生物间非传递性竞争研究进展

生物间的竞争关系是决定群落中物种共存和生物多样性的关键因素。传统研究主要关注物种两两之间的竞争作用, 而对多物种相互竞争形成的网络研究相对较少。近年来, 类似于“石头-剪刀-布”游戏的非传递性竞争被认为是一种重要的物种共存和生物多样性的维持机制, 越来越受到生态学家们的关注。本文首先回顾了非传递性竞争定义的发展过程, 并介绍了非传递环的不同结构。其次介绍了基于竞争结局矩阵以及入侵增长率的非传递性竞争度量指标, 并对比不同指标的特点与适用情形。随后通过多个研究实例介绍了非传递性竞争在自然群落中的普遍性, 并指明物种之间的权衡是非传递性竞争产生的生物学机制。最后介绍了非传递性竞争对生物多样性与生态系统功能的影响。非传递性竞争本质上是物种两两之间相互作用的组合, 是只包含单一作用类型的特殊网络结构。因此, 非传递性竞争如何影响生物多样性-生态系统功能关系和群落稳定性, 如何受到环境与高阶相互作用的影响, 以及如何将竞争网络拓展到包含不同相互作用类型的生态网络, 将是未来非传递性竞争研究的重要方向。对非传递性竞争的研究有助于整合生物间的各种相互作用, 构建更加现实合理的生态网络, 并加深对物种共存和生物多样性维持机制的认识, 进而有助于指导生物多样性的保护和恢复工作。     

农牧交错带草地土壤剖面微生物总量、多样性和互作网络的垂直分布特征

【背景】草地土壤微生物是维持草地生态系统功能和稳定的关键要素之一,探寻微生物在土壤剖面的垂直分布特征和构建规律对于理解其在草地生态系统的作用至关重要。【目的】在80cm深的土壤剖面内,全面分析微生物的总量、多样性和物种间的相互作用网络表现出的垂直分布特征。【方法】基于内蒙古农牧交错带上典型草原土壤中原核微生物的定量和高通量测序数据,比较微生物的总量和多样性,使用分子生态网络方法(molecular ecological network approach,MENA)探究微生物相互作用网络的垂直变化。【结果】原核生物的总量和多样性随深度增加而逐渐降低,且群落结构变异沿土壤剖面逐渐增大。网络结构在表层最为复杂,微生物物种间联系紧密;随着深度的增加,微生物间紧密的关联会逐渐变稀疏,网络结构变得简单。此外,酸杆菌是当地土壤生态系统中的优势种群以及网络核心微生物物种,可能对土壤生态服务功能的稳定发挥具有重要的作用。【结论】原核微生物的总量、多样性和物种间的互作网络都表现出高度一致的垂直变化规律,即总量、多样性与深度成负相关,且其群落结构变异会逐渐扩大,同时微生物网络相关性会减弱。这些结果为我们提供了微生物动态变化的重要见解,对典型农牧交错带草地的生态保护具有一定的参考价值。     

北京城市蝴蝶蜜源植物网络特征及重要蜜源植物识别

物种间相互作用网络研究能为物种多样性的保护、城市生态系统稳定性的维持提供指导。基于群落水平的城市蝴蝶蜜源植物互作网络的研究较少,对城市蝴蝶蜜源网络结构缺乏深入认识。研究在国内城市生态系统中构建蝴蝶蜜源网络,并探讨不同类型植物对网络特征的影响。2020年6-9月,在北京26个城市公园中记录访花蝴蝶和蜜源植物物种及互作频次,采用交互多样性（ID）、交互均匀性（IE）、专业化程度（H2''）定量化生态网络结构特征,采用Kruskal-Wallis秩和检验和变差分解分析不同生长型、起源、栽培方式的植物类型对网络结构的影响差异。采用物种的伙伴多样性（PD）和专业化程度（d''）识别重要蜜源植物。研究结果表明：（1）北京城市公园中22种蝴蝶与81种开花植物的交互作用,形成趋于泛化的生态网络结构;（2）不同生长型及不同起源的植物-蝴蝶网络的交互多样性及专业化程度有显著差异,草本及乡土植物对丰富网络中交互多样性和支持专业性更高的蝴蝶物种具重要作用,而植物的栽培方式对蜜源网络结构影响较小;（3）伙伴多样性高且专业化程度高的植物可被视为重要蜜源植物。基于蝴蝶多样性保护的目标,在城市生态系统中,绿色空间应注重构建乡土草本植物群落,优先选择重要蜜源植物。我们的发现印证了蝴蝶-蜜源植物生态网络方法作为联结生态研究和城市绿地实践管理的有效工具,能为城市生态系统中生物多样性保护提供科学策略,具有重要意义。     

植物遗传多样性与生态系统功能关系的研究进展

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

A review on the relationships between plant genetic diversity and ecosystem functioning

全球变化和人类活动导致物种生境的萎缩, 造成很多植物种群数量缩减, 遗传多样性快速丧失。对于物种多样性低的生态系统, 优势种的遗传多样性可能比物种多样性对生态系统功能产生更大的影响。因此, 了解遗传多样性和生态系统功能的关系(GD-EF)及其机制对生物多样性保护、应对环境变化和生态修复具有指导意义。该文综述了植物遗传多样性对生态系统结构(高营养级生物群落结构)和生态系统功能(初级生产力、养分循环和稳定性)的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较, 以及GD-EF在生态修复等实际应用的研究进展。最后指出当前研究的不足之处, 以期为后续研究提供参考: 1)还需深入研究GD-EF机制; 2)未评估遗传多样性对生态系统多功能性的影响; 3)不同遗传多样性测度对生态系统功能的影响不明确; 4)缺少长期的和多空间尺度结合的GD-EF实验; 5)遗传多样性效应相对于其他因子的作用不清楚。     

种、种的多样性及退化生态系统功能的恢复和维持研究

物种多样性是生态系统的重要特征并维持系统的功能支行,生物种和不同种类构成的群落为人类提供诸如营养物质循环、生物生产力、营养功能等形式的重要生态服务,特种多样性与生态系统抵御逆境和干扰的能力紧密相关,多样性的提高会增加系统的稳定性,与单个种和种类的数量相比,功能群和功能多样性对生态系统功能的影响效应要大得多,且易于被用来测度稳定性和预测群落变化,本文提出并探讨了种对生态系统功能作用的几种形式,理解物种多样性与生态系统的功能关系能指导退化生态系统恢复和维持其功能的实践活动,尤其为恢复的初始阶段进行群落的“种类组装”提供生态理论基础。     

森林破碎化对鼠类—种子互作网络的影响

森林碎片化严重威胁生态系统的健康,导致物种多样性、生态系统稳定性的降低。鼠类和森林种子是一类重要的互作网络,在生物多样性维持和生态系统服务功能上发挥着重要作用,有关森林斑块大小及演替阶段对鼠类—种子互作网络的影响的报道较少。本研究以都江堰地区亚热带森林鼠类—种子互作系统为例,选取15个不同大小和演替阶段的森林斑块,结合红外相机监测和种子标记,通过监测鼠类与种子的互作过程,分析了斑块大小和演替阶段对鼠类—种子互作关系的影响,并绘制了各斑块鼠类—种子互作网络图谱,发现:中斑块(2-4 hm~2)森林中鼠类的物种数最多,大斑块(9-30 hm~2)最少;演替后期(20-40 yrs)次生林的加权嵌套度(Weighted-Interaction Nestedness Estimator,WINE)显著地高于演替早期(10-20 yrs)次生林;原始林网络内相关植物的植株总数和胸径(DBH)总和都要显著大于次生林。我们的结果说明森林破碎化对鼠类—种子互作网络的加权嵌套度有一定影响,对其他网络参数影响不大,可能与其种间关系泛化度较大有关。该结果对进一步研究种间互作关系及生态网络结构与功能具有一定的参考意义。     

互花米草入侵对鸟类的生态影响

生物入侵威胁本地物种生存,破坏生态系统的结构和功能,是导致全球生物多样性丧失的重要原因之一。外来植物是入侵生物中的重要一类,可以显著改变本地植被群落,并影响其他生物类群。鸟类作为生态系统中的较高营养级,对由入侵植物引起的栖息地变化十分敏感。互花米草自引入中国沿海以来,其分布区域不断扩散,多数研究认为互花米草入侵造成本地生物多样性降低和生态系统退化。系统梳理了互花米草入侵对鸟类栖息地、食物资源、繁殖、群落等方面的生态影响。主要负面影响有:(1)植被群落结构不利于鸟类栖息、筑巢、觅食;(2)鸟类食物资源丰度和多样性下降;(3)本地鸟类种群数量和物种多样性显著下降。在我国东部沿海湿地,互花米草入侵已经显著改变了植被与鸟类分布格局。但随着入侵历史的增长,少数小型雀形目鸟类却可以逐渐适应互花米草生境。互花米草入侵为某些非本地鸟类提供了空白生态位,在一定程度上丰富了本地物种多样性,对互花米草的快速清除反而可能不利于已适应并依赖互花米草生境的鸟类。综上,认为互花米草入侵对鸟类群落甚至整个生态系统的影响可能需要更多研究进行综合评价,应开展长期、大尺度、多因子的监测研究和多物种比较研究,建立生态评价模型并制定科学有效的互花米草管理对策。     

刈割、施肥对高寒草甸物种多样性与生态系统功能关系的影响及群落稳定性机制

植物群落中不同“功能身份”物种的多样性与特定生态系统功能之间具有何种关系及其作用机制尚不明确。通过在高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸为期5年的刈割(不刈割、留茬3 cm、留茬1 cm)、施肥(施肥、不施肥)和浇水(浇水、不浇水)控制实验, 研究了刈割与土壤资源获得性梯度上不同“功能身份”物种(群落中所有物种、响应物种、作用物种和共有物种)的多样性变化与群落地上净初级生产力和稳定性的关系以及稳定性机制。研究结果显示: 群落中响应物种、作用物种和共有物种数分别占全部物种数的36.6%、18.3%和64.8%, 物种多样性对生态系统功能具有不同的效应, 净初级生产力主要受响应物种和作用物种的多样性变化影响, 而稳定性则主要由共有物种的多样性变化决定; 群落稳定性的维持主要依赖于共有物种的多样性增加, 其作用机制是投资组合效应, 而超产效应和异步性效应对稳定性并无作用; 刈割和施肥对物种多样性、稳定性和净初级生产力具有相反的影响, 前者能增加物种多样性和稳定性, 并降低净初级生产力, 而后者的作用正相反。这与群落中全部物种的多样性变化受刈割影响较大, 而作用物种的多样性变化受资源获得性影响较大有关。上述结果表明高寒草甸生态系统地上净初级生产力主要由少数影响生产力的作用物种的多样性决定, 而稳定性则由大量共有物种的多样性所掌控。投资组合效应是物种多样性导致稳定性的机制。由于群落中不同物种的多样性效应具有分异性, 对于特定的生态系统功能而言, 物种的“功能身份”可能比物种多样性本身更重要, 不加区别地笼统定义物种多样性与生态系统功能的关系可能欠妥。     

草地物种多样性对群落可入侵性影响的研究进展

综述草地群落入侵实验中物种多样性和群落可入侵性关系的研究进展。目前物种多样性与群落可入侵性主要出现了对立的关系模式,被普遍接受的解释机制为尺度依赖。但其它研究中出现了更为复杂的关系,提出物种特性、植物更新、种间关系变化和群落构建机制等其它因素可能是导致物种多样性与群落可入侵性出现复杂关系的原因。建议未来研究中应注意的几个问题,即物种多样性与群落可入侵性关系在不同营养级适用性,与群落构建机制变化间的联系和时间尺度对物种多样性与群落可入侵性关系的影响。     

结构稳定性: 概念、方法和应用

群落内物种间相互作用的结构是高度组织化的。群落结构对多物种共存的影响机制是群落生态学的核心科学问题之一。目前生态学界在这一问题上存在多种不同的观点。一个可能的原因是, 由于环境因子的复杂性, 大部分研究忽略了环境因子对群落结构和物种共存的重要影响。在这一背景下, 近期发展起来的结构稳定性理论系统地联系了群落结构、环境因子和物种共存, 并在此基础上建立了一个和经验数据紧密结合的理论框架。本文首先简要回顾了当前关于群落结构研究的争鸣, 然后介绍了结构稳定性的理论框架和计算方法, 最后详细介绍了结构稳定性理论在不同生态群落和不同生态学问题中的应用。在全球气候变化的背景下, 结构稳定性理论提供了一种新的视角来理解群落层面的生物多样性维持机制。     

Diversity in a complex ecological network with two interaction types

Most studies on ecological networks consider only a single interaction type (e.g. competitive, predatory or mutualistic), and try to developrules for system stability based exclusively on properties of this interaction type. However, the stability of ecological networks may be more dependent on the way different interaction types are combined in real communities. To address this issue, we start by compiling an ecological network in the Doñana Biological Reserve, southern Spain, with 390 species and 798 mu-tualistic and antagonistic interactions. We characterize network structure by looking at how mutualistic and antagonistic interactions are combined across all plant species. Both the ratio of mutualistic to antagonistic interactions per plant, and the number of basic modules with an antagonistic and a mutualistic interaction are very heterogeneous across plant species, with a few plant species showing very high values for these parameters. To assess the implications of these network patterns on species diversity, we study analytically and by simulation a model of this ecological network. We find that the observed correlation between strong interaction strengths and high mutualistic to antagonistic ratios in a few plant species significantly increases community diversity. Thus, to predict the persistence of biodiversity we need to understand how interaction strength and the architecture of ecological networks with different interaction types are combined.     

Integrating community assembly and biodiversity to better understand ecosystem function: the Community Assembly and the Functioning of Ecosystems (CAFE) approach

The research of a generation of ecologists was catalysed by the recognition that the number and identity of species in communities influences the functioning of ecosystems. The relationship between biodiversity and ecosystem functioning (BEF) is most often examined by controlling species richness and randomising community composition. In natural systems, biodiversity changes are often part of a bigger community assembly dynamic. Therefore, focusing on community assembly and the functioning of ecosystems (CAFE), by integrating both species richness and composition through species gains, losses and changes in abundance, will better reveal how community changes affect ecosystem function. We synthesise the BEF and CAFE perspectives using an ecological application of the Price equation, which partitions the contributions of richness and composition to function. Using empirical examples, we show how the CAFE approach reveals important contributions of composition to function. These examples show how changes in species richness and composition driven by environmental perturbations can work in concert or antagonistically to influence ecosystem function. Considering how communities change in an integrative fashion, rather than focusing on one axis of community structure at a time, will improve our ability to anticipate and predict changes in ecosystem function.     

The nested assembly of plant facilitation networks prevents species extinctions

Facilitation is a positive interaction assembling ecological communities and preserving global biodiversity. Although communities acquire emerging properties when many species interact, most of our knowledge about facilitation is based on studies between pairs of species. To understand how plant facilitation preserves biodiversity in complex ecological communities, we propose to move from the study of pairwise interactions to the network approach. We show that facilitation networks behave as mutualistic networks do, characterized by a nonrandom, nested structure of plant-plant interactions in which a few generalist nurses facilitate a large number of species while the rest of the nurses facilitate only a subset of them. Consequently, generalist nurses shape a dense and highly connected network. Interestingly, such generalist nurses are the most abundant species in the community, making facilitation-shaped communities strongly resistant to extinction, as revealed by coextinction simulations. The nested structure of facilitative networks explains why facilitation, by preventing extinction, preserves biodiversity.     

Host functional and phylogenetic composition rather than host diversity structure plant–herbivore networks

Declining plant diversity alters ecological networks, such as plant–herbivore interactions. However, our knowledge of the potential mechanisms underlying effects of plant species loss on plant–herbivore network structure is still limited. We used DNA barcoding to identify herbivore–host plant associations along declining levels of tree diversity in a large‐scale, subtropical biodiversity experiment. We tested for effects of tree species richness, host functional and phylogenetic diversity, and host functional (leaf trait) and phylogenetic composition on species, phylogenetic and network composition of herbivore communities. We found that phylogenetic host composition and related palatability/defence traits but not tree species richness significantly affected herbivore communities and interaction network complexity at both the species and community levels. Our study indicates that evolutionary dependencies and functional traits of host plants determine the composition of higher trophic levels and corresponding interaction networks in species‐rich ecosystems. Our findings highlight that characteristics of the species lost have effects on ecosystem structure and functioning across trophic levels that cannot be predicted from mere reductions in species richness.     

Landscape moderation of biodiversity patterns and processes - eight hypotheses

Understanding how landscape characteristics affect biodiversity patterns and ecological processes at local and landscape scales is critical for mitigating effects of global environmental change. In this review, we use knowledge gained from human-modified landscapes to suggest eight hypotheses, which we hope will encourage more systematic research on the role of landscape composition and configuration in determining the structure of ecological communities, ecosystem functioning and services. We organize the eight hypotheses under four overarching themes. Section A: 'landscape moderation of biodiversity patterns' includes (1) the landscape species pool hypothesis-the size of the landscape-wide species pool moderates local (alpha) biodiversity, and (2) the dominance of beta diversity hypothesis-landscape-moderated dissimilarity of local communities determines landscape-wide biodiversity and overrides negative local effects of habitat fragmentation on biodiversity. Section B: 'landscape moderation of population dynamics' includes (3) the cross-habitat spillover hypothesis-landscape-moderated spillover of energy, resources and organisms across habitats, including between managed and natural ecosystems, influences landscape-wide community structure and associated processes and (4) the landscape-moderated concentration and dilution hypothesis-spatial and temporal changes in landscape composition can cause transient concentration or dilution of populations with functional consequences. Section C: 'landscape moderation of functional trait selection' includes (5) the landscape-moderated functional trait selection hypothesis-landscape moderation of species trait selection shapes the functional role and trajectory of community assembly, and (6) the landscape-moderated insurance hypothesis-landscape complexity provides spatial and temporal insurance, i.e. high resilience and stability of ecological processes in changing environments. Section D: 'landscape constraints on conservation management' includes (7) the intermediate landscape-complexity hypothesis-landscape-moderated effectiveness of local conservation management is highest in structurally simple, rather than in cleared (i.e. extremely simplified) or in complex landscapes, and (8) the landscape-moderated biodiversity versus ecosystem service management hypothesis-landscape-moderated biodiversity conservation to optimize functional diversity and related ecosystem services will not protect endangered species. Shifting our research focus from local to landscape-moderated effects on biodiversity will be critical to developing solutions for future biodiversity and ecosystem service management.     

利用数值模拟重构物种多样性格局的形成过程

生命形成的过程极其漫长, 经历了地球系统复杂的沧海桑田变化。当前人类所观察到的物种分布格局的形成除了由物种本身特征决定外, 还受到环境变化、人类活动以及各种随机事件的影响。受限于实验条件、时间、经费、人力等诸多因素, 我们尚无法完整地观察并记录到物种多样性形成的全过程, 只能通过片段化数据来推测该过程。信息科学中包括数值模拟在内的仿真技术以其高效、可控及全过程记录等优势, 能从某种程度上解决物种多样性格局形成过程中的部分数据黑箱问题。本文介绍了数值模拟的概念和工作原理及在物种多样性研究中应用的特点, 列举了物种生态位、扩散模式、种间互作及物种分布应对气候变化等方面的数值模拟研究, 基于已有研究系统地介绍了如何综合上述数值模拟研究构建虚拟物种、气候和场景来解释物种多样性的形成与维持机制, 并阐述了数值模拟在物种多样性研究中的优缺点及应用前景。     

城市化对土壤动物群落结构和多样性的影响

城市化进程加快带来的环境挑战正威胁着地球上的生物多样性。土壤动物是生物多样性的重要组成部分, 对维持土壤健康及城市生态系统稳定性具有重要意义。近年来, 城市土壤动物群落结构和多样性的研究已经取得了一定进展, 但是仍缺乏系统的总结和综述。基于此, 本文梳理归纳了国内外已有的相关文献, 总结了城市化影响土壤动物的主要途径, 并阐述了城市中不同体型大小的优势土壤动物类群对城市化的响应。本文建议未来应利用分子生物学手段深入解析城市土壤动物多样性, 明晰城市土壤食物网的结构与功能, 关注土壤动物群落的保护与恢复, 揭示城市土壤动物肠道微生物组特征, 并挖掘城市土壤动物抑制人类致病菌的潜力, 以期为城市生物多样性保护、生态系统稳定和人类健康维持提供相关科学依据。