2013，8（6）：e66450.
24	王健铭，王文娟，李景文，等.中国西北荒漠区植物物种丰富度分布格局及其环境解释［J］.生物多样性，2017，25（11）：1192-1201.
25	罗宁，刘尊驰，于航，等.古尔班通古特沙漠南部植物多样性的区域差异［J］.生态学报，2016，36（12）：3572-3581.
26	刘淑娟，袁宏波，张锦春，等.库姆塔格沙漠典型植物种群特征与自然环境要素的因子分析［J］.西北植物学报，2012，32（9）：1874-1881.
27	张锦春，王继和，廖空太，等.库姆塔格沙漠植被特征分析［J］.西北植物学报，2008（11）：2332-2338.
28	吴波，李秀梅，苏志珠，等.库姆塔格沙漠地区景观格局与动态研究［J］.中国沙漠，2013，33（1）：1-8.
29	胡钰玲，宁贵财，康彩燕，等.库姆塔格沙漠周边地区极端降水的时空变化特征［J］.中国沙漠，2017，37（3）：536-545.
30	张天汉，王健铭，夏延国，等.库姆塔格沙漠不同区域种子植物物种组成与区系特征研究［J］.植物科学学报，2016，34（1）：78-88.
31	陈圣宾，欧阳志云，徐卫华，等.Beta多样性研究进展［J］.生物多样性，2010，18（4）：323-335.
32	Anderson M J，Crist T O，Chase J M，et al.Navigating the multiple meanings of β diversity：a roadmap for the practicing ecologist［J］.Ecology Letters，2011，14（1）：19-28.
33	王丹，王孝安，郭华，等.环境和扩散对草地群落构建的影响［J］.生态学报，2013，33（14）：4409-4415.
34	谭珊珊，叶珍林，袁留斌，等.百山祖自然保护区植物群落β-多样性［J］.生态学报，2013，33（21）：6944-6956.
35	Wang X，Lü X，Yao J，et al.Habitat-specific patterns and drivers of bacterial β-diversity in China's drylands［J］.The ISME Journal，2017，11（6）：1345-1358.
36	蒙洋，邱月，张亮，等.地理距离、海拔和气候差异对独龙江流域维管植物群落物种空间相异性的影响［J］.生物多样性，2017，25（12）：1313-1320.
37	Tang Z，Fang J，Chi X，et al.Patterns of plant beta-diversity along elevational and latitudinal gradients in mountain forests of China［J］.Ecography，2012，35（12）：1083-1091.
38	Legendre P.Interpreting the replacement and richness difference components of beta diversity［J］.Global Ecology and Biogeography，2014，23（11）：1324-1334.
39	Naghmeh Piroozi A K M J，Farizhendi A T A G.Plant alpha and beta diversity in relation to spatial distribution patterns in different plant community types［J］.Pakistan Journal of Botany，2018，50（6）：2317-2323.
40	Kouba Y，Martínez-García F，de Frutos Á，et al.Plant β-diversity in human-altered forest ecosystems：the importance of the structural，spatial，and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages［J］.European Journal of Forest Research，2014，133（6）：1057-1072.
41	Tang C Q，Matsui T，Ohashi H，et al.Identifying long-term stable refugia for relict plant species in East Asia［J］.Nature Communications，2018，9（1）：4414-4488.
42	Ficetola G F，Mazel F，Thuiller W.Global determinants of zoogeographical boundaries［J］.Nature Ecology & Evolution，2017，1（4）：356-374.
43	赵鸣飞，王国义，邢开雄，等.秦岭西部森林群落相似性递减格局及其影响因素［J］.生物多样性，2017，25（1）：3-10.
44	Blundo C，González-Espinosa M，Malizia L R.Relative contribution of niche and neutral processes on tree species turnover across scales in seasonal forests of NW Argentina［J］.Plant Ecology，2016，217（4）：359-368.

[1]	王子婷, 杨磊, 李广, 柴春山, 张洋东, 刘冬皓. 黄土丘陵区坡面柠条（*Caragana korshinskii*）林地草本植物分布特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 120-128.
[2]	李功麟, 张定海, 张志山, 胡宜刚, 黄磊, 路丽宁. 古尔班通古特沙漠沙丘主要灌木的种群数量动态[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 129-137.
[3]	张华, 安慧敏. 基于GEE的1987—2019年民勤绿洲NDVI变化特征及趋势分析[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 28-36.
[4]	雷军, 杨逍虎, 刘红梅, 赵玉红, 范菊萍, 郭彩霞. 黑河流域中游荒漠典型区域植被生物量及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 203-208.
[5]	王旭洋, 李玉霖, 连杰, 段育龙, 王立龙. 半干旱典型风沙区植被覆盖度演变与气候变化的关系及其对生态建设的意义[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 183-194.
[6]	孙一梅, 田青, 吕朋, 郭爱霞, 李平平, 朱丽琴, 左小安. 科尔沁沙地沙质草地与固定沙丘植物群落结构对极端干旱的响应[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 129-136.
[7]	贾喆亭, 杨九艳, 孙艳霞, 陈琪, 闫瑞玲. 阿拉善高原珍珠猪毛菜（*Salsola passerina*）种群空间分布格局[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 119-128.
[8]	郝梦宇, 秦龙君, 毛鹏, 罗婕纯一, 赵文利, 邱国玉. 基于无人机可见光影像的荒漠植被分布格局研究方法[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 169-179.
[9]	李得禄, 马全林, 张锦春, 陈芳, 李新荣, 袁宏波, 魏林源, 杨昊天, 张忠. 腾格里沙漠植被特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 223-233.
[10]	马全林, 张锦春, 陈芳, 张德魁, 魏林源. 腾格里沙漠南缘花棒（*Hedysarum scoparium*）人工固沙林演替规律与机制[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 206-215.
[11]	孙艳霞, 杨九艳, 乔宜青, 郭超莉, 邵奕铭, 王健宇. 阿拉善高原红砂(Reaumuria songarica)种群空间分布格局[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 105-115.
[12]	刘婵, 赵文智, 刘冰, 孟阳阳. 基于无人机和MODIS数据的巴丹吉林沙漠植被分布特征与动态变化研究[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 92-102.
[13]	李成阳, 薛娴, 赖炽敏, 尤全刚, 彭飞, 张文娟. 青藏高原退化高寒草甸生长季承载力[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6): 1330-1338.
[14]	郭紫晨, 刘树林, 康文平, 陈翔, 张雪琴. 2000-2015年毛乌素沙区植被覆盖度变化趋势[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 1099-1107.
[15]	倪向南, 郭伟, 乔凯. 陕北风沙过渡带植被净初级生产力变化特征及原因[J]. 中国沙漠, 2018, 38(4): 889-898.