基于空间生态集合覆盖模型的自学习禁忌搜索算法在保护区空间选址中的应用——以戴云山为例

自然保护区规划是保护生物多样性的有效方式.传统保护区规划方法只能识别物种保护的重点区域,无法科学确定保护区的适宜面积.地块选择方法基于数学模型,从规划区域中选择部分地块组成自然保护区,保护特定物种或生态系统,是缓解生态保护与开发利用矛盾的重要手段.现有地块选择法未考虑各单元生态差异,且最优化算法存在计算效率的瓶颈.本文首先构建适用于森林生态系统的生态值赋分评价体系,据此计算戴云山生态值并绘制其分布图;然后,结合生态值建立生态集合覆盖模型(ESCP),并基于ESCP嵌入空间紧凑性提出空间生态集合覆盖模型(SSCP);最后,利用寻优性能良好的自学习禁忌搜索算法(STS)搜索各保护目标下的近似最优选址方案,给出福建省戴云山现有建成区优化方案.结果表明: 戴云山生态值计算结果在空间分布上存在明显差异;ESCP比原集合覆盖模型(SCP)能产生生态值更高的选址方案;SSCP在ESCP基础上对生态值较高区域有聚集作用,且周长权重越大,聚集效果越明显;建议现保护区可向外拓展136 km²,并将西北向分布长苞铁杉的地块纳入保护区范围.研究结果为实现戴云山保护区可持续发展及土地资源优化配置提供了优化方案,也可为我国森林生态系统类型的自然保护区设计提供新思路.     

氮添加对毛竹林土壤酸性磷酸单酯酶动力学参数的影响

土壤磷酸酶在有机磷矿化和磷循环过程中发挥着重要作用,然而,土壤磷酸酶响应氮(N)沉降的动力学机制仍不清楚。本研究在亚热带毛竹林中设置对照(0)、20(低氮)、40(中氮)和80 g N·hm^-2·a^-1(高氮)4种不同氮添加处理,在氮添加满3年、5年和7年时采集0～15 cm土层土壤样本,测定了土壤化学性质、微生物生物量,并分析了酸性磷酸单酯酶(ACP)的最大反应速率(V_m)、半饱和常数(K_m)和催化效率(K_a)。结果表明: 氮添加显著降低了土壤可溶性有机碳、有效磷和有机磷含量,显著增加了土壤铵态氮、硝态氮含量和V_m,且V_m与有效磷、有机磷和可溶性有机碳含量存在显著相关关系;总体上,氮添加显著提高了K_a;除了在氮添加满5年时高氮处理下K_m显著高于对照外,氮添加对K_m无显著影响,且K_m与有效磷和有机磷含量有显著负相关关系。中、高氮处理对ACP动力学参数的影响大于低氮处理。方差分解分析表明,土壤化学性质的变化而非微生物学性质的变化主导了V_m(47%)和K_m(33%)的变化。总之,氮添加显著影响了毛竹林土壤的基质有效性,通过调控ACP动力学参数(尤其是V_m)进而影响了土壤磷循环。本研究有助于了解氮素富集下土壤微生物调节土壤磷循环的潜在机制,并为全球变化下土壤磷循环模型优化提供重要参数。     

旅游干扰对戴云山自然保护区两栖动物多样性的影响

两栖动物是衡量自然保护地生态系统环境质量的指标类群, 其多样性极易受到旅游干扰的影响, 研究旅游干扰短期内对两栖动物多样性的影响, 对实施生态保护和旅游开发具有重要指导意义。于2015—2018年在戴云山自然保护区实验区进行旅游干扰对两栖动物多样性的影响调查研究。结果表明: 1)调查区域共记录有两栖动物26种, 隶属于2目7科20属, 其中中国特有物种12种; 模式产地物种1种, 即小棘蛙Quasipaa exilispinosa; 新记录种4种, 为小竹叶臭蛙Odorrana exiliversabilis、福建掌突蟾Leptobrachella liui、黄岗臭蛙Odorrana huanggangensis、九龙棘蛙Rana jiulongensis。2)2016—2018年旅游重度干扰区两栖物种数量显著大于旅游轻度干扰区; 3)旅游重度干扰区两栖物种多样性指数大于旅游轻度干扰区, 但统计上无显著差别; 4)2017年和2018年旅游重度干扰区两栖物种均匀度指数显著大于旅游轻度干扰区; 5)相关性分析显示旅游干扰程度对两栖物种多样性指数和均匀度指数影响不显著, 对物种数量影响达到显著水平; 6)空气温度和水温是影响两栖多样性的重要因素。研究结果认为目前戴云山保护区实验区生态旅游短期内对两栖动物多样性没有明显负面影响, 环境因子是决定两栖动物多样性的关键因素。     

戴云山黄山松群落生态（火用）空间异质性

热力学指标生态（火用）作为传统群落结构指数的补充,通过衡量物种包含的遗传信息量化群落生物热力学空间结构,评估其群落稳定性和健康程度。基于生态（火用）理论研究了戴云山黄山松（Pinus taiwanensis）群落乔木层、灌木层生态（火用）和结构（火用）的空间异质性及分布规律。主要结果如下：（1）乔木层和灌木层分别是群落生态（火用）和结构（火用）的主要贡献者。（2）黄山松种群在群落中具有更高的竞争能力和生存概率,群落生态（火用）贡献率为98.39%,对维持群落结构稳定性具有关键作用。（3）乔灌层的生态（火用）和结构（火用）在研究尺度上均具有强烈空间自相关,其空间异质性主要由结构性因素引起,所占比例大于75%。（4）乔灌层的生态（火用）和结构（火用）均呈明显条带状及斑块状分布,有多个明显高值区,等值线较弯曲且密集,空间异质性程度较高。研究确定了戴云山黄山松种群的热力学地位,黄山松在维系戴云山群落结构稳定和群落健康中发挥着重要作用,结果可为黄山松群落演替动态和可持续管理提供科学依据。     

氮添加诱导的磷限制改变了亚热带黄山松林土壤微生物群落结构

土壤微生物在陆地生态系统的生物地球化学循环中起着重要作用。然而目前尚不清楚氮(N)添加量及其持续时间如何影响土壤微生物群落结构,以及微生物群落结构变化与微生物相对养分限制状况是否存在关联。本研究在亚热带黄山松林开展了N添加试验以模拟N沉降,并设置3个处理:对照(CK, 0 kg N·hm^-2·a^-1)、低N(LN, 40 kg N·hm^-2·a^-1)和高N(HN, 80 kg N·hm^-2·a^-1)。在N添加满1年和3年时测定土壤基本理化性质、磷脂脂肪酸含量和碳(C)、N、磷(P)获取酶活性,并通过生态酶化学计量分析土壤微生物的相对养分限制状况。结果表明: 1年N添加对土壤微生物群落结构无显著影响,3年LN处理显著提高了革兰氏阳性菌(G⁺)、革兰氏阴性菌(G^-)、放线菌(ACT)和总磷脂脂肪酸(TPLFA)含量,而3年HN处理对微生物的影响不显著,表明细菌和ACT对N添加可能更为敏感。N添加加剧了微生物C和P限制,而P限制是土壤微生物群落结构变化的最佳解释因子。这表明,N添加诱导的P限制可能更有利于部分贫营养菌(如G⁺)和参与P循环的微生物(如ACT)的生长,从而改变亚热带黄山松林土壤微生物群落结构。     

戴云山黄山松群落主要树种更新生态位研究

为探讨戴云山黄山松(Pinus taiwanensis)群落的分化与动态更新,采用改进的更新生态位宽度和更新生态位重叠公式研究黄山松群落主要树种的更新生态位。结果表明,不同物种对空间资源的利用存在差异,不同物种具有不同的更新生态位宽度,物种间的更新生态位重叠值也不同。在群落乔木层,黄山松的更新生态宽度最大,因此,黄山松在群落中占优势地位。黄山松与其它物种的更新生态位重叠值主要在0.1~0.39之间,表明黄山松与其它树种存在共用资源利用谱。黄山松与窄基红褐柃(Eurya rubiginosa)和短尾越桔(Vaccinium carlesii)的更新生态位重叠值较大,与这些物种的竞争和排斥作用明显,不利于黄山松幼苗和幼树更新,因此建议采用人工抚育措施并加强保护,提高黄山松幼苗和幼树的成活率,使群落处于稳定状态。     

福建省戴云山野生哺乳动物和鸟类红外相机监测

2017年2月至2018年3月, 我们在福建省德化县戴云山国家级自然保护区和德化石牛山森林公园内设置红外相机监测位点60个, 调查戴云山地区野生哺乳动物和鸟类生物多样性。本次调查累计19,924个相机工作日, 拍摄到独立有效照片3,499张, 可准确鉴定哺乳动物4目10科17属18种, 鸟类5目11科21属24种, 家畜3种。其中, 国家I级重点保护野生动物2种, 国家II级重点保护野生动物5种, 且白颈长尾雉(Syrmaticus ellioti)为戴云山自然保护区新记录种。在野生哺乳动物中, 相对多度指数最高的前5种依次为小麂(Muntiacus reevesi)、野猪(Sus scrofa)、赤麂(Muntiacus vaginalis)、赤腹松鼠(Callosciurus erythraeus)、猪獾(Arctonyx collaris); 在鸟类中, 相对多度指数最高的前5种依次为白鹇(Lophura nythemera)、紫啸鸫(Myophonus caeruleus)、黑领噪鹛(Garrulax pectoralis)、白眉山鹧鸪(Arborophila gingica)、灰胸竹鸡(Bambusicola thoracica)。此外, 红外相机还拍摄到大量的家畜及人类活动照片, 显示区内存在较强的人为活动干扰。本次调查结果提供了较为全面的戴云山区哺乳动物和鸟类的本底信息, 填补了闽中地区大中型哺乳动物观测的空白, 为后续的保护管理和长期监测工作建立了基础。