宏生态学(Macroecology)及其研究

宏生态学是生态学与其他宏观学科不断交叉和融合后的产物。它以个体、种群和物种的生态特征在大时空尺度上的格局和变化规律为主要研究内容,它比其他生态学更强调归纳和推论,也更依赖数据的积累。近年来,宏生态学在对物种一面积关系进行探讨的基础上,对生物类群间的物种数量的协同变化以及物种和高级分类单元间的关系等进行了新的研究;宏生态学试图将有机论和个体论结合来探讨和总结群落结构中的物种组成规律;并对物种多度和分布格局间的关系从生态位和异质种群角度进行新的解释;个体大小频次分布规律是宏生态学一重要内容,对其深入研究和探讨已与物种多度、能量、分布面积、历史起源等多方面特征相结合,并得到一些普遍性规律;最后,宏生态学还探讨物种在地理区域上的普遍性的分布模式,并对其假说进行检验和探讨。宏生态学在中国还处于刚起步阶段,但中国具有资源的优势,并具有一定的数据积累,将在宏生态学研究中发挥越来越重要的作用。     

物种多度格局研究进展

物种多度格局研究始于20世纪30年代,是种群生态学和群落生态学研究的起点。物种多度格局研究主要在两个水平上进行：1）初期研究主要集中于群落水平,希望在不同群落之间发现一个共同的整体格局来描述群落的组织结构。常用模型包括几何级数、对数级数、对数正态和断棍模型,不同模型代表了不同的生态学过程。2）目前转向重视物种水平,并以物种多度的区域分布规律及其生态学机制研究为主。物种分布区多度关系有正相关、无相关和负相关3种形式。局部多度高的物种一般趋于广布,而局部多度低的物种趋于受限分布。物种多度区域分布的生态位模型预测为单峰型,还经常会出现“热点地区”;而异质种群模型预测为双峰型。物种多度的区域分布主要由环境资源特性、物种生态位和扩散过程等因素决定。3）物种多度格局的时间变化与空间变异类似,代表了这些生态学过程的时间异质性。4）物种多度格局的尺度变化经常表现出自相似性,但该规律并非一直存在,因为生物多样性由不同尺度上的不同生态学过程决定。5）多度（稀有度）是物种保护的基本依据,而群落多度模型能够指示生态学和干扰过程变化对群落结构的影响。物种多度格局的模型手段仍需改进,机制研究尚不系统,应用研究亟待扩展,对于物种多度格局的深入理解将为揭示生物多样性分布机制和有效保护提供帮助。     

群落生态学的中性理论

生物多样性的分布格局和维持机制一直是群落生态学研究的核心问题,其中的关键是物种的共存机制。长期以来,生态位分化的思想在这一研究领域占据着主导地位。然而这一理论在解释热带雨林很高的物种多样性时遇到了困难。而以Hubbell为代表提出的群落中性漂变理论则假定在同一营养级物种构成的群落中不同物种的不同个体在生态学上可看成是完全等同的;物种的多度随机游走,群落中的物种数取决于物种灭绝和物种迁入/新物种形成之间的动态平衡。在这一假定之下,该理论预言了两种统计分布。一种是集合群落在点突变形成新物种的模式下其各个物种相对多度服从对数级数分布,而受扩散限制的局域群落以及按照随机分裂为新物种模式形成的集合群落则服从零和多项式分布。与生态位理论相反,中性理论不以种间生态位差异作为研究群落结构的出发点,而是以物种间在个体水平上的对等性作为前提。该理论第一次从基本生态学过程(出生、死亡、迁移、物种分化)出发,给出了群落物种多度分布的机理性解释,同时其预测的物种多度分布格局在实际群落中也得到了广泛的印证。因此,中性理论自诞生以来便在生态学界引发了极大的反响,也包括一些反对的声音。该文重点综述了关于中性理论的假设、预测和物种形成模式等方面的最新研究进展,包括中性理论本身的发展、关于中性理论的假设和预测的合理性检验以及在集合群落尺度上物种分化模式的讨论;并指出未来发展方向可能是在生态位理论和中性理论之间架起一座桥梁,同时发展包含随机性的群落生态位模型,以及允许种间差异的近中性模型。     

中条山油松人工林下物种对群落物种丰富度分布格局的贡献

该研究以中条山油松人工林群落为研究对象,研究林下不同大小的子群落对群落物种丰富度分布格局的贡献,并确定影响该区域群落物种丰富度分布格局的关键种,为区域物种多样性保护提供理论依据。结果表明:(1)该地区林下物种频度分布格局呈明显右偏,且不同样方物种丰富度存在明显差异。(2)常见种对群落丰富度分布格局的贡献大于稀有种。(3)最常见的物种解释了整个群落物种丰富度格局的88.4%(P0.01),而最稀有物种仅解释了24.5%(P0.05),去除最稀有物种后,最常见物种可以解释剩余物种的90.8%(P0.01),而去除最常见物种后,最稀有物种仅能解释剩余物种的48.6%(P0.01)。(4)当子群落中常见种越多时,子群落与整个群落的丰富度分布格局相关性越高。(5)连翘(Forsythia suspensa)、太平花(Philadelphus pekinensis)、鞘柄菝葜(Smilax stans)、多歧沙参(Adenophora wawreana)、金花忍冬(Lonicera chrysantha)等对群落物种丰富度分布格局的贡献最大,但并非越常见的物种对群落丰富度格局贡献越大。(6)与频度较高物种的种间关联度低的物种对于群落物种的分布格局贡献较大,但此解释并不适用于稀有种。研究发现,稀有种对中条山油松人工林群落物种丰富度分布格局存在较大的贡献,所以在油松人工林物种多样性保护过程中并不能只关注常见种而忽视稀有种。     

生物多样性理论最新进展

生物多样性是生态系统复杂性的重要特征, 理解多样性的形成和维持机制一直是理论生态学研究的核心议题。本文从三方面概述了生物多样性理论的最新进展。一是物种共存和群落构建, 总结了现代共存理论和基于过程的群落构建理论的新进展。二是物种相互作用, 综述了利用经验数据推断物种相互作用关系和强度的最新方法。三是生态-进化动态, 介绍了生态-进化模型的一般框架及其在生物多样性研究中的应用。最后对生物多样性理论的发展趋势做了展望, 特别是多尺度整合理论和全球变化下的预测理论。     

塔里木荒漠河岸林不同生境群落物种多度分布格局

为解释塔里木荒漠河岸林群落构建和物种多度分布格局形成的机理, 本文以塔里木荒漠河岸林2个不同生境(沙地、河漫滩) 4 ha固定监测样地为研究对象, 基于两样地物种调查数据, 采用统计模型(对数级数模型、对数正态模型、泊松对数正态分布模型、Weibull分布模型)、生态位模型(生态位优先占领模型、断棍模型)和中性理论模型(复合群落零和多项式模型、Volkov模型)拟合荒漠河岸林群落物种多度分布, 并用K-S检验与赤池信息准则(AIC)筛选最优拟合模型。结果表明: (1)随生境恶化(土壤水分降低), 植物物种多度分布曲线变化减小, 群落物种多样性、多度和群落盖度降低, 常见种数减少。(2)选用的3类模型均可拟合荒漠河岸林不同生境群落物种多度分布格局, 统计模型和中性理论模型拟合效果均优于生态位模型。复合群落零和多项式模型对远离河岸的干旱沙地生境拟合效果最好; 对数正态模型和泊松对数正态模型对洪水漫溢的河漫滩生境拟合效果最优; 中性理论模型与统计模型无显著差异。初步推断中性过程在荒漠河岸林群落构建中发挥着主导作用, 但模型拟合结果只能作为推断群落构建过程的必要非充分条件, 不能排除生态位过程的潜在作用。     

亚热带喀斯特地区不同地形植物群落物种多度分布格局

为探究亚热带喀斯特地区不同地形下植物群落物种多度分布格局,揭示不同地形下群落的物种多度格局形成的作用机制,丰富该地区植物群落构建理论,该文以贵州茂兰喀斯特地区山脊、槽谷、鞍部、洼地4种典型地形下植物群落的乔木层与灌木层为对象,统计物种多度,采用累计经验分布曲线(ECDF)表征多度分布格局,采取Wilcoxon秩和检验探究不同地形之间物种多度的差异性。采用不同生态学模型进行多度拟合,利用Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验与赤池信息量准则(AIC)检验模型接受与拟合优度。结果表明:(1)不同地形下植物群落的个体数量与物种数存在差异,鞍部个体数最多,洼地的物种数最多,山脊的个体数、物种数均最少。(2)不同地形下植物群落的乔木层物种多度格局无显著差异,灌木层之间出现显著差异,山脊与鞍部、洼部,鞍部与槽谷、洼部都存在显著差异。(3)不同地形下乔木层物种多度对中性模型接受较好,其中山脊拟合最优,对生态位模型接受较差,仅山脊与鞍部通过两种生态位模型,拟合优度不及中性模型。灌木层对中性模型接受也较好,鞍部拟合最优,对生态位模型接受较差,仅洼地通过断棍模型。整体而言,乔木层比灌木层能更好地接受两种生态学模型,可能乔木层物种多度格局有更明显生态过程的印记,但不同地形下灌木层拟合优度差异更大,可能与灌木层物种对环境变化更剧烈有关。不同地形会引起群落构建不同程度的生态学过程,物种多度分布格局会逐渐适应地形。     

海南岛3个林区热带云雾林植物多样性变化

以分布在海南岛西部(霸王岭国家级自然保护区, 21个样方)、西南部(尖峰岭国家级自然保护区, 12个样方)和中部(黎母山省级自然保护区, 15个样方)的热带云雾林为研究对象, 研究α及β物种多样性、功能多样性、谱系多样性的变化, 为植物多样性的保护提供科学依据。结果表明: 尖峰岭群落树木个体多度、物种丰富度最大, 黎母山群落树木个体多度、物种丰富度最小; 黎母山群落间物种组成差异最大, 霸王岭群落间物种组成差异最小, 海南岛霸王岭(西部)、尖峰岭(西南部)和黎母山(中部) 3个林区热带云雾林物种多样性差异可能与空气温度和相对湿度有关。尖峰岭群落内功能丰富度、Rao’s二次熵最低, 功能均匀度最高, 群落间平均成对性状距离最小, 反映群落构建主要受环境筛影响; 霸王岭群落Rao’s二次熵最高, 功能均匀度最低, 群落间平均成对性状距离最大, 反映群落构建主要受限制相似性影响; 黎母山群落内功能丰富度最高, 群落间平均最近性状距离最大, 表明限制相似性在黎母山热带云雾林群落构建中的作用更重要。霸王岭群落内谱系多样性、物种间平均最近相邻谱系距离均较大, 反映物种间谱系关系趋于发散; 黎母山群落内谱系多样性、物种间平均成对谱系距离及群落间平均成对谱系距离均最小, 反映物种间谱系关系趋于聚集; 而尖峰岭群落内物种间平均成对谱系距离、群落间平均成对谱系距离最大, 但物种间平均最近相邻谱系距离最小, 反映物种间谱系关系既具有发散又具有聚集的共存格局。因此, 海南岛热带云雾林群落植物多样性变化格局与环境及物种间相互作用有关。     

人工红松林步行虫(Coleoptera:Carabidae)群落物种共存格局动态分析

揭示群落物种共存格局是群落生态学研究的重点内容之一,零模型的应用极大的促进了群落物种共存格局及其调控机制的进展,然而针对地下生物群落共存格局动态特征的研究并不多见。在帽儿山森林生态站的人工红松林内,通过5次调查取样基于零模型模拟分析小尺度空间(20 m×20 m)步行虫群落物种共存格局的动态特征。结果表明:(1)共捕获步行虫20种,2278只个体,其中Carabus billergi maoershanensis为所有调查季节数量最具优势且分布最广泛的物种,步行虫群落结构具明显的时间变异性;(2)2013年6月步行虫群落为集群性共存格局,而2014年8、10月为竞争性共存格局,基于目前的零模型指标和法则难以准确揭示其他月份是集群性还是竞争性的共存格局,但所有季节的群落均表现为明显的非随机性共存格局,这些共存格局的发现并不完全支持Diamond的群落构建机制理论;(3)所有调查季节均发现很少的显著物种对,基于更严格的检验表明群落中集群性物种对多于隔离性物种对,那些表现为显著的非随机性共存关系的物种对往往是群落内数量较大且分布广泛的优势和常见物种。表明非随机性共存格局可能是帽儿山人工红松林小尺度空间步行虫群落的常见格局,这种非随机性格局具一定的短期动态稳定性,但不同季节这种非随机性共存格局类型表现不同,群落内这些较少的显著物种对可能对群落物种共存格局具有一定的贡献。     

揭示群落结构及其环境响应的联合物种分布模型的研究进展

物种分布模型通常用于基础生态和应用生态研究,用来确定影响生物分布和物种丰富度的因素,量化物种与非生物条件的关系,预测物种对土地利用和气候变化的反应,并确定潜在的保护区.在传统的物种分布模型中,生物的相互作用很少被纳入,而联合物种分布模型(JSDMs)作为近年提出的一种新的可行方法,可以同时考虑环境因素和生物交互作用,因而成为分析生物群落结构和种间相互作用过程的有力工具.JSDMs以物种分布模型(SDMs)为基础,通常采用广义线性回归模型建立物种对环境变量的多变量响应,以随机效应的形式获取物种间的关联,同时结合隐变量模型(LVMs),并基于Laplace近似和马尔科夫蒙脱卡罗模拟的最大似然估计或贝叶斯方法来估算模型参数.本文对JSDMs的产生及理论基础进行归纳总结,重点介绍了不同类型JSDMs的特点及其在现代生态学中的应用,阐述了JSDMs的应用前景、使用过程中存在的问题及发展方向.随着对环境因素与多物种种间关系研究的深入,JSDMs将是今后物种分布模型研究的重点.