空间异质性对植物种群动态的影响:三种模拟方法的比较

为了讨论单一物种在异质性景观中的空间传播,将平均场近似模型和偶对近似模型的结果进行对比研究.本研究选择了有代表性的四邻域和八邻域时物种的传播情况,首先运用细胞自动机建立了理想模型,对偶对近似模型和平均场近似模型在全局密度和局域密度固定时随着出生率与死亡率比值变化的结果比较,以细胞自动机模型结果为依据,判断偶对近似与平均场近似哪个结果更加接近细胞自动机模型的结果.通过分析得到四邻域时在近似细胞自动机模型结果时偶对近似的结果优于平均场近似的结果,但是在八邻域时三个模型之间的差异性不再那么明显,偶对近似依然能够很好的预测细胞自动机模型的结果.     

扩散对破碎化景观上宿主-寄生种群动态的影响

景观破碎化和扩散是空间种群模型的重要因素,对生物入侵存在着深远的影响。本章将基于偶对近似模型,探讨由局部和全局宿主-寄生相互作用共同决定的扩散模式对破坏性景观上疾病入侵与传播的影响。其中,生境破坏由生境丧失量与生境破碎化程度来描述。模拟结果显示,宿主和病毒的全局扩散对疾病的入侵与种群密度产生不对称效应：病毒的全局扩散对系统产生的影响较宿主的全局扩散更为显著。不同扩散模式下,生境丧失越高或破碎化程度越低,均将越有害于寄生病毒的入侵;同时,生境的破坏程度也显著地影响了入侵阈值对扩散模式的响应机制。本文研究结果暗示,景观破碎化的空间分布格局以及病毒扩散的限制均可作为物种保护与管理中有效的疾病控制策略。该研究结果在一定意义上丰富和发展了寄生感染理论,为物种保护提供了生态学理论依据。     

竞争和景观格局相互作用对外来入侵物种传播影响的动态模拟

通过中性景观模型和元胞自动机模型模拟了不同景观格局、不同竞争力和关键种群特征的外来入侵物种的传播动态,模拟结果表明:(1)竞争力强的外来入侵物种,可利用生境面积越大,集聚度越高,越有利于其入侵和传播,而对竞争力弱的外来入侵物种来说,可利用生境面积越小,越分散,越有利于其生存。竞争力强可以有效利用整块的高集聚度的资源,而弱竞争力的外来入侵物种为了逃避土著种的竞争往往趋向于分布在分散的小生境中;(2)可利用生境面积大于50%时,景观格局集聚度越小,竞争力弱的外来入侵物种适应环境的弛豫时间越长;(3)外来入侵物种的传播与种子产量呈正相关关系,与繁殖年龄呈负相关关系,拟合关系因景观格局和竞争而异;(4)平均迁移距离对外来入侵物种传播的影响最大,在管理过程中应根据不同的目标,不同的景观格局、竞争力和种群特征选择合适的管理措施。     

风传草本植物种子空间传播新模型

种子阶段产生的时空格局对植物种群迁移十分关键,在植物种群动态、外来种入侵、保护生物学领域有重要意义。大多数种子从母株处传播距离较短,少数种子可以进行长距离传播。近30多年对种子传播的大量研究集中在近距离传播,这与目前的技术很难直接跟踪长距离传播的种子有关,尤其是草本植物种子传播数据极难获取。在现实条件约束下,利用模型模拟种子传播显示了重要作用,但目前尚未形成种子密度随距离变化的统一性函数或分布曲线,我国更是鲜见此方面研究成果。提出了一种全新的风传草本植物种子的空间传播模型,即准麦克斯韦空间分布模型,将种子长、中、短距离的传播归纳于统一的模型之中;实现无风或有风时,任意方向及区域的种子传播模拟,并且利用前人已有的实验或实测数据对模型进行了适应性分析,旨在推动此领域研究的进一步探索与发展。     

入侵杂草化感作用的细胞自动机模拟研究

细胞自动机模型(Cellular Automata Model,简称CA模型)是一种能够表现系统复杂行为的模拟方法,适于研究植物群落时空动态过程.本文利用CA模型,模拟具有化感作用的外来种入侵原有物种所构成植被的过程.模型由产生化感物质的外来种和两个对化感物质敏感性不同的本地种组合成不同类型的群落,利用化感物质作用下受体物种生物活性响应模型及种子扩散负指数分布模型,模拟外来杂草和本地种分布格局的时空动态变化.结果表明,外来种可成功地完全入侵由两个对化感物质敏感的本地种构成的群落空间,但对于由对化感物质敏感的一个本地种及对化感物质具有抗性的另一个本地种构成的群落,外来种只能够与本地种共存.     

基于种间竞争模型的毒杂草入侵空间分布模拟研究

以天然草场中毒杂草与可食牧草为研究对象,在种间竞争的生态数学模型的基础上引入入侵扩散因素建立毒杂草入侵扩散模型。采用元胞自动机理论将竞争模型扩展到空间网络进行模拟研究,分析毒杂草属的空间分布类型,为毒杂草的控制提供数据支持。研究表明:(1)在入侵扩散作用下,毒杂草与可食牧草的共存平衡点由一个增加为两个,增加了共存的可能性;(2)入侵扩散作用影响了毒杂草种群的空间分布特征,减少了种群空间分布的聚集程度。     

生态位模型的基本原理及其在生物多样性保护中的应用

生态位模型是利用物种已知的分布数据和相关环境变量,根据一定的算法来推算物种的生态需求,然后将运算结果投射至不同的空间和时间中来预测物种的实际分布和潜在分布.近年来,该类模型被越来越多地应用在入侵生物学、保护生物学、全球气候变化对物种分布影响以及传染病空间传播的研究中.然而,由于生态位模型的理论基础未被深入理解,导致得出入侵物种生态位迁移等不符合实际的结论.作者从生态位与物种分布的关系、生态位模型构建的基本原理以及生态位模型和生态位的关系等方面探讨了生态位模型的理论基础.非生物的气候因素、物种间的相互作用和物种的迁移能力是影响物种分布的3个主要因素,它们在不同的空间尺度下作用于物种的分布.生态位模型是利用物种分布点所关联的环境变量来模拟物种的分布,这些分布点本身关联着该物种和其他物种间的相互作用,因此生态位模型所模拟的是现实生态位(realized niche)或潜在生态位(potential niche),而不是基础生态位(fundamental niche).Grinnell生态位和Elton生态位均在生态位模型中得到反映,这取决于环境变量类型的选择、所采用环境变量的分辨率以及物种自身的迁移能力.生态位模型在生物多样性保护中的应用主要包括物种的生态需求分析、未知物种或种群的探索和发现、自然保护区的选择和设计、物种入侵风险评价、气候变化对物种分布的影响、近缘物种生态位保守性及基于生态位分化的物种界定等方面.     

空间直观景观模型LANDIS Ⅰ．运行机制

空间直观景观模型是指在异质景观中模拟景观尺度上生态过程的空间直观模型．LANDIS是一个用于模拟森林景观干扰、演替和管理的空间直观景观模型．通过在样地尺度上跟踪以10年为间隔的物种年龄级,半定量化地描述火和风倒,及使用位数组表示物种年龄结构,LANDIS能同时在物种、样地和景观尺度上模拟各种生态过程及其相互关系．详细论述了LANDIS模型对种子传播、火、风倒和砍伐等生态过程的模拟,并讨论了模型中存在的一些不足．     

提高生态位模型转移能力来模拟入侵物种 的潜在分布

生态位模型利用物种分布点所关联的环境变量去推算物种的生态需求, 模拟物种的分布。在模拟入侵物种分布时, 经典生态位模型包括模型构建于物种本土分布地, 然后将其转移并投射至另一地理区域, 来模拟入侵物种的潜在分布。然而在模型运用时, 出现了模型的转移能力较低、模拟的结果与物种的实际分布不相符的情况, 由此得出了生态位漂移等不恰当的结论。提高生态位模型的转移能力, 可以准确地模拟入侵物种的潜在分布, 为入侵种的风险评估提供参考。作者以入侵种茶翅蝽(Halyomorpha halys)和互花米草(Spartina alterniflora)为例, 从模型的构建材料(即物种分布点和环境变量)入手, 全面阐述提高模型转移能力的策略。在构建模型之前, 需要充分了解入侵物种的生物学特性、种群平衡状态、本土地理分布范围及物种的生物历史地理等方面的知识。在模型构建环节上, 物种分布点不仅要充分覆盖物种的地理分布和生态空间的范围, 同时要降低物种采样点偏差; 环境变量的选择要充分考虑其对物种分布的限制作用、各环境变量之间的空间相关性, 以及不同地理种群间生态空间是否一致, 同时要降低环境变量的空间维度; 模型构建区域要真实地反映物种的地理分布范围, 并考虑种群的平衡状态。作者认为, 在生态位保守的前提下, 如果模型是构建在一个合理方案的基础上, 生态位模型的转移能力是可以保证的, 在以模型转移能力较低的现象来阐述生态位分化时需要引起注意。     

美国大陆外来入侵物种斑马纹贻贝(Dreissena polymorpha)潜在生境预测模型

防止外来生物入侵造成危害的重要手段是阻止可能造成入侵的物种进入适合其生存的地区.论文以1864个美国外来入侵物种斑马纹贻贝定点发生数据和开放式基础地理信息数据库Daymet的34个环境变量为主要信息源,采用逻辑斯蒂回归(LR)、分类与回归树模型(CART)、基于规则的遗传算法(GARP)、最大熵法(Maxent)4种途径,建立美国大陆部分潜在生境预测模型,从接受者运行特征曲线下面积(AUC)、Pearson相关系数、Kappa值3个方面来检验模型预测精度,在此基础上分析斑马纹贻贝的空间分布规律及其环境影响因素.研究结果表明:在3个评价指标中,4个生态位模型预测精度均达到优良水平,其中Maxent在物种现实生境模拟、主要生态环境因子筛选、环境因子对物种生境影响的定量描述方面都表现出了优越的性能;距水源距离、海拔高度、降水频率、太阳辐射是影响物种空间分布的主要环境因子.论文提出的研究方法对中国外来入侵物种生境预测具有较强的借鉴意义,研究结果对中国海洋外来入侵物种沙筛贝的预测与防治,具有一定的指导作用.     

像元尺度上不确定性对空间景观直观模型模拟的影响

LANDIS模型是模拟自然和人为干扰下森林景观变化的空间直观景观模型。模型把景观概念化为由相同大小的像元或样地组成的格网。在每一个像元上,模型要求输入物种和年龄组信息。但是,由于研究区一般由成千上百万个像元构成,不可能通过实际调查获取每一个像元上的物种和年龄组信息。因此,采用了一种基于小班的随机赋值法从森林调查数据中获取每一个像元的物种和年龄组信息。该方法是一种基于概率的方法,会在LANDIS模型模拟的物种和年龄组信息的输入中引入不确定性。为了评价由基于小班的随机赋值法所引入像元尺度上的不确定性对模型模拟结果的影响,用蒙特卡罗模拟法进行不确定性分析。对LANDIS模型模拟的每一个物种,用众数年龄组发生频率来定量化单个像元上年龄组信息的不确定性,用所有像元上的众数年龄组平均发生频率来定量化年龄组信息在像元尺度上总的不确定性。平均发生频率越高,不确定性越低。为了评价基于小班的随机赋值法对景观尺度上模型模拟结果的影响,计算了每一个物种在整个研究区内的面积百分比和聚集度指数。变异系数越大,不确定性越高。对所有物种,年龄组信息不确定性在模型模拟的初期是比较低的(平均发生频率大于10)。种子传播、建群、死亡和火干扰使模型结果的不确定性随模拟时间增加而增加。最后,不确定性达到稳定状态,达到平衡状态的时间与物种寿命接近。此时,初始的物种和年龄组信息不再对模型结果有影响。在景观尺度上,物种分布面积百分比和由聚集度指数所定量化的空间格局并未受像元尺度上不确定性增加的影响。因为LANDIS模型模拟研究的目的在于预测总的景观格局变化,而不是单一的事件,所以,基于小班的随机赋值法可用于LANDIS模型的参数化。     

生态多样性模型的理论分析及应用：以新疆维吾尔自治区阜康地区为例

生态多样性是诸如物种、景观元和HLZ生态系统等研究对象丰富性和空间分布均一性的综合.理论分析表明,Shannon模型存在诸多理论的缺陷和应用的局限性.例如,Shannon模型具有大样本需求,不能反映空间尺度信息,也不能表达丰富性方面的多样性信息.本文引进Scaling生态多样性模型,以新疆维吾尔族自治区阜康市为案例区进行模拟研究.结果表明,随着空间分辨率逐渐粗化,Shannon模型模拟结果缺乏规律性,而Scaling生态多样性模型模拟得到的景观元多样性在30 m×30 m～150 m×150 m的空间尺度范围内不受空间分辨率的影响;在150 m×150 m～480 m×480 m的空间尺度范围内,随着空间分辨率的逐渐粗化,景观元多样性的模拟结果严格递减.     

异质种群动态模型:破碎化景观动态模拟的新途径

景观破碎化导致物种以异质种群方式存活,使得基于异质种群动态模拟破碎化景观动态成为可能。异质种群动态模型的发展为景观动态模拟奠定了良好基础。根据空间处理方式的不同,异质种群模型可分为三大类,可不同程度地用于描述破碎化景观动态。(1)空间不确定异质种群模型,假定所有局域种群间均等互联,模型中不包含空间信息,仅能用于景观斑块动态描述;(2)空间确定异质种群模型,假设局域种群在二维空间上以规则格子形式排列,是一种准现实的空间处理方式,可用于景观动态的简单描述;(3)空间现实异质种群模型,包含了破碎化景观中局域种群的几何特征,可直接用于真实景观动态的模拟研究。空间现实的和基于个体的异质种群模型不但是未来异质种群模型发展的主流,也将成为未来破碎化景观动态研究的重要工具。为了更加准确完整地描述破碎化景观动态,不但应该综合运用已有的各种异质种群模型方法,更要引进新模型来刎画多物种、多变量、高维度、复杂连接的破碎化景观格局与过程。     

基于元胞自动机的异质个体甲型H1N1流感传播模型

结合甲型H1N1流感特点,建立了基于元胞自动机的异质个体甲型H1N1流感传播模型,并给出了该模型的动态仿真过程.异质即考虑到不同个体在传染性、对疾病抵抗能力等方面的差异.进而,从网络动力学的角度考虑了个体相互作用之间的关系,包括感染甲型H1N1流感死亡者占总数的比例随时间的变化以及甲型H1N1流感消失所需要的时间.本文计算出的病死率为0.0037,与中华人民共和国卫生部官网提供的甲型H1N1流感病毒的病死率0.004接近,说明了模型的合理性和有效性.模型及计算结果,可为疫情发展趋势的预测、以及政府制定干预疫情的有效措施提供可靠的依据.     

MaxEnt模型参数设置对其所模拟物种地理分布和生态位的影响——以茶翅蝽为例

【目的】生态位模型被广泛应用于入侵生物学和保护生物学研究,现有建模工具中,MaxEnt是最流行和运用最广泛的生态位模型。然而最近研究表明,基于MaxEnt模型的默认参数构建模型时,模型倾向于过度拟合,并非一定为最佳模型,尤其是在处理一些分布点较少的物种。【方法】以茶翅蝽为例,通过设置不同的特征参数、调控倍频以及背景拟不存在点数分别构建茶翅蝽的本土模型,然后将其转入入侵地来验证和比较模型,通过检测模型预测的物种对环境因子的响应曲线、潜在分布在生态空间中的生态位映射以及潜在分布的空间差异性,探讨3种参数设置对MaxEnt模型模拟物种分布和生态位的影响。【结果】在茶翅蝽的案例分析中,特征参数的设置对MaxEnt模型所模拟的潜在分布和生态位的影响最大,调控倍频的影响次之,背景拟不存在点数的影响最小。与其他特征相比,基于特征H和T的模型其响应曲线较为曲折;随着调控倍频的增加,响应曲线变得圆滑。【结论】在构建MaxEnt模型时,需要从生态空间中考虑物种的生态需求,分析模型参数对预测物种分布和生态位可能造成的影响。     

种子的长距离风传播模型研究进展

 植物种子的长距离传播在物种迁移、生物入侵、保护生物学等领域有重要的生态和进化意义。种子传播有很多方式,开阔草原等地区的草本植物和许多热带和温带的树木都是通过风传播种子的。风传播的方式最适合进行种子长距离传播现象的模拟研究。种子的风传播模型是传播生态研究的一个重要领域,尤其是种子的长距离风传播模型,对于外来入侵植物的扩散和破碎化景观中植物种群的基因交流等生态过程研究举足轻重,然而国内鲜见这方面的研究成果。本文综述了种子长距离风传播现象研究的背景和意义,分析了风传播种子模型的基本形式和构成原理,并分别就现象模型和机理模型的相关研究进展进行了总结,同时指出了未来发展的几个重要方向。种子的风传播模型可以分为现象模型和机理模型两类,现象模型按种子传播核心的形式包括短尾模型、偏峰长尾模型和混合传播核心模型,后两者对于长距离传播数据的模拟可以取得很好的效果。机理模型按照模拟机制可分为欧拉对流扩散模型和拉格郎日随机模型两类。本文重点介绍了种子的长距离风传播现象的形成机理和两类机理模型的参数构成和处理方式。适合种子脱落的天气和适合传播的天气的同步性可能是形成种子长距离风传播的一个重要前提,林缘和地表存在的上升气流及大风和暴风中形成的速度梯度都可能对于种子的长距离传播有重要的作用。机理模型的操作因子主要包括生物方面的因子、气象方面的因子和地形方面的因子。同时对目前几个应用比较成功的机理模型进行了简要的介绍和评价,包括倾斜羽毛模型、对流-扩散-下降模型、无掩蔽模型、背景模型、WINDISPER及其改进模型和PAPPUS模型。最后指出,目前在风传播种子的长距离模型研究中,对草本植物种子的传播模拟的投入明显不如树木种子的长距离传播模拟,对于破碎化景观中种子长距离的风传播的研究还存在很大的差距,而对提高机理模型预测能力的高分辨率物理环境数据输入技术的需求则为多学科交叉提供了很好的机会。     

上海城市空间扩展过程模拟预测的多模型对比

模型模拟预测是开展城市扩展时空过程研究的有效方法之一。本文以上海市为研究地区,选用CLUE-S、LTM和SLEUTH模型并借助GIS技术手段对上海市城市空间扩展进行了模拟预测及结果的对比分析。结果表明:CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型模拟机理有所不同,CLUE-S模型和LTM模型均是首先进行城市扩展需求预测,进而通过对影响因子的综合分析,计算城市空间扩展的可能性(概率),从而实现城市扩展的空间分配;而SLEUTH模型则无需进行城市扩展需求预测,模型直接根据城市扩展的历史轨迹进行模拟预测;CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型模拟的2005年上海城市空间扩展结果与遥感监测结果的一致性程度均较高,其中SLEUTH模型模拟结果精度最高,Kappa系数为0.85,较CLUE-S模型与LTM模型具有一定的优势。2005—2020年上海城市空间扩展的面积为207.7～320.87km2,2020年上海市城市面积将达到1121.96～1235.13km2,未来15年上海城市扩展速率将达到13.85～21.39km2.a-1。CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型各有其优势与不足之处,整合3种模型的优点,研发出具有开放性的综合模型将是未来城市扩展模拟预测的发展趋势。     

寄生对集团内捕食系统中物种入侵的影响

寄生已被证明是影响生物入侵动态的关键因素,可通过直接或间接作用影响物种间相互作用。基于元胞自动机模型,探讨了寄生感染对宿主种群的间接作用(寄生对宿主的密度调节和特征调节效应)在外来种入侵动态中的作用。结果显示,寄生对宿主的3种调节效应均对外来种的入侵起到了抑制作用;同时,相对于密度调节效应,寄生的特征调节对捕食者种群入侵的抑制作用更明显,而两者的耦合调节效应对入侵的抑制能力明显高于单种效应的作用。综上,该研究在一定意义上丰富和发展了生物入侵的理论,为生物入侵的有效控制提供了理论参考。     

应用细胞自动机对一年生植物种群扩散进行理论研究

应用细胞自动机方法构造了用于研究一年生植物扩散的理论模型并应用该模型模拟了一年生植物（杂草）种群在同质环境中的扩散。一年生杂草种子的扩散距离和分布是其种群扩散的主要方式,故本文将其种子扩散分布作为构建邻域细胞函数的基础。根据Howard(1991)^[1]提供的某一年生杂草种子的扩散数据,本文导出了一个25邻的邻域细胞函数和相关的转移函数。建立了一个受控的细胞自动机模型。通过模拟,发现在同质环境中聚集在一起的一年生植物杂草越多就需要越大的控制力才能限制它们扩散;生长于农田边缘的杂草更容易被控制。这些模拟结果表明该模型能较好地表现生态学中的两个众所周知的现象;生物的聚集效应和边缘效应。希望自动机方法和在本文获得的知识将有助于我们制订植物种群的最优管理策略。     

基于智能体模型的青岛市林地生态格局评价与优化

设计并在GIS平台上开发了基于智能体的生态格局评价模型,以青岛市及周边地区林地为研究对象,分析不同林地空间格局及生态网络保护框架对于物种生存与扩散的影响.结果表明,与现状相比,不同等级的生态网络框架对物种种群数量与物种迁移都有明显提升,且等级越高的生态网络框架提升作用越明显.然而仅仅依靠生态网络框架不足以使研究区域林地系统形成功能上的相互连通,因此,在分析研究区域现状土地利用格局基础上,提出与湿地系统结合,在胶州湾周围及大沽河干流地区增加林地的空间布局.通过模型模拟分析,发现优化后的林地空间格局结合生态网络框架能有效提升林地之间的物种扩散.基于模拟结果,为研究区林地生态格局构建提出如下建议:(1)保证现有的规模较大的林地不被破坏;(2)青岛市中部湿地系统可以作为新增林地的理想区域;(3)生态网络框架可作为青岛市建立城市组团间生态间隔的空间参考.