物种多样性地理分布格局及其成因是生物地理学和宏观生态学研究的核心问题之一。为了解释物种多样性的分布格局, 人们提出了多种假说, 其中讨论最多的是能量假说。该假说认为, 物种多样性的变化受能量控制。根据能量的不同形式及其对物种多样性的影响机制, 能量假说包括以下几种形式: 生产力假说(productivity hypothesis)、水分—能量动态假说(water–energy dynamic hypothesis)、环境能量假说(ambient energy hypothesis)、寒冷忍耐假说(freezing tolerance hypothesis)以及生态学代谢假说(metabolic theory of ecology, MTE)。本文系统介绍了每种能量假说的含义、所使用的能量形式及表征变量, 以及对物种多样性的影响机制, 并对不同形式的能量假说进行了比较, 在此基础上, 分析了每种能量假说的优点和缺点以及各自面临的问题。

新陈代谢是生物的基本生理过程。生态学代谢理论(metabolic theory of ecology)基于生物个体大小和环境温度对个体新陈代谢过程的影响, 使用尺度推移(scaling)的方法来解释多种生态学格局和过程。James Borwn等将这一理论用于解释物种多样性的大尺度格局, 并从机制上解释了物种多样性与环境温度的关系。这一理论提出了两个明确的预测: (1)物种多样性的对数与绝对温度的倒数之间呈线性关系; (2) 这一线性关系的斜率为–0.6至–0.7。这一理论自提出以来, 饱受争议, 经过了正反两方面经验数据的检验, 目前仍未形成一致的结论。虽然这一理论仍面临着一些有待解决的问题, 但它以崭新的思路和方法有别于以往的基于统计学方法的研究。人们过去对该理论的实证检验忽略了两个重要的约束条件, 即除温度以外的环境条件处于理想状态和群落处于平衡状态, 而这两个约束条件是理解该理论的基础。本文对生态学代谢理论的理论框架、预测和含义, 以及以往的检验结果进行阐述, 在此基础上提出了作者对该理论的若干认识和未来研究中应考虑的若干问题。

生物多样性的大尺度分布格局是现代环境与地史过程共同作用的结果。本文从影响机制、参数选择及与现代气候假说的关系等方面回顾了地史成因假说的最新进展, 并得出以下认识: (1) 地史过程对生物多样性的分布格局有显著影响, 但地史过程与现代环境之间强烈的共线性使得两者的影响常叠加在一起; (2) 与广域物种的多样性相比, 地史过程更有利于解释狭域物种(或特有物种)的多样性; (3) 地史过程的参数选择是地史假说所面临的挑战之一, 目前所用的指标与现代环境具有显著的共线性, 难以直观地体现地史过程对生物多样性的影响, 对不同区域内物种系统发育过程的对比或者物种形成速率及灭绝速率分布格局的分析可能有助于评价地史成因假说的影响。

中域效应(Mid-domaineffect)模型量化了几何限制对物种丰富度空间分布格局的影响.然而,目前的研究缺乏对该模型的生物学意义作进一步的阐明,以及对物种分布幅度的梯度变化进行数量评价.本文利用已发表的马达加斯加蝴蝶的多样性数据,通过模拟方法和物种幅度频度分布(RSFD)的分析,研究了几何限制和物种幅度非随机分布的共同效应.研究发现,尽管马达加斯加蝴蝶物种丰富度的分布格局满足中域效应模型,但并不符合该模型的特征RSFD变化.如果在模型中加入物种分布幅度的梯度变化,则能较好地模拟实际RSFD的变化,表明物种丰富度的空间格局确实存在物种分布幅度的梯度变化.同时还发现,物种分布幅度梯度的存在对最终丰富度格局影响不大,表明中域效应模型的生物学意义难以从物种分布幅度的行为上来解释.

在广泛收集资料的基础上,利用植被平均碳密度方法,估算了我国6种主要灌丛植被的碳储量,并分析了其区域分布特征.主要结果如下:1)6种灌丛植被总面积为15 462.64×104hm2,总碳储量为1.68±0.12PgC(1Pg=1015g),灌丛植被平均碳密度为10.88±0.77 Mg C·hm-2(1 Mg=106g),不同植被类型差异较大,在5.92～17Mg C·hm-2之间波动.2)从区域分布来看,西南3省(云南、贵州、四川)既是我国灌丛主要的分布地区之一,分布面积占6种灌丛总面积的23.5%,又是我国灌丛碳储量的主要储库,碳储量占整个6种灌丛碳储量的1/3(32.6%),适宜的水热条件决定了该地区的植被平均碳密度要高于全国平均水平.3)与我国森林和草地的植被碳储量相比,这些灌丛碳储量相当于我国森林和草地碳储量的27%～40%和36%～55%.

草地生态系统在全球碳循环中起着极为重要的作用。大部分草地碳储存在地下,但是实测数据十分匮乏,因此准确估算温带草地植被碳储量对评价草地生态系统碳循环具有重要意义。作为一个区域性资料积累工作,作者对内蒙古温带草地的碳储量进行了大范围的实测研究,以估算该地区草地植被的碳储量。主要结果如下:(1)内蒙古温带草地总面积为58.46×106hm2,总植被碳储量为226.0±13.27Tg C(1 Tg=1012g),平均碳密度为3.44Mg C.hm-2;(2)地下根系储存的碳是地上碳储量的6倍左右,地上、地下生物量碳储量分别为33.22±1.75和193.88±12.6 Tg C,平均碳密度分别是0.51和2.96 MgC.hm-2;(3)不同草地类型的碳储量差异较大,典型草原最大(113.25 Tg C),占草地总碳储量的50%,其次是草甸和草甸草原,荒漠草原碳储量最低(15.37 Tg C)。

Forest ecosystems in the Northern Hemisphere function as carbon (C) sinks for atmospheric carbon dioxide; however, the magnitude, location, and cause of the sinks remain uncertain. A number of field measurements of forest biomass and systematic national forest inventories in Japan make it possible to quantify the C sinks and their distribution. Allometric relationships between forest biomass and stem volume were obtained for the major forest types in Japan from 945 sets of direct field measurements across the country. These relationships were used to estimate the changes in C accumulations of aboveground biomass and total living biomass from 1947 to 1995 from the national forest inventories of 1947, 1956, 1961, 1965, 1975, 1980, 1985, 1990, and 1995. The results showed that the C accumulations have significantly increased during the last 50 years. The C density (C stock per hectare) and total C stock of aboveground biomass increased from 27.6 Mg C/ha and 611.7 Tg C in 1947 to 43.2 Mg C/ha and 1027.7 Tg C in 1995, respectively, and those of total living biomass increased from 33.9 Mg C/ha and 751.8 Tg C in 1947 to 53.6 Mg C/ha and 1274.8 Tg C in 1995. These increases were remarkable during 1976–1995, with a net increase of 5.6 Mg C/ha and 369 Tg C for the C density and total living biomass. These results suggest that Japan's forest vegetation is a significant C sink. In the past 20 years, living vegetation has sequestered 18.5 Tg C annually, 14.6 Tg C of which was accumulated in aboveground biomass. The total C sink for the whole forest sector (including nonliving biomass) of Japan was estimated as 36 Tg C/yr if using the net change ratio of nonliving biomass C to living biomass C derived from the United States and Europe. On the basis of average C sink per hectare, Japan's forests have a higher sequestration rate (0.77 Mg C ha−1 yr−1) than the average of the other northern countries (0.14–0.19 Mg C ha−1 yr−1). The expansion and regrowth of planted forests are two major causes for this increased C uptake; planted forests contribute ∼80% of the total C sink in Japan. The suitable oceanic climate for fast forest growth and effective forest management practice may be the principal factors for such a large sink.