群落谱系结构研究方法及其在昆虫学上的应用

群落谱系结构的研究是近年来才兴起的一种方法,其最大的特点是可以结合进化因素和环境因素来共同分析群落中物种的组成和动态变化,群落谱系方法已经得到了广泛的应用,然而把这一方法应用到昆虫学这一领域还极少。本文主要介绍这一方法的理论知识、群落谱系结构的计算方法以及群落谱系研究方法在昆虫领域的应用前景。     

群落构建的中性理论和生态位理论

物种共存和生物多样性维持一直是生态学研究的中心论题。基于物种生态位分化的群落构建理论已经发展了近一个世纪, 但我们对群落构建和生物多样性维持的机理仍然不清楚。近年来, 群落中性理论以其简约性和预测能力成为群落生态学研究的焦点, 但由于其“物种在生态功能上等价”的假设与大量研究结果相悖, 同时对自然群落结构的准确预测也只限于少数的生态系统, 因而饱受质疑。如今, 越来越多的生态学家认为群落构建的生态位理论与中性理论之争的最终归宿应该是二者的整合。 在本文中, 我们在简要回顾生态位理论和群落中性理论发展的基础上, 分析二者之间的主要分歧和互补性, 试图梳理二者整合的途径。我们认为, 尽管中性理论的发展极大地丰富了群落构建理论, 但二者的整合尚处于初级阶段; 群落构建零模型假说、中性—生态位连续体假说、随机生态位假说等都不失为有价值的尝试, 今后需要在其他类型的生态系统中进行实验验证, 以更好地理解确定性过程和随机过程在决定群落构建和生物多样性维持中的作用。     

物种共存理论研究进展

自MacArthur和Wilson建立岛屿生物地理学的平衡模型以来, 以生物多样性为核心的群落生态学进入了范式转变的阶段, 从更为广阔的视角重新审视群落构建这一决定生物多样性的核心机制。与经典群落生态学不同, 新范式的群落生态学将局域群落视为一个开放的单元, 认为区域群落和集合群落内部的物种扩散与迁移是平衡局域群落中物种灭绝的关键力量。局域群落的物种组成与多样性是局域过程与区域过程共同作用的产物, 局域过程包括生物过滤和非生物过滤, 而区域过程包含了影响物种形成的地理、历史和进化过程。局域过程与区域过程在局域群落构建中的相对重要性具有时空依赖性。文章回顾了半个世纪以来群落生态学研究范式的变化, 从群落构建、物种库与群落饱和性等概念入手, 系统地介绍了基于局域−区域物种丰富度关系分析区域与局域过程相对重要性的方法及其局限性, 并介绍了克服这些局限性的辅助分析方法。物种库是生物地理学的基础概念, 物种库的物种数量与组成记录了地理与区域尺度上历史上发生的生态与进化过程, 物种库为表述区域过程的作用提供了可定量化的变量。局域群落是区域物种库所有物种的子集, 局域群落构建是这一子集形成的过程与机制。局域−区域物种丰富度关系是用于比较群落构建中区域与局域过程的相对重要性的直观方法, 这种关系的非线性反映了群落的饱和性。由于这种关系受到空间尺度、环境条件和群落中物种特性的影响, 在判读群落是否饱和时需要结合其他理论与经验方法。对于物种均处于同一营养级的群落而言, 当局域尺度足够小时, 容易检测到群落的饱和性。而对于包括多个营养级的群落, 局域−区域物种丰富度关系的解读需要考虑跨营养级的相互作用。环境选择与种间相互作用都是通过性状实现的, 实际观测的局域群落与随机群落的功能多样性比较可以辅助判断局域过程的性质与强度。准确定义物种库是理解局域群落构建与生物多样性维持机制的前提, 同时应考虑物种库的大小与功能属性, 这将促进我们对群落结构与生物多样性格局的理解与认识。

     

植物群落构建机制研究进展

群落构建研究对于解释物种共存和物种多样性的维持是至关重要的,因此一直是生态学研究的中心论题。尽管近年来关于生态位和中性理论的验证研究已经取得了显著的成果,但对于局域群落构建机制的认识仍存在很大争议。随着统计和理论上的进步使得用功能性状和群落谱系结构解释群落构建机制变为可能,主要是通过验证共存物种的性状和谱系距离分布模式来实现。然而,谱系和功能性状不能相互替代,多种生物和非生物因子同时控制着群落构建,基于中性理论的扩散限制、基于生态位的环境过滤和竞争排斥等多个过程可能同时影响着群落的构建。所以,综合考虑多种方法和影响因素探讨植物群落的构建机制,对于预测和解释植被对干扰的响应,理解生物多样性维持机制有重要意义。试图在简要回顾群落构建理论及研究方法发展的基础上,梳理其最新研究进展,并探讨整合功能性状及群落谱系结构的研究方法,解释群落构建和物种多样性维持机制的可能途径。在结合功能性状和谱系结构研究群落构建时,除了考虑空间尺度、环境因子、植被类型外,还应该关注时间尺度、选择性状的种类和数量、性状的种内变异、以及人为干扰等因素对群落构建的影响。     

功能、谱系多样性在机场鸟类群落研究中的应用——以扬州泰州国际机场为例

随着航空业的发展,野生动物与飞机之间的冲突愈发密集,机场鸟类群落多样性研究引起了大量关注。研究鸟类群落对生境类型的使用状况,可以掌握生境类型与鸟击风险的潜在关系,为机场环境改造提供理论依据。本研究于2019年7月至2021年11月,采用样点法对扬州泰州机场及周边8 km范围内的农田、湿地、林地和城镇4种生境中30个样点的鸟类群落进行调查。利用鸟类群落多样性指数,包括丰富度、多度、香农威纳多样性指数、辛普森多样性指数以及均匀度指数来表征群落的物种多样性,以及功能和谱系多样性,阐明机场周边4种生境的鸟类群落多样性差异。同时,基于多度加权的平均成对功能距离（MFD）和平均成对谱系距离（MPD）来表征群落的功能和谱系结构,探究群落构建机制,量化各多样性指标间的相关性。研究共记录扬州泰州国际机场鸟类88种,分别隶属于14目36科,目、科中数量最多的为雀形目（Passeriformes）和鹬科（Scolopacidae）。谱系和功能多样性在生境间差异显著,功能分散度在农田最高,城镇最低;谱系多样性指数在城镇最高,湿地最低。标准化效应值分析表明,随机生态过程影响了湿地鸟类群落功能和谱系的构建过程,农...     

江苏阜宁不同生境鸟类群落谱系和功能多样性

生境类型对群落多样性的影响是生态学关心的重要问题。本研究对江苏阜宁县域内农田、林地、湿地和城镇等4种生境鸟类进行为期一年的调查,从物种多样性、谱系多样性、功能多样性3个层次探究不同生境对鸟类群落的影响。共记录鸟类115种,隶属15目40科。物种多样性在林地生境最高,然后依次为农田、湿地和城镇生境。谱系多样性和功能多样性与物种多样性变化模式不同,农田生境的谱系和功能多样性较其他3种生境高。比较分析生境间3种多样性指标的季节变化,发现多样性指标在季节间无显著性差异,阜宁县域内鸟类群落多样性受生境影响较大。标准化效应值分析表明,各生境群落谱系和功能多样性均呈现出聚集趋势,生境过滤主导鸟类群落的构建。本研究揭示了阜宁县域范围内鸟类资源现状,环境异质性维持较高的鸟类多样性,生境类型的多样化为保持高的鸟类群落多样性提供有力支持。     

草地群落物种多样性维持机制的研究Ⅱ物种实现的生态位

尽管为解释种类丰富的植物群落物种共存和多样性维持机制,生态学家位做了大量的努力并提出了许多假说和模型。但这一问题仍处在争议之中,需要更多的证据支持他们的观点或提出新的看法,使这一生物多样性难题不断地向前推进。以松赖平原物种丰富度较高的羊草－杂类草群落为对象,在土壤C、N、P、K和H2O等5个资源轴上,探讨了物种多样性与实现生态位的关系。结果表明：尽管物种生态位存在一定程度的分化,但多数物种的生态位是高度重叠的,物种生态位的分化在草地群落物种共存和多样性维持中,不是唯一的途径,认为应更加重视的物种在长期协同进化中所形成的生物学特性。     

哈巴雪山不同海拔梯度哺乳动物群落谱系及功能多样性

高海拔山体因巨大环境变化为探索群落构建过程的生物和非生物因素提供了一个理想的系统。为了解高海拔山区哺乳动物群落的构建过程,分析不同海拔梯度对哺乳动物物种多样性、功能多样性和谱系多样性的影响,及各海拔哺乳动物群落的构建过程。在云南哈巴雪山进行了为期一年的调查,共设置6个300m海拔带,布设红外相机62台,铗线24条,围栏陷阱24个。累计哺乳动物有效照片2155张,累计铗日5150个,陷阱日108个。共记录哺乳动物41种,隶属8目24科。结果显示,物种丰富度在3100—3400m海拔带最高,Simpson指数、Shannon指数和Pielou指数在不同的海拔梯度均无显著差异(P>0.05)。海拔梯度下哺乳动物物种组成差异不明显,各海拔带物种组成结构相似,分离不明显。功能多样性随海拔升高而降低,<2500m海拔带和2500—2800m海拔带的功能丰富度显著高于其他海拔带(P<0.05),物种在这两个海拔带中所占据的功能空间大小和空间利用程度显著高于其他海拔带。物种多样性与功能多样性的回归分析结果表明,物种多样性指数的增加会导致功能丰富度、功能离散度和功能分异度的增加,而不会改变功能均匀度指数的变化。标准化效应值分析表明,<2500m海拔带哺乳动物出现聚集的趋势,生境过滤主导了哺乳动物群落构建;其余海拔带群落出现离散趋势,竞争排斥主导了哺乳动物群落的构建。研究结果表明,哈巴雪山多样化的环境为该地区保持较高的哺乳动物群落多样性提供有力支持,强调了评估群落结构时考虑多种生物多样性指标的重要性。     

山西关帝山森林群落物种、谱系和功能多样性海拔格局

探索和揭示生物多样性的空间格局和维持机制是生态学和生物地理学研究的热点内容, 但综合物种、系统进化和功能属性等方面的多样性海拔格局研究很少。该文以关帝山森林群落为研究对象, 综合物种、谱系和功能α和β多样性指数, 旨在初步探讨关帝山森林群落多样性海拔格局及其维持机制。研究结果表明: 随着海拔的升高(1 409-2 150 m), 关帝山森林群落物种丰富度指数(S)、谱系多样性指数(PD)和功能丰富度指数(FRic)整体上表现出上升的趋势, 特别是海拔1 800 m以上区域。随着海拔的升高, 总β多样性(β_total)和更替(β_repl)上升趋势明显, 而丰富度差异(β_rich)则逐渐下降。不同生活型植物的物种、谱系和功能多样性海拔格局差异较大。随着海拔的升高, 草本植物S和物种多样性指数(H′)上升趋势高于木本植物。影响草本植物S分布的主要因素是地形因子, 而影响木本植物S分布的主要因素是历史过程。随着海拔的升高, 木本植物β_total上升趋势要比草本植物明显。随着海拔的升高, 木本植物β_repl和β_rich分别表现出单峰格局和“U”形格局, 而草本植物β_repl和β_rich则分别表现出单调递增和单调递减的格局。随着环境差异和地理距离的增加, 群落间物种、谱系和功能β多样性显著增加。环境差异(环境过滤)对木本植物的β多样性具有相对较强的作用; 而环境差异(环境过滤)和地理距离(扩散限制)共同作用于草本植物的β多样性。     

长白山暗针叶林群落物种多样性维持机制

植物群落物种多样性维持机制一直是生态学研究的热点话题,其中生态位理论和中性理论是被普遍接受的两种理论观点,但是目前关于生态位理论和中性理论在群落物种多样性维持中的相对重要性还没有统一定论。基于长白山暗针叶林群落数据,采用单物种-面积关系模型探究特定树种对邻域物种丰富度的影响,并借助同质性和异质性泊松零模型检验其显著性。(1)群落水平上,在3—15 m空间尺度上,促进种占据优势地位,在>15 m空间尺度上,中性种逐渐取代促进种起主导作用,抑制种比例较低,并且随着空间尺度变化幅度不大。(2)物种水平上,采用同质性泊松零模型检验树种对邻域物种丰富度的影响,臭冷杉、花楷槭、青楷槭在0—20 m空间尺度上对邻域物种丰富度增加起促进作用,黄花落叶松、鱼鳞云杉在0—20 m空间尺度上抑制了邻域物种丰富度增加。花楸树、黑桦和硕桦在全部研究尺度上表现为中性种,髭脉槭、大青杨、红松等在不同研究尺度上表现为不同的作用效果。剔除了生境过滤作用的异质性泊松零模型检验结果与同质性泊松零模型结果差异不显著,表明研究样地内生境过滤作用对多样性格局形成影响不大,各树种间的相互作用对群落物种组成影响较大,进一步证明...     

系统发育多样性与系统发育结构在岛屿植物群落保护中的意义——以蜈支洲岛为例

为探讨系统发育多样性和系统发育结构在岛屿植物群落保护决策制定中的作用,以海南三亚蜈支洲岛被子植物群系为例,分析物种丰富度和系统发育多样性的相关性。结果表明,蜈支洲岛植被可分为10种群系类型,22个样方的物种丰富度与系统发育多样性呈显著正相关,但系统发育多样性与物种丰富度对植物多样性保护优先顺序的指示有差异。森林群系的物种丰富度和系统发育多样性普遍高于灌木和草本群系,4个森林群系样方表现为系统发育结构发散,3个森林群系样方表现为系统发育结构聚集。灌木群系中露兜树(Pandanus tectorius)灌丛和草海桐(Scaevola sericea)灌丛系统发育多样性较高,草本群系中厚藤(Vitex trifolia)灌草丛系统发育多样性较高,灌木和草本群系大多倾向于系统发育结构聚集。距海或人类活动区较近的群系可能受环境过滤的作用,而远离海和人类活动区的群系主要受竞争排斥作用影响。因此,在岛屿植物多样性保护策略制定中应当综合考虑物种和系统发育维度,以及环境、演替阶段及用岛方式等因素的影响。     

Limiting similarity and niche theory for structured populations

We develop the theory of limiting similarity and niche for structured populations with finite number of individual states (i-state). In line with a previously published theory for unstructured populations, the niche of a species is specified by the impact and sensitivity niche vectors. They describe the population's impact on and sensitivity towards the variables involved in the population regulation. Robust coexistence requires sufficient segregation of the impact, as well as of the sensitivity niche vectors. Connection between the population-level impact and sensitivity and the impact/sensitivity of the specific i-states is developed. Each i-state contributes to the impact of the population proportional to its frequency in the population. Sensitivity of the population is composed of the sensitivity of the rates of demographic transitions, weighted by the frequency and by the reproductive value of the initial and final i-states of the transition, respectively. Coexistence in a multi-patch environment is studied. This analysis is interpreted as spatial niche segregation.