首页 > 分享 > 于贵瑞院士和何念鹏研究员团队的新理论框架：植物功能生态学——从器官到生态系统

于贵瑞院士和何念鹏研究员团队的新理论框架：植物功能生态学——从器官到生态系统

花匠小妙招
2024-11-06 18:48

性状（trait）是植物、动物和微生物等生命体对外界环境长期适应和演化后所呈现的相对稳定并可度量的特征参数。通过对性状的相关研究，人们可以深入了解生物的生活史、行为、适应性以及生物间相互作用。同时，通过定量揭示性状的时空变异特征，还可以帮助我们更好地理解生态和进化模式背后的过程，并建立生物体与复杂生态系统结构、过程和功能间的桥梁。

▲ 植物叶片功能性状的种类及其多种适应机制

早在公元前300 年，提奥弗拉斯（Theophrastus）等希腊哲学家就根据生物的形态、生理、行为和物候特征，建立了第一个正式对生物进行定义和分类的系统，记载了当时已知的480 多种植物，并用粗放的形态特征将其分为乔木、灌木、半灌木和草本。1859 年，达尔文在《物种起源》中详细描绘加拉帕戈斯群岛达尔文雀（Coerebini）鸟喙的大小和形状特征，正式引入了“性状”的概念，并指出“性状”是生物有机体行为的指示器；这也是被公认的对“性状”首次开展的定量化研究。

▲ 功能性状在生态学研究的各个层次中的应用（译自Violle et al.，2007）

在很长一段时间内，“性状”这个术语被广泛地应用于描述土壤性质、生物个体或群落特征等不同对象和不同研究尺度，在使用过程中，其内涵非常混乱。为了解决这个问题，法国生态学家西里尔·维奥勒（Cyrille Violle）明确地给出“生态学视觉”的性状定义：性状是指在个体水平上测量的任何形态学的、生理学的和物候学的特征，不涉及环境因子以及其他任何机体水平。在此基础上，西里尔进一步对“功能性状（functional trait）”进行了定义：任何影响植物、动物和微生物等适合度的形态学的、生理学的和物候学的特征。同期，为加强功能性状测量的一致性和可比较性，荷兰生态学家约翰内斯（Johannes H. C. Cornelissen）及其合作者率先发表了植物功能性状的测量标准。至此，植物功能性状的研究逐步走向规范化并迎来蓬勃发展。2019 年，何念鹏和于贵瑞等在发展植物群落功能性状（plant community trait）和生态系统功能性状（ecosystem trait）时，进一步对植物功能性状的内涵进行了拓展，并明确了其与遗传相关的（genetic）、相对稳定的（relatively stable）和可测量的（measurable）基本特征，完善了植物功能性状的定义并为制定规范化的测试技术规范奠定了基础。

▲ 植物功能性状对生态系统过程和功能的影响

鉴于植物功能性状的基础性和重要性，它已成为近30 年来贯穿植物学、遗传学、生态学、农学和地学等多个学科的研究热点，也是在不同空间和时间尺度上解决生态学和进化问题的关键手段。20 世纪90 年代后期以来，我国的植物功能性状研究得到了快速的发展；经历了多年的追踪热点式的研究、逐步发展到近年来填补空白型和局部引领式的研究阶段。

2012 年以来，在于贵瑞院士牵头的国家自然科学基金委重大项目（陆地生态系统中生物对碳–氮–水耦合循环的影响机制）和何念鹏研究员主持的科技部基础调查专项项目（中国生态系统通量数据整编和性状调查项目）等共同资助下，何念鹏等提出了以“系统性和配套性”为特色的新型功能性状数据库的建设原则，并带领近10 个来自研究所和大学的研究团队，2012~2021 年间对中国100 多个典型生态系统开展了大规模的野外调查和室内测试，初步构建了由112 项“叶–枝–干–根”功能性状参数和配套群落结构参数等构成的中国生态系统功能性状数据库（China_Traits）。

▲ 系统性和配套性为特色的植物功能性状数据库建设新思路。以中国生态系统植物功能性状数据库（China_Traits）为例

在新型数据库的支持下，研究团队不仅系统地探究了器官水平植物功能性状在样带和中国区域的空间变异规律、影响因素和调控机制，填补了多项植物功能性状区域变异规律的空白。同时，研究团队还通过一系列新观点、新方法和新理论的发展，如植物群落功能性状（plant community trait）、生态系统功能性状（ecosystem traits）、植物功能性状网络（plant trait networks）、基于功能性状预测生产力的新框架（trait-based productivity）等，实现了植物功能性状在面向复杂生态系统时的多维度拓展（即：从单器官到多器官拓展、从单性状到多性状拓展、从单物种到多物种拓展），建立了以植物功能性状探究群落维持机制和生态系统功能优化机制的全链条式新思路。在此基础上，我们还构建了以群落功能性状为核心的生态系统生态学研究和整合生态学研究的新理论框架，希望通过促进宏观生态学、宏观地学和遥感科学等多学科融合，使相关研究能更好地服务于当前区域生态环境问题和全球变化问题的解决。

▲ 植物功能性状研究的多维度拓展趋势

多性状、多物种、多功能的多维度拓展，助推植物功能性状研究真正进入复杂的自然群落或自然生态系统，服务于区域生态环境问题的解决

还原论（Reductionism）指向事物的微观性质，重在从宏观走向微观；而系统论（System Theory）倒转行程，把目光指向事物的宏观性质和复杂性，重在从微观走向宏观。必须指出，在当前还原论科学一统天下的时代，科学理论一向重分析轻综合。然而在与植物功能性状研究密切相关的自然界的物种、群落、生态系统、区域乃至全球，都属于复杂性系统，不能过度依赖当前强调微观、单一性状、单一物种的还原论途径，而应融入系统论思维，才能更科学地揭示其适应机制或维持机制。在全面梳理国内外植物功能性状的研究进展、问题和未来的发展趋势，凝练未来植物功能性状的发展方向的基础上，我们逐步让传统植物功能性状研究真正走进复杂的自然群落、生态系统、社会系统和经济系统，强调其复杂性本质，进而推动以功能性状为基础的整合生态学快速发展。总之，我们是在概括国内外相关进展的基础上，集成了研究团队10 多年的相关研究成果，最终撰写成《植物功能生态学：从器官到生态系统》（何念鹏等著.北京：科学出版社, 2024.3）一书。

▲ 多个新概念体系协同突破了植物功能性状研究的尺度壁垒、拓展了基于功能性状生态学的研究范畴

“植物功能生态学”，或可更直接称为“植物功能性状生态学”，是以植物功能性状为基本途径，深入揭示不同尺度的生态过程、维持机制和功能优化机制的生态学分支学科。按国际学术交流习惯，我们将本书定名为“植物功能生态学”（Plant Functional Ecology），甚至更宽泛的“功能生态学”（Functional Ecology）；然而，若基于大家日常生活中对“植物功能性状”更直观的接触和理解，从科普与交流角度，也可将其称为“植物功能性状生态学”（Plant Functional Trait Ecology）。无论如何命名，其核心都是发展以功能性状为基础的生态学（Trait-Based Ecology）或整合生态学（Trait-Base Integrative Ecology）。此外，由于本书以植物功能性状如何贯彻从器官到生态系统的各个研究尺度为核心轴展开，期望让植物功能性状研究能更好地走进更复杂的自然生态系统，同时也是本专著的原创性基石之所在，因此我们最终将其定名为《植物功能生态学：从器官到生态系统》。

本书共由3 篇17 章内容组成。其中，第一篇为“植物功能性状研究进展与测定技术规范总论”，包括三章。第二篇为“植物功能性状测定技术规范”，包括五章。第三篇为“植物功能性状研究：从器官到生态系统”，包括九章。

本书作者主要由于贵瑞院士和何念鹏研究员及其团队研究生组成；他们分别是李颖、刘聪聪、王健铭、王瑞丽、王若梦、闫镤、张佳慧、张自浩、赵宁（按汉语拼音排序）。除此之外，还邀请了中国科学院长春地理与农业研究所以植物繁殖体功能性状研究著称的张红香研究员帮助完成第7 章的繁殖体功能性状及其测定方法部分的撰写。

在长达10 多年连续野外调查和系统性研究过程中，得到多个重要项目的接龙式资助，它们分别是：科技部基础调查专项项目（中国生态系统通量数据整编和性状调查项目，2019FY101300），国家自然科学基金委基础科学中心项目（生态系统对全球变化的响应，31988102），科技部“美丽中国”生态文明科技工程专项（北方典型植被自然保护区生物多样性评估和维持机制，XDA23080401），科技部第二次青藏高原综合考察专项项目（地表功能元素耦合作用的植物性状响应，2019QZKK060602），国家自然科学基金委重大项目（陆地生态系统中生物对碳–氮–水耦合循环的影响机制，31290221），东北林业大学柔性人才引进项目：植物功能性状与生态系统碳氮循环。

▲ 以群落功能性状为核心构建整合生态学研究的理论框架

总而言之，本书规范了植物功能性状的野外调查方法和实验测量技术，并汇聚了国内外植物功能性状研究的最新成果。其中，它还更是以我们团队的相关研究进展为主，试图去建立一个以“植物功能性状”为核心、贯穿“器官、个体、群落、生态系统、区域乃至全球”不同时空尺度的生态学研究的新框架，进而促进宏观生态、宏观地学和遥感科学等多学科融合发展。相关新思路和新想法还处于初步发展阶段，必然存在诸多不成熟、不完善的地方，亟需未来进一步发展。

本文摘编自《植物功能生态学：从器官到生态系统》（何念鹏等著.北京：科学出版社, 2024.3）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

审图号：GS 京（2024）0231 号

ISBN 978-7-03-077514-6

责任编辑：石珺张力群

本书介绍了植物功能性状的概念、内涵及其发展历史，梳理了植物功能性状的指标体系及其主要分类、制定了适用于植物功能性状的野外调查样地设置规范，以及植物不同器官的样品采集和测量技术规范。同时，本书原创性提出概念体系，如植物群落功能性状、生态系统功能性状、植物功能性状网络、基于功能性状的生产力预测框架等，实现了植物功能性状在复杂生态系统中的多维度拓展（单性状–多性状、单器官–多器官、单物种–多物种），形成了通过植物功能性状探究群落维持机制和生态系统功能优化机制的新思路，构建了以功能性状为核心的生态系统生态学研究和整合生态学研究的新理论框架。

本书可供林学、生态学、地理学等相关专业的师生阅读参考，也可作为相关专业研究人员的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

专业品质学术价值

原创好读科学品位

硬核有料视听科学