Species co-occurrence, nestedness and guild–environment relationships in stream macroinvertebrates

1. Describing species distribution patterns and the underlying mechanisms is at the heart of ecological research. A number of recent studies have used null model approaches to explore mechanisms behind spatial variation in community structure.
2. However, unexplored questions are the degree to which single guilds of potentially competing stream macroinvertebrate species show: (i) interspecific segregation among-stream sites (i.e. occur together less often than expected by chance), suggesting competitive interactions; (ii) interspecific aggregation (i.e. occur together more often than expected by chance), suggesting similar responses to the environment; (iii) comply with nestedness, suggesting the existence of selective extinctions or colonisations and (iv) show similar environmental relationships.
3. The present analyses showed that guilds of stream macroinvertebrates exhibit non-random co-occurrence patterns that were generally contingent on the weighting of sites by stream size. Despite significant segregation of species, each guild also showed significantly nested patterns. Species richness was correlated with different environmental factors between the guilds, although these correlations were relatively low. By contrast, correlations between the major ordination axes and key environmental variables were slightly stronger in canonical correspondence analysis, and generally the same factors were most strongly correlated with variation in the species composition of each guild.
4. The present findings are the first to show that species within each stream macroinvertebrate guild show significant negative co-occurrence at the among-stream riffle scale. These findings present challenges for future studies that aim to disentangle whether these patterns comply with the habitat checkerboard or the competitive checkerboard explanations.     

子午岭次生油松林立木竞争格局研究

研究干旱区森林立木竞争及空间分布格局,旨在为揭示干旱区森林恢复演替过程中竞争动态和格局形成驱动机制提供科学依据。经全面调查之后,依据时空互代原理选择了4个处于不同演替阶段,面积为0.25 hm²的大样地进行研究。采用Hegyi邻体密度模型研究立木竞争强度指数。采用Kriging法与Hegyi法相结合研究立木竞争的空间格局。采用一元和二元O-ring函数模型分别研究了乔木空间分布格局和乔木种间空间相关性。结果表明：在上述4个群落中油松（Pinus tabuliformis）种群密度分别为1 476、996、800、648株·hm^-2,白桦（Betula platyphylla）种群密度为48、32、44、16株·hm^-2,山杨（Populus davidiana）种群密度分别为64、28、24、12 株·hm^-2。3种主要乔木的竞争指数由高到低依次为油松、白桦、山杨,各物种竞争指数均随演替阶段的增长而下降;演替后期,胸径2~15 cm油松个体减少明显,而胸径大于30 cm的个体数量有所增加;在所有演替阶段中,油松竞争指数均随着胸径的增加而下降;油松种群竞争空间格局为典型的非匀质斑块状格局。点格局分析结果表明,油松种群在0~5 m尺度呈现聚集分布,且与其他树种在5~15 m尺度存在空间负相关。本研究主要结论如下,黄土高原次生油松林群落中油松竞争指数高于其他物种。油松在各演替阶段均呈现出基于径级大小的竞争不对称性,演替后期油松群落自疏机制为限制小径级个体的生长。竞争的格局在水平空间尺度具有斑块性,随着演替的进行,高竞争斑块在数量、范围和强度上减小,但并不会消失。油松生态策略为小尺度聚集分布,与其他树种在5~15 m尺度空间负相关,这个尺度已经超过了经典的树冠竞争理论范畴,其背后的原因需要更加深入地研究。     

蚜虫种群时空分布动态模型

种群空间格局是昆虫种群的重要属性,是为害虫防治提供动态信息的重要前提。关于种群空间格局的时空动态,前人曾建立了富立叶模型和有阻尼自由震荡模型,但忽略了生境资源和空间资源的限制,不能很好地描述昆虫种群在自然界摆布状况的动态行为。因此,在前人研究的基础上,根据蚜虫在自然界的聚集扩散行为逐步建立了描述蚜虫种群聚集扩散规律的变幅、变周期时空分布动态模型,即:y=Ae-nt[sin(w0emtt+φ)+b]+c,并应用该模型对麦长管蚜(Sitobion avenae Fabricius)、麦二叉蚜(Schizaphis graminum Rondani)、禾缢管蚜(Rhopalosiphum padi Linnaeus)和玉米蚜(Rhopalosiphum maidis Fitch)的实验数据进行了拟合。结果表明,麦蚜种群和玉米蚜种群呈现出不同的规律,3种麦蚜均为减幅减周期的变化趋势,玉米蚜则表现为减幅增周期的变化趋势。此外,该模型的拟合效果较好(R20.942,SSE2.6)、生物意义明确,不仅可用于描述蚜虫以及蚜虫以外的其他昆虫和螨类种群的时空动态,还可准确描述不同年龄阶段和不同空间位置上种群的动态,具有普遍适用性。应用该模型考察不同种蚜虫在同一作物上的竞争情况和蚜虫与其天敌的空间分布动态,可为害虫的综合防治奠定基础;对不同小麦抗性品种上同一种蚜虫的聚集扩散行为进行刻画、分析,还可为小麦的抗性育种提供参考依据。     

Integrating nested spatial scales: implications for the coexistence of competitors on a patchy resource

1. Intraspecific aggregation at a single spatial scale can promote the coexistence of competitors. This paper demonstrates how this same mechanism can be applied to the many systems that are patchy at two scales, with patches nested within 'superpatches'.
2. Data are presented from a field study showing that insects living in rotting fruits have aggregated distributions in the fruits under a single tree, and that the mean density and degree of aggregation varies significantly among trees. Observations in this system motivate the following models.
3. A model of competition has been developed between two species which explicitly represents spatial variation at two scales. By integrating the probability distributions for each scale, the marginal distributions of competitors over all patches can be found and used to calculate coexistence criteria. This model assumes global movement of the competitors.
4. Although spatial variation at a single scale may not be sufficient for coexistence, the total variation over all patches can allow coexistence. Variation in mean densities among superpatches and variation in the degree of aggregation among superpatches both promote coexistence, but act in different ways.
5. A second model of competition between two species is described which incorporates the effects of limited movement among superpatches. Limited movement among superpatches generally promotes coexistence, and also leads to correlations among aggregation and the mean densities of competitors.     

生态学中的点格局研究概况及其在国内的应用

点格局分析是研究生态学格局的工具之一,近年来在生态学中的应用越来越多。为深入了解点格局分析方法在国内的研究与应用情况,以所总结的研究进展、一般步骤和基本要点为背景,分析评述了1996—2015年期间以点格局为主题的国内中文核心期刊文献。结果表明,在国内生态学格局研究中,应用研究占据主导地位,研究对象广泛,包括以树木为主的乔、灌、草等不同生活型的植物,甚至包括景观;基础研究,包括概括性统计量、零模型与点过程模型等方面,以及专用软件工具包的开发等研究薄弱。在应用中存在一定问题,主要表现为:概括性统计量使用单一,且以Ripley的K-函数及其变形为主;零模型(或点过程模型)是科学问题的统计表达,但是有一半以上的研究未明确给出零模型。建议在未来应用研究中重视多种统计量的组合使用和原假设的建立,在探讨热带、亚热带森林等具有复杂空间结构系统的多样性格局时,考虑对象的不同世代和系统的不同垂直层次,并加强多变量或三维概括性统计量的开发、点格局分析方法与动态过程模型的结合研究等工作。     

不同恢复群落中辽东栎种群空间格局分析

通过对茂县大沟流域人工恢复9年、人工恢复16年和自然恢复16年3个不同群落的取样调查,研究了辽东栎种群的空间分布格局及其动态变化。采用扩散系数、T检验、负二项参数、丛生指数和聚块性指数等指标进行拟合。结果表明,辽东栎种群大多呈显著性聚集分布,辽东栎幼苗、幼树和大幼树的聚集强度、格局规模在时间序列上大多呈上升趋势。辽东栎种群的聚集性与其本身具有的萌蘖性有关,聚集分布可以增强辽东栎种群的竞争能力,有利于辽东栎种群的演化和健康发展。辽东栎作为本地区的原生种是极具恢复价值的优势种,有关辽东栎种群在这一地区的生态恢复价值需要进一步的深入研究和充分利用。     

玉米田蚜虫种群的空间动态

【目的】明确我国黄淮海地区玉米蚜虫种类及其空间分布,掌握玉米蚜虫田间发生规律。【方法】采用系统调查法于2009—2010年在河北廊坊对春玉米、夏玉米上玉米蚜虫种群的发生动态进行了研究。【结果】结果表明,该地区取食为害玉米的蚜虫有5种;玉米蚜Rhopalosiphum maidis(Fitch)和禾谷缢管蚜R.padi(L.)混合发生,为玉米田蚜虫的优势种群。【结论】几种蚜虫的混合种群在玉米田间的动态分布始终呈聚集分布;二项分布k和聚集型指标m~*/x判断表明,随着玉米的生长发育,玉米蚜虫表现扩散-聚集-再扩散-再聚集的趋势。     

胜山阔叶红松林粗木质残体空间分布格局

为探究胜山阔叶红松(Pinus koraiensis)林粗木质残体(Coarse woody debris, CWD)的形成过程及机制,采用点格局分析法对10.4 hm²大型样地内不同分类的CWD 的空间格局、空间关联性进行了研究。结果表明:(1) 总CWD 在0-7 m尺度聚集分布,7-50 m尺度随机分布。(2) 腐烂等级5级CWD 、倒木、伐根在所有尺度随机分布;其他CWD 随尺度增大由聚集分布转为随机分布,但格局尺度不同(在2-10 m之间)。(3) 大、中径级与小径级CWD 在0-4 m、0-6 m尺度正相关;高腐烂等级与低腐烂等级CWD 在0-5 m尺度以内正相关;枯立木与倒木在0-4 m尺度正相关;落叶松(Larix gmelinii)CWD与小径级、腐烂等级2级的红皮云杉(Picea koraiensis)CWD 在0-3 m尺度正相关,与中径级、腐烂等级1、2级在13-16 m尺度负相关。胜山阔叶红松林CWD 的形成是由树种特性、小尺度的个体竞争、大尺度的自然衰老、外界干扰、生境异质性等共同决定的;大、中径级对小径级CWD、先形成对后形成CWD、枯立木对倒木具有一定的正向影响,落叶松对红皮云杉CWD 在小尺度有正向影响,而在稍大尺度有负面影响;在一定程度上揭示了该林型CWD 的形成过程和机制。     

人类活动对植被退化/恢复影响的空间格局——以陕西省为例

基于陕西省1998～2005年SPOTVEG NDVI月数据和月降水序列的相关性分析,构建修正的归一化植被指数(C-NDVI)剔除降水量对NDVI的影响,探讨了人类活动对植被影响的空间格局.主要结论:①陕西省NDVI和降水量间存在显著的相关性,相关系数呈现出北高南低中间最低的空间格局,与所处气候带和土地利用状况的差异有关;② 1998～2005年人类活动对植被的影响表现出显著的空间差异性,北部地区以植被恢复为主,年增长率在2.1%～4.1%,其驱动力主要是退耕还林(草)、防沙治沙工程中对植被的保护和恢复性措施;中部平原区水浇地、城镇用地集中分布,表现出水浇地区人为活动对植被变化基本无影响,而城镇用地扩展区导致植被退化;中北部、南部林地分布区地形坡度大、降水量相对丰富,人类活动对植被的影响表现为植被退化,可能是经济林、用材林的周期性采伐所致.研究可为区域优化土地利用结构,合理规划和调整生态建设布局提供依据.     

The demography of coarse wood in north temperate lakes

1. Exchange of material across habitat boundaries is a key process in riparian zones. The movement of coarse wood from lakeshore forests to the littoral zone, where it provides habitat for aquatic organisms, is not well understood. In 2003, we resampled coarse wood within the littoral zone of four lakes in Northern Wisconsin (U.S.A.), that had originally been surveyed in 1996, to quantify the spatial arrangement of littoral coarse wood and estimate input, loss and movement rates.
2. All four lakes had a clumped pattern of littoral coarse wood, and the locations of clusters were similar in both census years. Littoral coarse wood was more abundant than expected on moderate to steep slopes, on southern shorelines, and in areas with sparse residential development.
3. All four lakes had a net accumulation of coarse wood; rates of wood input ranged from 0.5 to 1.9 logs km⁻¹ year⁻¹, i.e. there was more wood in 2003 than 1996. Movement rates of tagged logs varied 14-fold among lakes, with a maximum in one lake of 42% of logs recovered in 2003 more than 20 m from their 1996 location. Median distance moved ranged from 22 to 323 m among the four lakes.
4. Areas of persistently high wood density may be keystone habitats whose presence enables the persistence of populations of certain aquatic organisms. Conservation of locations with high wood density may be important to maintain target densities of coarse wood of lakes with human development.     

皆伐改造闽粤栲林下木本植物生态位特征和空间分布格局

生态位可揭示物种对环境的适应程度;反映种群在群落中的地位;而个体空间分布格局则表征了种群分布特征及其发展趋势。为明确杉木低产低效林皆伐改植后闽粤栲林下木本植物群落更新状态;本研究以南平市建阳国有林场原杉木林皆伐改植闽粤栲林下恢复23年的木本植物为研究对象;采用Levins生态位宽度和Pianka生态位重叠等2个指数分析物种生态位特征;以丰富度等7个聚集度指数对重要值大于1的优势种空间分布格局进行探讨。结果表明:（1）林下闽粤栲幼苗属于该群落的主要优势种;其重要值和生态位宽度均最大;分别为115.30%和1.00;且均与其他物种存在较大的生态位重叠;与上层乔木树种保持着相同优势地位。（2）林下主要木本植物的重要值、生态位宽度、生态位重叠彼此间均无显著的线性相关关系;且种对间的生态位重叠值在[0,1]中均有分布;大多数种对为明显重叠（0.5≤O_ik<1）;（3）林下木本植物的空间分布格局多数呈集群分布;少部分呈均匀分布。小尺度范围内不同尺度对种群空间分布格局的影响主要体现于集群程度的变化。总体上;林下木本植物自然恢复状态良好;种间关系稳定;林下仍处于演替恢复阶段。     

低覆盖度固沙林的乔木分布格局与防风效果

低覆盖度植被是我国干旱、半干旱区经过漫长的自然演替过程逐步发育形成且广泛分布的植被类型。前人研究认为,植被覆盖度达到40%为固定沙地,40%-20%为半固定-半流动沙地。但在实践观察中发现:在低密度(或覆盖度)时,灌丛的水平分布格局对固定流沙和阻止风沙流的作用差异显著。在干旱区、半干旱区,存在着大量天然的乔木疏林,其覆盖度均在低于40%,地表处于半流动状态,而配置成行带式后,即使覆盖度降低到20%时,地面也不会出现风蚀现象。因此,在内蒙古浑善达克沙地,针对覆盖度在20%左右的乔木疏林,同时测定了随机与行带式两种分布格局的防风阻沙效果。结果表明:(1)在不同的对照风速下,行带式配置的林内的相对风速均低于随机分布,其中在200 cm高度处行带式配置的平均相对风速比随机分布的低53.89%,在50 cm高度处低36.82%;(2)行带式林内的水平风速流场变化有一定规律,而随机分布林内风速流场变化主要受树冠在空间的分布影响,变化非常复杂;(3)随机分布的疏林内出现风速超过旷野对照的现象,在50 cm和200 cm的两个观测高度上分别有约27.45%和22.55%的风速测定值超过对照风速,说明出现明显的局部风速\"抬升\"现象,形成了强的涡流;(4)行带式配置林内的平均地表粗糙度达到1.01 cm,比随机分布的疏林内增大约5倍之多;(5)总体而论,行带式分布格局第1带降低风速的作用最显著,第2带及其以后各带间的风速均比第1带后的风速小,但逐带降低的叠加效益不明显;(6)由于乔木基本(枝下高)没有枝条对风的阻碍,乔木行带式固沙林在迎风面的第1林带的基部有一定的风力\"抬升\"作用,对林带基部地面产生较强的侵蚀作用,多数第1带树木的根系被侵蚀裸露,过境的风沙流只能在林带后树冠外侧堆积;(7)随机分布林内在许多位置出现了非常低的地表粗糙度,地表粗糙度低的位置基本与风速\"抬升\"区相吻合,这种\"抬升\"区形成的强的涡流是疏林内出现风蚀坑的重要因素,这也是浑善达克沙地出现榆树与风蚀坑相间分布的主要原因。     

1982-2018年中国植被覆盖变化非线性趋势及其格局分析

探究植被覆盖变化是评估陆地生态系统环境变化的重要手段,但现有研究多采用线性趋势来表达植被覆盖的变化情况而忽略了趋势的非线性。本文使用GLASS FVC数据,利用BFAST方法和格局分析,探讨了1982-2018年我国植被覆盖变化的非线性趋势及其分布格局。结果表明：（1）与线性趋势方法的对比发现,BFAST的检测结果揭示了四川盆地、黄土高原等地的植被覆盖显著增加趋势其实存在中断,青海和东北等地植被覆盖经历了由退化到改善的过程而并非简单的线性增加,而青藏高原中东部等地则由原先的改善趋势变为了退化趋势。（2）将非线性趋势结果进行分类,其中单调型增加类型占比最多,达到33.58%,主要分布在内蒙古、陕西及河南等地;单调型减少占比1.82%,主要分布在东南沿海地区;中断型增加占比22.91%,主要分布在四川盆地东部和华北地区;中断型减少占比2.68%,主要分布在青藏高原东南部;由增到减占比4.20%,主要分布在青海等地;由减到增占比14.62%,主要分布在吉林等地。大范围的植被覆盖增加趋势充分反映了我国过去几十年植被的改善,但同时存在的减少趋势表明潜在的植被退化风险仍不可忽视。（3）不同趋势类型发生改变的时间有所差异,总体上1988-1999年间发生的改变较少,而2000-2011年间发生的改变较多,我国21世纪以来实施的大规模生态保护和恢复工程对植被的改善过程有重要影响。（4）分布格局上,植被覆盖改善趋势类型（单调型增加,中断型增加,由减到增）呈现大聚集,小分散的特点,具有复杂的形状;退化趋势类型（单调型减少,中断型减少,由增到减）的面积均较小,分布也相对离散。全国尺度上趋势空间格局呈现一定规律但分布的异质性较大,区域尺度上植被覆盖经受的干扰显著,变化过程实际也是较为复杂的。本研究表明,使用非线性趋势方法和格局分析,可以更准确地评估植被覆盖的时空变化,从而为生态环境相关工作的开展提供科学的参考。     

杨树粒肩天牛幼虫的空间格局

运用聚集度指标、回归模型、零频率等方法对福建闽北地区杨树粒肩天牛幼虫的空间格局进行测定。结果表明该天牛幼虫在杨树林中呈聚集分布,分布的基本成分为个体群,个体之间相互吸引。用零频率方法分析得出,粒肩天牛种群类型为“聚集度零频率制约型”。并确定了该天牛幼虫林间调查的最适理论抽样数和序贯抽样模型。     

荒漠景观下柠条豆象的空间分布及其对景观斑块格局的反应

柠条豆象Kytorhinus immixtus Motschulsky是危害柠条种子的主要种实害虫之一。本文应用了多个聚集度指标和回归分析方法,研究探讨了柠条豆象卵、幼虫在宁夏盐池、灵武、银川等荒漠景观中11个生境斑块中的空间分布型及种群对景观斑块格局的反应情况。结果表明:在11个景观样地中,柠条豆象卵和幼虫在各种生境斑块中均呈聚集型的负二项分布;卵和幼虫空间分布的Iwao回归方程分别为m*=2.23695+1.64742m(r=0.8273)和m*=2.24418+1.42084m(r=0.8889)、Taylor幂模型分别为logS2=0.51292+1.41118logm(r=0.9344)和logS2=0.59645+1.14736logm(r=0.9786),种群分布的基本成分为个体群,个体间相互吸引,有密度依赖性,聚集主要由环境因素和种间竞争引起的,聚集强度随种群密度的升高而增加。在荒漠景观下,柠条豆象的种群发生与寄主植物的种类、在斑块内的分布格局有着密切的关系,与斑块面积相关性较低(R2=0.1995)。主成分分析显示柠条林生长的土壤类型、生长方式是影响柠条豆象寄生的主要因素。