最大熵原理及其在生态学研究中的应用

最大熵原理(the principle of maximum entropy)起源于信息论和统计力学,是基于有限的已知信息对未知分布进行无偏推断的一种数学方法.这一方法在很多领域都有成功应用,但只是近几年才被应用到生态学研究中,并且还存在很多争论.我们从基本概念和方法出发,用掷骰子的例子阐明了最大熵原理的概念,并提出运用最大熵原理解决问题需要遵从的步骤.最大熵原理在生态学中的应用主要包括以下方面:(1)用群落水平功能性状的平均值作为约束条件来预测群落物种相对多度的模型;(2)基于气候、海拔、植被等环境因子构建物种地理分布的生态位模型;(3)对物种多度分布、种一面积关系等宏生态学格局的推断;(4)对物种相互作用的推断;(5)对食物网度分布的研究等等.最后我们综合分析了最大熵原理在生态学应用中所存在的争议,包括相应模型的有效性、可靠性等方面,介绍了一些对最大熵原理预测能力及其局限性的检验结果,强调了生态学家应用最大熵原理需要注意的问题,比如先验分布的选择、约束条件的设置等等.在物种相互作用、宏生态学格局等方面对最大熵原理更广泛的讨论与应用可能会给生态学带来新的发展机会.     

生态学代谢理论: 基于个体新陈代谢过程解释物种多样性的地理格局

新陈代谢是生物的基本生理过程。生态学代谢理论(metabolic theory of ecology)基于生物个体大小和环境温度对个体新陈代谢过程的影响, 使用尺度推移(scaling)的方法来解释多种生态学格局和过程。James Borwn等将这一理论用于解释物种多样性的大尺度格局, 并从机制上解释了物种多样性与环境温度的关系。这一理论提出了两个明确的预测: (1)物种多样性的对数与绝对温度的倒数之间呈线性关系; (2) 这一线性关系的斜率为–0.6至–0.7。这一理论自提出以来, 饱受争议, 经过了正反两方面经验数据的检验, 目前仍未形成一致的结论。虽然这一理论仍面临着一些有待解决的问题, 但它以崭新的思路和方法有别于以往的基于统计学方法的研究。人们过去对该理论的实证检验忽略了两个重要的约束条件, 即除温度以外的环境条件处于理想状态和群落处于平衡状态, 而这两个约束条件是理解该理论的基础。本文对生态学代谢理论的理论框架、预测和含义, 以及以往的检验结果进行阐述, 在此基础上提出了作者对该理论的若干认识和未来研究中应考虑的若干问题。     

DNA宏条形码技术在海洋浮游动物多样性和生态学研究中的应用

浮游动物是海洋生态系统的关键类群,其覆盖门类广泛,多样性高。传统形态鉴定技术需要检测人员具备专业的形态鉴定知识,且费时费力。宏条形码技术无需分离生物个体,而是提取拖网采集到的浮游动物混合样本的总DNA,或者水体中的环境DNA （eDNA）,依托高通量测序平台测序,能够实现对大规模样本快速、准确、经济的分析,在海洋浮游动物生态学研究中得到越来越广泛的应用。分析了DNA宏条形码技术常用的核糖体和线粒体分子标记,在浮游动物多样性和数量研究中的可靠性和不足,并给出在海洋浮游动物群落监测,食物关系分析及生物入侵早期预警等研究中的应用。未来,开发多基因片段组合条形码,发展完备的参考数据库及实现准确的量化研究是DNA宏条形码技术发展的重要方向。     

中国稀危植物永瓣藤生态学特征研究

永瓣藤（ＭｏｎｉｍｏｐｅｔａｌｕｍｃｈｉｎｅｎｓｅＲｅｈｄ．）是卫矛科（Ｃｅｌａｓｔｒａｃｅａｅ）的一个中国特有单型属植物,被列为国家二级稀有濒危保护树种［３,４］。对其生态学基本特征和致濒生态因素的研究有着极为重要的意义,是进行生物多样性保护及恢...     

集合群落(metacommunity)研究动态

由于人类活动等原因,自然生境在日益丧失和破碎化。因此,集合种群结构作为空间生态学的一个重要的研究途径越来越受到人们的重视,而斑块化环境中的生物群落即集合群落也成为生态学的一个研究热点。文中综述了集合群落动态,群落物种丰富度和物种分布,生境的丧失和破坏对集合群落的影响等的最新研究成果。     

宏蛋白质组学信息分析的基本策略及其挑战

宏蛋白质组学是一门新型科学,它运用质谱技术规模化地采集自然界微生物种群的蛋白质信息,并结合多种组学数据,开展微生物种群的遗传特征及其生物功能的研究.宏蛋白质组学的信息分析与传统蛋白质组学方法有较大的不同,亟需拓展新的分析思路.由于宏蛋白质组的研究对象是复杂度极高的微生物样品,因此,需要构建尽可能囊括样本中所含微生物的基因组信息的物种数据库.面对庞大的数据库,必须考虑到分析过程中所消耗的计算资源和鉴定结果的质控标准,因此,需要高度优化库容量、搜库、假阳性控制等参数.鉴于宏蛋白质组数据中广泛存在复杂的同源蛋白质序列,因此,需要充分利用NCBI数据库中的分类信息进行匹配,并运用LCA算法过滤处理才能将蛋白质有效地归组到物种.本文立足于宏蛋白质组学信息分析,从宏蛋白质组的数据库建立、蛋白质归并、生物学意义发掘等几个方面着手,对该领域的发展现状、面临挑战以及未来研究方向进行了评述.     

大别山黏菌的物种多样性调查

为揭示大别山黏菌的物种组成和分布特征,在2020年8月至2022年9月期间,作者先后对大别山21个自然保护区和国家森林公园进行了黏菌物种调查。通过野外采集和基物湿室培养,获得黏菌标本984份。按照形态分类学鉴定为6目13科32属93种,其中, 11种为丰富种(相对多度RA> 3%), 8种为常见种(RA=1.5%–3%), 30种为偶见种(RA=0.5%–1.5%), 44种为稀有种(RA<0.5%)。苔生高杯菌(Crateriummuscorum)和易碎双皮菌(Didermafragile)在我国现仅知分布于大别山,掌状夹被菌(Ophiothecapedata)、草生发网菌(Stemonitisherbatica)、环壁团毛菌(Trichiavaria)等48种首次在大别山报道。丰富度分析表明,大别山不同调查地点、林型和基物类型的黏菌物种数量和种属比存在差异,大别山区域的河南董寨自然保护区黏菌物种数量高于其他地点,发现黏菌41种,种属比为1.95,特有种为3种;针阔混交林中的黏菌物种数量高于针叶林和阔叶林两种单一林型,生长黏菌81种,种属比为2.89,独有种有28种;生长...     

我国苦草属(Vallisneria L.)植物的生态学研究

苦草是水鳖科(Hydrocharitaceae)苦草属(Vallisneria)沉水草本植物,无直立茎,叶基生,线形或带形,常被称为扁担草、蓼萍草、水韭菜、面条草、扁子草和鸭舌条等,广泛分布于世界各地。本属植物有6～10种〔1,2〕,我国的苦草属植物依《中国植物志》第8卷有3种——苦草(V.natansHara)、刺苦草(V.spinulosaYan)和密刺苦草(V.denseserrulataMakino),而没有V.spiralisL.,VasiaticaMiki和V.giganteaGraebner等种〔1〕。本文苦草属植物的命名以《中国植物志》第8卷为准,引用文献一般尊重原作者的意见。下文中,无具体说明,苦草均为苦草属植物的通…     

微生物分子生态学研究方法的新进展

环境中微生物的群落结构及多样性和微生物的功能及代谢机理是微生物生态学的研究热点,长期以来,由于受到研究技术的限制,对微生物的群落结构和多样性的认识还不全面,微生物的功能及代谢机理方面了解也很少.随着高通量测序、基因芯片等新技术的不断更新,微生物分子生态学的研究方法和研究途径也在不断变化.高通量测序技术改变了微生物多样性、宏基因组学和宏转录组学的研究方法,GeoChip高密度覆盖海量已知功能的基因探针于单张芯片,能快速确定微生物和已知功能基因的存在与否.总结和比较了目前最新的研究手段,并归纳了这些方法的适用性和优缺点.     

中国暖温带若干灌丛群落多样性问题的研究

 暖温带灌丛的生物多样性的研究表明：1．灌丛群落的均一度指数同优势度指数的相关性较丰富度指数同变化度指数的相关性为高;在众多的多样性指数中,D4(Shannon信息度指数)和D6(Gini指数)因最大限度地包含了其它各类多样性指数的信息而被采用。2．灌丛群落的物种多样性指数值随着演替的进行,没有表现出降低的趋势。3．生物多样性较高的荆条灌丛和辽东栎萌丛的物种多度分布是对数分布,而生物多样性较低的鬼见愁灌丛和毛榛灌丛的物种多度分布是几何分布,处于中间的三桠绣线菊灌丛的物种多度分布是Broken-Stick分布;没有正态对数分布类型。     

化学灭鼠对长江流域农区鼠类群落结构的影响

长江流域农业生态系统内,农田的主要害鼠为褐家鼠、黑线姬鼠、黄胸鼠、小家鼠、东方田鼠等,各地的鼠种组成有所不同,优势鼠种也因地而异。农房区的害鼠主要有褐家鼠、小家鼠、黄胸鼠3种,优势鼠种各地亦有区别。但经化学灭鼠后的残留鼠种却有一共同的特点：灭鼠活动对褐家鼠种群的打击最大,灭后褐家鼠种群密度下降幅度最大;相对而言,小型鼠黑线姬鼠（农田区）与小家鼠（农舍区）及栖息在房屋上层的黄胸鼠,常成为灭鼠活动后的主要残留鼠种。化学灭鼠后鼠类群落结构比灭前都要发生较大的变化,这种差别中维持3a左右,但经过3-4a左右的恢复后,灭鼠区的鼠类群落组成与相似环境内自然演变区的已达基本一致。可见,化学灭鼠活动可以在短时间内对害鼠群落结构造成重大的影响,从长期看,害鼠群落的演变有着自身的规律,灭鼠后一定时期,鼠类群落结构将恢复到环境所决定的水平,灭鼠区的长期演替结构仍与相似环境内未灭鼠区的一样。     

历山自然保护区猪尾沟森林群落植被格局及环境解释

应用TWINSPAN、DCA和DCCA,从植物种,植物群落与环境的生态关系方面,研究历山自然保护区猪尾沟森林群落的植被分布格局,并给予合理的环境解释。结果如下：（1）采用TWINSPAN数量分类方法,将植被划分为9个群落类型。（2）对于特定的研究区域猪尾沟,制约森林群落类型,植物种分布格局的主要因素是海拔梯度,即水、热两个环境因子。（3）DCCA排序图明显反映出排序轴的生态意义,第一轴基本上突出反映了各植物群落所在环境的海拔梯度,即热量因素,沿第一轴从左到右,海拔逐渐升高,植物群落或植物种对热量要求降低;第二轴主要表现了各植物群落或植物种所在环境的坡度,坡向,即水分和光照因素,沿第二轴从下到上,坡度渐缓,坡向渐向阳。     

宁夏回族自治区沙坡头地区半荒漠土壤中藻类的垂直分布

对沙坡头地区半荒漠土壤中藻类植物的垂直分布进行了为期一年多的采样、分析,结果发现结皮层有藻类植物24种,蓝藻及其丝状种类的比例最大;结皮下0-50mm和50-100mm层次分别有15种、10种,且都以硅藻及细胞种类丰富;深层次出现的种类在浅层次都出现;100mm以下层次没有任何藻种发现。生物量从表及里随深度的增加而锐减,99％的分布在结皮层;就结皮层中78％的在0-0.1mm层次,96％在0-1.0mm深度。种类数变化在结皮层和结皮下0-50mm层次都与降水量相关,而结皮下50-100mm层次基本不变。     

水稻纹枯病菌营养及寄主资源生态位

由于IPM概念的局限性,有害生物生态调控（EPM）理论和方法的提出发展了IPM,生态位原则是有害生物生态调控（EPM）的重要原则之一,生态位研究为EPM的具体实施提供了依据。应用可持续农业和EPM理论及生态位理论研究了水稻纹枯病的生态位,分析了水稻纹枯病菌氮肥营养生态位和寄主品种资源生态位,结果表明：以相对侵染效率作为指标,在水稻不同生育期,纹枯病的氮肥营养生态位宽度不同,其中以孕穗期的生态位宽度最小,为0.6979,拔节期、抽穗期、灌浆期和乳熟期的生态位宽度分别是0.9741,0.8884,0.7974和0.9815,表明水稻纹枯病在水稻不同生育阶段利用氮肥的效能不同。寄主品种资源生态位宽度在拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期分别为0.9348,0.7677,0.8875和0.9962。以病情指数为指标,氮肥营养生态位宽度在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和乳熟期分别为0.9379,0.9696,0.6775,0.6729和0.7691。其氮肥营养生态位宽度在拔节期与孕穗期最大,生态位宽度指数接近于1。寄主品种资源生态位宽度在各生育期均接近1,表明寄主品种资源生态位宽度在各生育期是相似的,即说明水长期稻纹枯病菌利用品种资源各状态的选择和利用效能是相似的。     

低温敏核不育水稻go543S育性对温、光的反应

以新型光温敏核不育（PTGMS,Photo-thermo sensitive genic male sterile)水稻go543S为材料,通过自然生态条件下和人工温、光处理条件下的育性观察,对其育性转换与温度和光周期的关系进行了研究。结果表明：go543S育性主要受温度控制,表现为低温条件下不育,高温条件下可育,育性转换的不育临界温度值为29．5℃,对温度传感的部位是幼穗,敏感时期为花粉母细胞形成致减数分裂,对应的剑叶叶枕距变化范围为－12．2－＋0．7cm;育性敏感期在人工恒温28．0℃条件下,无论长日（14－16h）或短日（10－12h）处理均表现不育,其不育性不受光周期影响,在人工恒温31.5℃条件下,无论长日还是短日处理均表现可育,但短日可明显提高其可育性。     

栗斑腹鵐的栖息地和巢址选择

于 1 999到 2 0 0 1年 5月至 7月连续 3a在吉林省镇赉县大岗林场 ,采用样地法和样方法 ,对栗斑腹的栖息地选择和巢址选择进行了研究。结果表明 :此鸟的繁殖是在草甸草原 杏树环境下进行的 ,对栖息地样方和对照样方的对比分析得出 ,杏树最大高度、5 0 m半径圆内杏树数量、贝加尔针茅数量、大油芒数量、植物盖度、火绒草平均高度、贝加尔针茅最大高度、兴安胡枝子平均高度 8个因子是影响其栖息地选择的主要因子。通过对 46个巢的研究发现 ,大多数栗斑腹把巢建在贝加尔针茅下面 ,巢出入口方向多为东南 45°和西南 45°。对 46巢的 2 7个因子的主成分分析 ,结果发现植物盖度、火绒草高度、鸢尾数量、巢出入口方向、1 0 m内杏树数量、30 m内杏树数量、裸地面积这 6个因子是巢址选择的主要因子。对 46巢 2 6个巢址和非巢址因子进行判别分析 ,植物盖度、大油芒、乳浆大戟高度、石竹数量、线叶菊高度和 30 m内杏树数量等 6个因子 ,为巢位选择的主要因子。两种分析结果基本相似。总之 ,栗斑腹喜欢在植被盖度大、杏树相对多、贝加尔针茅和大油芒的密度大、食物资源丰富的区域内营巢。     

沙坡头地区生物结皮覆盖区土壤种子库组成及垂直分布特征

采用野外随机取样和室内萌发试验相结合的方法,对沙坡头人工植被区的藓类结皮、地衣结皮和裸沙覆盖区土壤种子库的组成及垂直分布特征进行了研究。结果表明:1)人工植被区土壤种子库的物种组成简单,以1年生草本为主,相较于裸沙,两种生物结皮的存在显著增加了土壤种子库的密度(P0.01),但降低了土壤种子库的物种多样性及其与地上植被的相似性;2)两种生物结皮覆盖区土壤种子库的总密度虽无显著差异,但在0—2 cm土层中,地衣结皮土壤种子库的密度显著高于藓类结皮(P0.05),而在2—5 cm和5—10 cm土层中,藓类结皮土壤种子库的密度高于地衣结皮,但差异不显著;3)不同生物结皮覆盖区土壤种子库的垂直分布特征存在差异,藓类结皮覆盖土壤中有活力的种子主要分布在0—5 cm土层中,而地衣结皮和裸沙覆盖土壤中有活力的种子主要分布在0—2 cm土层中,且随着深度的增加,土壤中有活力的种子急剧减少。该研究表明,相较于裸沙,生物结皮的存在不仅增加了土壤种子库的大小,还改变了土壤种子库的垂直分布格局。生物结皮层下仍有相当比例有活力的小种子,这些种子欠缺萌发条件,对地上植被的贡献作用较小,但它们的存在对荒漠生态系统健康及可持续发展具有重要意义。     

宁夏黄土丘陵区不同生态恢复生境地表甲虫多样性

为了解宁夏黄土丘陵区不同生境地表甲虫群落多样性变化规律及与环境因子的关系, 并探讨不同生态恢复措施对维持地表甲虫群落多样性的影响, 2013年7-8月, 作者利用陷阱法调查了该区6种生境内的地表甲虫群落多样性。结果表明: 灌草混交林地、乔灌混交林地、生态薪炭林地中地表甲虫物种丰富度和个体数量均较高, 天然封育草地、生态经济林地和水平农田中物种丰富度较低, 生态经济林地和水平农田中甲虫个体数量显著高于天然封育草地。不同生境间, 灌草混交林地、乔灌混交林地与生态薪炭林地之间、生态经济林地与水平农田之间甲虫群落组成相似性较高。多元回归分析表明, 草本层生物量、灌木层盖度及土壤含水量是影响甲虫物种丰富度的决定因素, 林冠层盖度和枯落物厚度是决定地表甲虫个体数量的重要因素。CCA分析表明, 枯落物盖度、枯落物厚度、林冠层盖度及草本层盖度是影响地表甲虫群落组成的重要环境因子。研究表明, 灌草混交林地为地表甲虫群落多样性维持较好的生境类型, 是宁夏黄土丘陵区典型生态恢复的最优模式。     

宁夏沙坡头自然保护区鱼类多样性

1998~1999年和2002~2004年对宁夏沙坡头自然保护区的鱼类进行调查,经鉴定有鱼类18种,隶属3目5科17属,鲤形目占83.33%。其中人工养殖的有4种,鳙(Aristichthys nobilis)、鲢(Hypophtlmichthysmolitrix)、草鱼(Ctenopryngodon idellus)和团头鲂(Megalobrara amblycephola)。沙坡头地区的野生鱼类种类较少,但组成复杂,由江河平原、古代第三纪、北方平原、中亚山地和印度平原5个鱼类区系复合体组成,其中以江河平原复合体和古代第三纪复合体为主。沙坡头鱼类组成的复杂原因主要是:(1)养渔业的干扰;(2)保护区的地理位置;(3)历史因素。     

宁夏回族自治区森林生态系统固碳现状

根据宁夏回族自治区森林资源清查资料以及野外调查和室内分析的结果,研究了宁夏地区森林生态系统固碳现状,估算了该区森林生态系统的碳密度、碳储量,并分析了其空间分布特征.结果表明: 宁夏森林各植被层生物量大小顺序为: 乔木层(46.64 Mg·hm^-2)>凋落物层(7.34 Mg·hm^-2)>细根层(6.67 Mg·hm^-2)>灌草层(0.73 Mg·hm^-2).云杉类(115.43 Mg·hm^-2)和油松(94.55 Mg·hm^-2)的单位面积植被生物量高于其他树种.不同林龄乔木层碳密度中,过熟林最高,但由于幼龄林面积所占比例最大,其乔木层碳储量(1.90 Tg C)最大.宁夏地区森林生态系统平均碳密度为265.74 Mg C·hm^-2,碳储量为43.54 Tg C,其中,植被层平均碳密度为27.24 Mg C·hm^-2、碳储量为4.46 Tg C,土壤层碳储量是植被层的8.76倍.宁夏地区的森林碳储量整体呈南高北低分布,总量较低.这与其森林面积小和林龄结构低龄化有很大关系.随着林龄结构的改善和林业生态工程的进一步实施,宁夏森林生态系统将发挥巨大的固碳潜力.