环境DNA技术在鱼类生态学中的应用研究进展

全球渔业衰退是21世纪人类面临的重要挑战之一。为了有效地遏制鱼类资源的衰退,精确的鱼类生态调查是其首要任务。传统的鱼类监测以渔获物采集与形态学鉴定为主,往往耗时耗力且效果不佳,已无法满足现阶段大尺度上的精确调查。环境DNA （eDNA）技术作为一种近年来新兴的鱼类生态调查方法,其与传统方法相比具有灵敏度高、经济高效、采样受限小且对生态系统无干扰的优势,目前其已被广泛地应用于鱼类物种监测、多样性调查、生物量评估以及繁殖活动监测等方面的研究。然而,eDNA技术在鱼类生态学研究的具体应用中暴露出的一些问题将会影响其监测结果的精确性,诸如操作流程的不规范、基因数据库的不完善以及eDNA在环境中生态学过程的不明确等。鉴于上述原因,首先对eDNA技术的发展历程、分析流程以及eDNA技术在鱼类生态学研究领域中的研究进展进行了综述,而后着重分析了eDNA技术的发展当前所面临的困难与挑战,并提出了相应的解决方案,最后对eDNA技术未来在鱼类生态学研究领域中的发展趋势做出了展望。通过本研究,以期能够为eDNA技术在鱼类生态学领域中的准确应用提供理论基础。     

环境DNA metabarcoding及其在生态学研究中的应用

环境DNA metabarcoding(eDNA metabarcoding)是指利用环境样本(如土壤、水、粪便等)中分离的DNA进行高通量的多个物种(或高级分类单元)鉴定的方法。近年来,该方法引起了学者的广泛关注,逐渐应用于生物多样性研究、水生生物监测、珍稀濒危物种和外来入侵物种检测等生态学领域。介绍环境DNA metabarcoding的含义和研究方法;重点介绍环境DNA metabarcoding在物种监测、生物多样性研究和食性分析等生态学领域中的应用;总结环境DNA metabarcoding应用于生态学研究领域面临的挑战并对该方法的发展进行展望。     

动物食性分析在生态学中的应用研究进展——基于DNA宏条形码技术

动物食性分析是动物营养生态学的重要研究手段,可用于解析动物与环境因素的关联性、捕食者与猎物之间的关系,以及动物物种多样性等科学问题。近年来,基于新一代测序技术的DNA宏条形码技术被广泛应用到生态学多个研究领域,极大地促进了生命科学交叉学科的发展。其中,DNA宏条形码技术在动物食性分析中具有高分辨、高效率、低样本量等优势,具有重要的应用前景。综述了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在生态学中的应用研究进展,并进一步总结了DNA宏条形码技术原理和食性分析方法,着重探讨了基于DNA宏条形码技术的动物食性分析在珍稀濒危动物保护、生物多样性监测、农业害虫防治等生态学研究领域中的应用,并对DNA宏条形码技术在动物食性分析中存在的问题及应用前景进行小结与展望。     

草地生态学领域空斑研究进展

空斑(gap)是近几十年来草地生态学领域的重点研究对象之一,在草地植被更新、群落结构和草地生态系统物种多样性维持方面起着重要作用。本文在介绍空斑的概念、功能分类和形成的基础上,总结分析了国内外对空斑的研究现状,发现目前对草地空斑的研究主要集中在空斑大小、空斑类型对物种更新以及空斑对群落结构和物种多样性影响等方面,而对空斑小环境和土壤的研究较少,对空斑内生理生态学、机理和机制性的问题尚缺乏深入探讨;建议在今后加强对空斑内环境变化、空斑内物种的生理生态学特性和物种对空斑更新的响应机制等方面的研究。     

分子生态学研究与动物多样性保护

分子生态学的发展揭开了生物多样性保护研究的新篇章。分子技术的应用克服了传统生态学方法中的一些难题,如野外调查周期长、分辨率有限、实验条件不易控制等。应用各种分子标记（如：RFLP 、VNTR、 RAPD、 DNA测序等）可以分析种群地理格局和异质种群动态、确定种群间的基因流、研究瓶颈效应对种群的影响以及确定个体间的亲缘关系等等。所有这些研究都是指导物种保护和濒危种群的恢复所必需的。种或品系特异性的分子标记技术能够解决形态分类中的模糊现象,确定基于遗传物质的谱系关系,还可以用来分析近缘种间杂交问题。这些问题的解决有助于确定物种优先保护顺序,选择保护地区。近年来引起重视的主要组织相容性复合体（MHC）DNA变异分析可能会在研究种群对疾病的易感性等一系列种群特异性问题方面非常有用。随着分子技术的不断发展,会有更多的保护生物学问题得到解决,尤其是结合野外调查统计数据应用多个分子标记对目标种群进行研究,所得到的结果会更精确,更有说服力。     

基于多源遥感数据的植物物种分类与识别: 研究进展与展望

物种分类与识别是生物多样性监测的基础, 明确物种的类别及其分布是解决几乎所有生态学问题的前提。为深入了解基于多源遥感数据的植物物种分类与识别相关研究的发展现状和存在的问题, 本文对2000年以来该领域的研究进行了总结分析, 发现: 当前大多数研究集中在欧洲和北美地区的温带或北方森林以及南非的热带稀树草原; 使用最多的遥感数据是机载高光谱数据, 而激光雷达作为补充数据, 通过单木分割及提供单木的三维垂直结构信息, 显著提高了分类精度; 支持向量机和随机森林作为应用最广的非参数分类算法, 平均分类精度达80%; 随着计算机技术及机器学习领域的不断成熟, 人工神经网络在物种识别领域得以迅速发展。基于此, 本文对目前基于遥感数据的植物物种分类与识别中在分类对象复杂性、多源遥感数据整合、植物物候与纹理特征整合和分类算法技术等方面面临的挑战进行了总结, 并建议通过整合多时相监测数据、高光谱和激光雷达数据、短波红外等特定波谱信息、采用深度学习等方法来提高分类精度。     

无人机遥感在生态学中的应用进展

无人机与遥感技术的结合,即无人机遥感。与传统的以卫星和有人机遥感相比,无人机遥感具有高时效、高时空分辨率、云下低空飞行、高机动性等优势,是传统卫星和有人机遥感手段所无法比拟的。这些优点使得无人机在生态学和保护生物学等领域获得迅速发展。首先对无人机遥感技术的发展历程、系统组成、分类与选型、应用优势等进行了介绍。在此基础上,对无人机在生态学中的应用案例进行了总结,内容涉及生境监测、植物物候调查、动物监测等方面。最后通过比较国内外相关领域的研究进展对无人机生态学存在的问题(技术门槛较高和法律法规不完善等)和潜在应用前景进行了探讨。     

无人机遥感技术在景观生态学中的应用

野外数据的获取是生态学研究的挑战之一,而通过遥感技术能够实现对地球表面的多面立体观测,获取丰富多样的空间信息数据,开展从微观到宏观不同尺度上的景观单元(包括物种、种群、群落、生态系统等)的空间关系研究。传统卫星遥感影像受空间和时间分辨率的限制,难以满足局域尺度或者时间序列上的景观空间生态学研究需求。无人机遥感技术为生态学研究的野外数据获取提供了一种新方法,以其灵活、高效、简便等特点弥补了传统卫星遥感的空间分辨率低、重访周期长、云雾影响等方面的不足,在景观空间生态学研究中受到越来越多的关注。简要介绍无人机类型及其搭载常见的传感器类型,分别从不同尺度的景观单元,即物种、种群、群落以及生态系统水平上探讨其应用进展,并指出当前无人机技术在景观生态学研究中存在的挑战与困难,同时展望了未来可能的研究热点,以期对今后无人机遥感技术在景观生态学领域的应用研究有所启发。     

隆水蚤科多样性与生态学研究进展

隆水蚤科以其丰富的个体数和多样性成为海洋水体生态系统中极为重要的小型桡足类, 但其分类学和多样性研究仍有较大不足, 其生态功能及在生态系统中的地位存在被低估的可能。为了提升对隆水蚤科的认识, 本文对国际隆水蚤科分类学和物种多样性研究进展、隆水蚤科的物种多样性研究难点和技术发展趋势、隆水蚤科的分布和生态等方面研究进行概述。19世纪末Giesbrecht创建隆水蚤科, 随后该科的新物种不断被发现和描述, 目前已描述115种。中国海仅记录到隆水蚤科物种11种, 相关生态学研究较薄弱。隆水蚤科由于个体小, 许多物种间具有高度的形态相似性, 并且包含很多姐妹种及种内分型, 因此许多研究将传统分类鉴定手段与分子生物学技术相结合, 以提高物种的发现和描述效率。随着研究的不断深入, 有关隆水蚤科物种的分布特征、食性特征、种群特征和行为学特征等均得到不同程度的关注, 这都将提高隆水蚤科研究的广度和深度。随着研究技术的迅速发展以及许多设备先进的科学考察船和载人潜水器被用于海洋研究, 从近海、边缘海到深远海研究的协同发展, 海洋生物样品资源不断丰富, 这将带动我国分类和多样性研究快速发展, 使隆水蚤科的分类学研究不断深入。     

新疆塘巴湖水库底栖动物生态学研究

2008年7月(平水期)、10月(枯水期)和2009年5月(丰水期)对新疆塘巴湖水库底栖动物群落进行了调查.共采集到底栖动物7种,主要属于摇蚊类和颤蚓类,其中以羽摇蚊群为优势种.各期底栖动物现存量存在显著差异(P<0.01),以平水期为最大,密度和生物量分别为280 ind/m2±1.12 ind/m2和0.83 g/m2±0.03 g/m2.不同种类的底栖动物密度在各采样期亦差异显著(P<0.01).相似性指数显示平水期和枯水期底栖动物群落结构中等相似.Shannon-Wiener生物多样性指数表明塘巴湖水库水体达中度污染.     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

遥感技术在鸟类生态学研究中的应用

获取鸟类活动及生境信息是鸟类生态学研究的基础, 而遥感技术弥补了传统野外调查方法的缺陷, 提供了获取多种信息的新途径。应用遥感技术的鸟类生态学研究热点从最初的种群行为观察, 到栖息地选择, 再到生境适宜性、破碎化及人为干扰探究等, 随着技术的不断发展也在扩展和变化。不同波段或组合下的遥感技术各有所长。光学遥感应用广泛, 尤其是信息量较大的红外波段图像和作为野外鸟巢及物种活动监测常用工具的红外相机; 多光谱图像常用于栖息地制图以及地物识别, 高空间分辨率的数据甚至可对鸟类种群进行直接计数; 高光谱数据则可对光谱特征相似的地物进行更为精确的区分和反演; 激光雷达遥感主要用于栖息地植被结构的三维探测, 为了解鸟类栖息地选择提供更好的依据。微波遥感在飞鸟探测上应用颇多, 近年来多极化数据在复杂栖息地精确制图上也具有优势, 但成本较高、解译复杂且推广度较低。在实际应用中, 遥感数据时空尺度的选择会影响研究结果, 部分遥感反演参数也缺乏生态学意义。多源遥感数据的结合应用能够提升制图分类的精度, 实现数据的时空分辨率互补, 优化鸟类生态研究所需参数。未来的遥感技术在鸟类生态学中的应用应致力于提供更加明确的光谱信息、相对简便的解译方法, 以及更为合理的多源数据组合方式等。     

Distribution of alien animal species richness in the Czech Republic

Biogeographical barriers formed by natural forces over billions of years have been substantially disrupted by human activity, particularly in recent centuries. In response to these anthropogenic changes, global homogenization of biota is observed at an ever‐increasing rate, causing environmental and economic losses as well as emerging health risks. Identifying factors underlying alien species richness is essential for prevention of future introductions and subsequent spread. In this study, we examined the effects of environmental and human‐related factors on distribution of alien animal species richness in the Czech Republic (Central Europe). We compiled a set of maps showing the level of invasion of six categories of alien animal species in each of 628 grid cells (ca. 12.0 × 11.1 km) covering the Czech Republic. Relationships between alien species richness and 12 variables characterizing climatic conditions, topography, land cover, and human population size were calculated using the generalized least squares method. Species richness of all alien species, of invertebrates, and of terrestrial species showed the strongest positive relationship with mean annual temperature, while the number of black and grey (proposed prominent invaders) and aquatic species was most closely related to the presence of large rivers. Alien vertebrates showed a strong negative relationship with annual precipitation. The highest alien animal species richness was found in and near large population centers and in agricultural landscapes in warm and dry lowlands. The gateways for alien aquatic species are rather large rivers over sport fishing and aquaculture import. Compiled maps create a powerful visual communication tool, useful in development of programs to prevent future introductions.     

An assessment of animal species diversity in continental waters

There is a need for monitoring the status and trends of freshwater biodiversity in order to quantify the impacts of human actions on freshwater systems and to improve freshwater biodiversity conservation. Current projects carrying assessment of freshwater biodiversity focus mainly on leading-better-known groups such as fish, or identify keystone species and/or endemic freshwater systems for conservation purposes. Our purpose is to complete these existing projects by providing quantitative estimates of species number for all freshwater groups on each continent and/or major eco-regions. This article present the results of the first implementation phase carried out from September 2002 to June 2003 and which addressed only freshwater animal species. The project consisted of: (1) compiling existing data from literature, web sites and museum collections; (2) contacting scientific experts of each group to provide a ‘to the best of their knowledge, estimates of species numbers. In this study, we consider as true freshwater species, those that complete part or all of their life cycle in freshwater, and water-dependant species those that need freshwater for food or that permanently use freshwater habitats. The current order of magnitude for known freshwater animal species world wide is 100 000, of which half are insects. Among other groups, there are some 20 000 vertebrate species; 10 000 crustacean species and 5000 mollusc species that are either true freshwater or water-dependant species. The study highlighted gaps in the basic knowledge of species richness at continental and global scales: (1) Some groups such as Protozoa, nematodes or annelids have been less studied and data on their diversity and distribution is scarce. Because current richness estimates for these groups are greatly biased by knowledge availability, we can expect that real species numbers might be much higher. (2) Continents are not equal in the face of scientific studies: South America and Asia are especially lacking global estimates of species richness for many groups, even for some usually well-known ones such as molluscs or insects. The second phase of the project will address freshwater plants and algae. The present status should be considered as a first sketch of the global picture of freshwater biodiversity. We hope that this project will initiate interactive exchange of data to complete and update this first assessment.     

分子生态学研究与运行多样性保护

分子生态学的发展揭开了生物多样性保护研究的新篇章,分子技术的应用克服了传统生态学法中的一些难题,如野外调查周期长,分辨率有限,实验条件不易控制等,应用各种分子标记（如：RFLP,VNTR,RAPD,DNA测序等）可以分析种群地理格局和异质种群动态,确定种群间的基因流,研究瓶颈效应对种群的影响以及确定个体间的亲缘关系等等,所有这些研究都是指导物种保护和淑危种群的恢复所必要的,种或品系特异性的分子标记技术能够解决形态分类中的模糊现象,确定基于遗传物质的谱系关系,还可以用来分析近缘种间杂交问题,这些问题的解决有助于确定物种优先保护顺序,选择保护地工,近年来引起重视的主要组织人性复合体（MHC）NDA异分析可能会在研究种群对疾病的易感性第一系列种群特异性问题方面非常有用,随着分子技术的不断发展,会有更多的保护生物学问题得到解决,尤其是结合野外调查统计数据应用多个分子标记对目标种群进行研究,所得到的结果会更精确,更有说服力。