柞蚕微粒子病潜在生物标志物的挖掘

【目的】挖掘柞蚕Antheraea pernyi微粒子病的潜在生物标志物,为开发该病害检测方法及研究柞蚕被微孢子虫Nosema pernyi侵染后体内代谢产物的差异及功能奠定基础。【方法】利用高效液相色谱和高分辨率质谱进行非靶向代谢组学分析,调查健康和患微粒子病柞蚕雌成虫血淋巴中代谢物差异。【结果】正离子模式下从健康和患微粒子病柞蚕雌成虫血淋巴中共获得8 870个代谢物,注释代谢物5 390个,筛选到差异表达代谢物472个(上调260个,下调212个),其中二级鉴定差异表达代谢物12个(上调8个,下调4个);负离子模式下获得6 716个代谢物,注释代谢物3 848个,筛选到差异表达代谢物301个(上调207个,下调94个),其中二级鉴定差异表达代谢物9个(上调8个,下调1个)。正离子模式下二级鉴定的差异表达代谢物包括缬氨酸(valine)、苯并噻唑(benzothiazole)、3-脱羟基肉碱(3-dehydroxycarnitine)、1 甲基鸟嘌呤(1-methylguanine)、2-乙氧基萘(2-ethoxynaphthalene)、N6-乙酰基-L-赖氨酸(N6-acetyl-L-lysine)、生物素(biotin)、桑色素(morin)、噻吗洛尔(timolol)、酰基肉碱15∶0(acylcarnitine 15∶0)、酰基肉碱18∶4(acylcarnitine 18∶4)和异槲皮苷(isoquercitrin);负离子模式下二级鉴定的差异表达代谢物包括二甲基丙二酸(dimethylmalonic acid)、戊二酸(glutaric acid)、2,5-二羟基苯甲酸(2,5-dihydroxybenzoic acid)、1,3-二乙酰基丙烷(1,3-diacetylpropane)、3-(4-羟基苯基)乳酸(DL-p-hydroxyphenyllactic acid)、泛酸(pantothenate)、荧光素(fluorescein)、飞燕草素-3-O-beta-吡喃葡萄糖苷(delphinidin-3-O-beta-glucopyranoside)和溶血磷酯酰肌醇16∶1 (lysoPI 16∶1)。【结论】健康与患柞蚕微粒子病的柞蚕雌成虫血淋巴内代谢物具有显著差异,通过代谢组学挖掘出21个二级鉴定的差异表达代谢物,这些代谢物可作为潜在生物标志物用于开发柞蚕微粒子病的检测方法。     

戴云山物种多样性与系统发育多样性海拔梯度分布格局及驱动因子

生物多样性的海拔分布格局是生态学研究的热点。海拔作为综合性因子驱动着植物群落的物种、系统发育与功能多样性的空间分布。以戴云山南坡900-1600 m森林植物群落为研究对象,探讨物种多样性、系统发育指数与环境驱动因子的相互关系以及环境因子在群落构建与多样性维持中的重要意义。结果表明：（1）森林植物群落的系统发育多样性与物种多样性沿海拔均呈现中间高度膨胀格局。（2）物种多样性Margalef指数、Shannon-Wiener指数与系统发育多样性指数呈显著正相关,表明物种多样性越高,系统发育多样性也越高。Shannon-Wiener指数与物种多样性指数（Margalef、Pielou、Simpson指数）、系统发育多样性及系统发育结构都存在显著相关性,一定程度上Shannon-Wiener指数可以代替其他指数。Pielou指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数与系统发育结构NRI （Net relatedness index）指数、NTI （Net nearest taxa index）指数存在显著正相关,表明群落优势度、均匀度与系统发育结构相关性较强。（3）土壤全磷含量是影响系统发育多样性和物种多样性的主要驱动因子,土壤含水量是影响Shannon-Wiener、Pielou、Simpson指数的最显著因子,海拔是影响群落系统发育结构的主要因素。海拔是影响系统发育结构变化的主要环境因子,而土壤因子是影响物种多样性与系统发育多样性的主要因素,进一步验证了物种多样性与系统发育多样性的高度相关,结果旨在揭示物种群落空间分布规律。     

长白山林线过渡带树岛土壤微生物群落结构和生态功能

林线过渡带是指从郁闭森林上限到树种分布上限之间的区域,过渡带内生物多样性丰富,生态系统结构、功能和生态过程在很小的海拔梯度内发生剧烈变化,因此对全球气候变化和人类活动极为敏感。树岛是在林线过渡带内出现的斑块状或条带形不连续分布的树木集群,树岛内生存的树木通常能达到与较低海拔郁闭森林同样的高度和胸径,因此揭示树岛这一特殊生境的生态特征及其形成机制,对于预测未来气候变化下林线动态具有重要意义。以长白山岳桦林线过渡带一大型树岛作为研究对象,测定了土壤理化性质和土壤酶活性,采用宏基因组测序技术分析了微生物群落结构组成和功能基因丰度,通过与同海拔的开阔区生境进行对比,揭示了树岛这一特殊生境的土壤微生物群落结构特征和潜在生态功能,从土壤养分和土壤微生物学角度,阐明树岛形成的可能驱动机制。结果表明,树岛土壤的含水量、总碳、总氮和微生物生物量显著高于同海拔开阔区（P<0.05）,与微生物r-策略相关的生理生化和遗传学指标,包括纤维素酶活性、放线菌相对丰度、与转录、防御、控制细胞周期相关的基因丰度、小分子碳降解基因丰度,均高于开阔区（P<0.05）。相反的,与微生物K-策略相关的指标,包括酸杆菌相对丰度、大分子碳降解基因相对丰度低于开阔区。揭示了树岛土壤微生物学特征,并从土壤微生物组学角度探讨了树岛形成的潜在机制,认为树岛内土壤养分增加并导致微生物群落r-策略倾向,这种变化反过来也可能促进树岛进一步扩大,进而影响林线动态。     

黄土区不同恢复年限草地群落生物量及根冠比对氮添加的响应

大气氮沉降增加作为全球变化的主要环境问题之一,已引发人们的广泛关注,持续的氮沉降对草地生态系统的组成、结构和功能产生重要影响。为深入了解草地恢复进程中群落生物量和根冠比对氮沉降的响应,以黄土区3个不同恢复年限（初期12a、中期28a和后期37a）的天然草地为研究对象,通过设置6个氮添加水平,CK （0）、N1（2.34g m^-2a^-1）、N2（4.67g m^-2a^-1）、N3（9.34g m^-2a^-1）、N4（18.68g m^-2a^-1）、N5（37.35g m^-2a^-1）来测定草地群落地上生物量、地下生物量和总生物量,并计算根冠比和氮响应效率（NRE）。结果表明：（1）地上生物量在恢复中期最大,随氮添加梯度增加,地上生物量在恢复初期和恢复后期呈不显著上升趋势,对氮添加表现为非线性的正响应（ΔNRE>0）,在恢复中期呈不显著下降趋势,对氮添加表现为非线性的负响应（ΔNRE<0）。（2）群落地下生物量对氮添加无显著响应,总生物量只有在恢复后期的N4添加水平下,与对照存在显著差异。（3）根冠比在恢复初期时,N3添加水平下显著高于对照和其他氮添加水平,其余恢复年限对氮添加无显著响应。综上所述,通过分析比较黄土区不同恢复年限草地群落的地上、地下及总生物量和根冠比对氮添加的响应。建议对该区域开展试点实验,实行适应性草地管理,如进行两年一次刈割或轻度放牧（2只羊/hm²）,来探寻更科学有效的管理措施,使草地实现系统性恢复,进而满足生态系统容量和社会需求的变化。     

中国天然林资源保护工程综合评价指标体系与评估方法

天然林资源是国家重要的战略资源与生态资源,在维护国土生态安全、应对气候变化、保护生物多样性等方面发挥着不可替代的重要作用。作为覆盖范围最广、投资规模最大的天然林资源保护工程（简称天保工程）自2000年正式启动以来,对长江上游、黄河上中游地区以及东北、内蒙古、新疆、海南等重点国有林区的森林资源保护修复、区域生态环境改善及经济社会可持续发展等多方面都产生了巨大、深远影响。天保工程二期于2020年结束,全面定量评估天保工程的生态、经济和社会综合效益和国内外的巨大影响,可为全面推进我国天然林资源保护修复提供科技支撑,为后续政策修订提供决策依据。本文基于空间信息技术、样地调查、生态站观测、比较分析等手段,构建了适用于天保工程的综合评价指标体系与评估方法,涵盖森林资源、生态效益、社会经济效益、生态修复措施和政策设计5个方面,对全面贯彻落实国家生态文明战略和《天然林保护修复制度方案》具有重要的现实意义和深远历史意义,为开展全国性的重大生态工程评估提供借鉴和参考。     

高阶相互作用对宿主-寄生群落动态的影响

物种间相互作用是影响生物群落稳定性和多样性的重要因素。基于Lotka-Volterra竞争模型,通过构建多宿主种群的种内和种间高阶相互作用模型,研究宿主种群的间接竞争效应对寄生群落动态的影响机制。为有效地揭示高阶作用对种群动态的影响,通过对比宿主-寄生群落的现象模型以及机制模型,利用机制模型产生的合理数据集对现象模型中高阶项的参数进行拟合,进而探讨了高阶相互作用在群落动态中的作用。结果显示,完整的高阶相互作用模型在描述多宿主-寄生系统的群落动态中表现最优,而直接相互作用模型对群落动态的描述相对较差,即同时考虑种间和种内的高阶相互作用模型更加符合机制模型所描述的群落动态。此外,种内高阶作用和种间高阶作用产生不对称效应,宿主间的种间高阶作用对群落产生的影响较种内高阶作用更为显著。该研究结果在一定意义上丰富了宿主-寄生生物群落的稳定性研究,为理解物种间相互作用的多样性研究提供了依据。     

深圳近海公园植物群落结构特征及其与景观格局的相关性

城市公园植物群落为城市生态系统提供重要的生态服务。对深圳最具代表性的6个近海城市公园进行实地调查,同时结合高分辨率的遥感图像,分析其植物群落结构特征及其与公园内部景观格局的相关关系。结果表明：（1）共调查到近海公园植物108科310属471种,其中乡土植物82科169属231种。草本植物中乡土植物比例较高,而木本中乡土植物占比较低。（2）TS-4和H-1分别是近海公园最常见的乔灌群落类型和草本群落类型,其样地量分别占总量的39%和26%。常见群落的指示种多数具有热带性质并占据主体地位。（3）公园中灌木植物种数低于乔木和草本植物,但群落稳定性较高。（4）半自然型和人工型近海公园各类植物的相似性,以灌木层植物最低。（5）公园整体景观格局中,斑块密度与林地面积比、林地最大斑块面积比呈显著负相关（P<0.05）。（6）各层植物多样性也受到景观格局显著影响：草本层植物多样性与草地、林地的斑块形状复杂程度分别呈显著负相关（P<0.05）;灌木层植物多样性与林地、水体的景观破碎度呈显著负相关（P<0.05）;乔木层植物多样性与草地最大斑块指数呈显著负相关（P<0.05）。公园景观破碎度的增大可能会导致植被景观面积减少。建议在公园植物造景初期就要重视对灌木的运用,尤其是一些生态本底比较脆弱的公园,以提高植物群落的稳定性和低维护性。同时应尽可能保留大面积的核心植被生态斑块,更好地发挥其生态功能。研究结果可为城市公园的规划设计、植物群落的优化配置与城市生物多样性保护提供依据。     

四川省生物多样性与生态系统多功能性分析

生态系统服务与人类福祉和可持续发展息息相关,近年来生物多样性丧失极大影响了生态系统服务。探究生物多样性与生态系统服务之间的关系成为当前生态学领域内的一个重大科学问题。以四川省各乡镇为单元,计算了景观尺度上的多样性指数,评估了四川省水土保持功能、水源涵养功能、固碳功能,并研究了两者之间关系。结果表明：在景观尺度上,Shannon''s多样性指数、修正Simpson''s多样性指数、景观丰度三种多样性指数可以较好表征四川省生物多样性空间分布格局。由景观丰度、欧式最近邻距离的标准差、景观丰度密度构成解释变量矩阵,RDA模型矫正解释率42.25%（P<0.001）,可更好解释由土壤保持功能、水源涵养功能、固碳功能构成的响应变量矩阵。四川省生物多样性及生态系统服务关系的模式有以下几种：（1）成都平原区区县空间距离较近,在生态系统服务和生物多样性梯度均差异较小;（2）盆周山地区、盆地丘陵区各区县在水土保持功能梯度上差异较大,与多样性关系较弱;（3）川西高原区区县在固碳、水源涵养梯度上差异较大,并有协同关系,多样性梯度差异较大;（4）川西高山峡谷区、西南山地区区县之间生态系统服务和多样性差异较大,生态系统服务可能存在强烈权衡关系,需进一步引入解释因子。     

基于目标检测的东北虎个体自动识别

东北虎个体的自动识别是种群数量评估和制定有效保护策略的重要基础。以东北虎林园和怪坡虎园38 只虎为研究对象,将目标检测方法首次应用到东北虎个体识别研究中,采用多种深度卷积神经网络模型,以实现虎个体的自动识别。首先通过相机在不同角度对 38 只东北虎进行拍摄取样,建立包含13579张图像的虎样本数据集。由于虎的体侧条纹信息不具有对称性,所以运用单次多盒目标检测（Single Shot MultiBox Detector, SSD）方法,对虎的躯干左侧条纹、右侧条纹以及脸部等不同部位图像,进行自动检测并分割提取,极大节省手工截取时间。在检测分割出的左右侧及脸部不同部位图片基础上,运用上、下、左、右平移变换进行数据增强,使图片数目扩大为原来的5 倍。采用LeNet、AlexNet、ZFNet、VGG16、ResNet34共5 种卷积神经网络模型进行个体自动识别。为了提高识别准确率,运用平均值和最大值不同组合方式来优化池化操作,并在全连接层引入概率分别为0.1、0.2、0.3、0.4的丢弃（Dropout）操作防止过拟合。实验表明,目标检测模型耗时较少,截取分割老虎不同部位条纹能达到0.6 s/张,远快于人工截取速度,并且在测试集上准确率能达到97.4%。不同姿态下的目标部位都能正确识别并分割。ResNet34模型的准确率优于其他网络模型,左右侧条纹以及脸部图像识别准确率分别为93.75%、97.01%和 86.28%,右侧条纹识别准确率优于左侧条纹和脸部图像。研究为野生虎自动相机影像的识别提供技术参考。在未来研究中,对东北虎个体影响数据进行扩充,选取更多影像数据进行训练,使网络具有更强的适应性,从而实现更准确的个体识别。     

联合GF-6和Sentinel-2红边波段的森林地上生物量反演

光谱反射率能反映地物差异,是森林地上生物量（Aboveground Biomass,AGB）遥感反演的理论基础。红边波段处于近红外与红光波段交界处快速变化的区域,能对植被冠层结构和叶绿素含量的微小变化做出快速反应,对植被生长状况较敏感。研究以GF-6和Sentinel-2多光谱影像作为数据源,结合野外调查AGB数据,构建落叶松和樟子松AGB线性和非线性估测模型,通过比较模型精度选择最优模型进行森林AGB反演和空间分布制图。结果表明：GF-6和Sentinel-2影像红边波段反射率与落叶松、樟子松AGB均呈显著相关（P<0.05）,红边波段对AGB估测较敏感。多变量估测模型整体估测效果优于单变量模型,所有模型中多元线性回归模型取得了最优的决定系数（落叶松R²=0.66,樟子松R²=0.65）和最低的均方根误差（落叶松RMSE=31.45 t/hm²,樟子松RMSE=54.77 t/hm²）。相比单个数据源,联合GF-6和Sentinel-2影像构建的多元线性回归模型估测效果得到了显著提升,模型RMSE对于落叶松和樟子松AGB估测分别最大降低了22.9%和11.2%。增加红边波段进行AGB估测能显著提高模型估测精度,三组数据源分别加入红边波段信息后进行建模,模型RMSE得到了显著降低。GF-6拥有800 km观测幅宽和高效的重访周期,可以快速地提供大尺度时间序列数据,在森林地上生物量反演和动态监测方面有着很大潜力。