不同栖息地状态下外来种入侵及对本地种生存影响的模拟

外来种入侵引起的生态及经济问题日益严重,人类活动导致大规模栖息地持续变化的背景下,外来种的入侵过程及本地物种多样性的演化更为复杂.在Tilman多物种共存模型基础上,建立了栖息地持续变化条件下的外来种入侵干扰模式,分别模拟了栖息地不变、持续毁坏及持续恢复条件下的外来种入侵及对本地物种多样性的生态影响.模拟结果表明:(1)拓殖率小(入侵性弱)的外来种不能成功定殖,栖息地的持续变化对其没有任何影响.(2)拓殖率增大的外来种入侵过程复杂,栖息地持续毁坏导致其灭绝时间相比于栖息地不变时明显推迟,栖息地持续恢复使其灭绝提前;一定时间内持续增加栖息地可以减小此类外来种入侵危害.(3)拓殖率足够大的外来种能够成功定殖,快速定殖-扩散的入侵过程不会因栖息地毁坏而迅速改变,其响应具有时间滞后性;栖息地持续恢复也有利于其迅速蔓延,占有率呈线性疯狂增长.(4)在具有外来种入侵的本地生态系统中,栖息地持续改变(增加或减少)对本地物种多样性的发展均不利.     

不同生境毁坏速度下的物种灭绝机制

已有似Levins的多物种模型,在研究生境毁坏的影响时,一方面主要集中在对瞬间毁坏影响的研究,另一方面主要研究生境毁坏对强物种影响的研究。在Tilman的多物种竞争共存模型的基础上,同时考虑了生境毁坏直接效应和生境毁坏时间异质性,提出了全新的普适的多物种竞争共存的非自治动力模式。通过模拟物种灭绝对不同速度的生境毁坏时间异质性的响应发现：（1）物种灭绝既存在强物种由强到弱的灭绝,也存在弱物种由弱到强的灭绝。同时,弱物种灭绝机制进一步分为弱物种瞬间集体灭绝,以及较长时间由弱到强的灭绝。（2）生境毁坏速度越快,物种灭绝的时间越短,弱物种灭绝的越多,因此,生境毁坏速度越慢,越有利于弱物种的长期续存。（3）最强物种的多度越大,强-强物种抵御生境毁坏的能力越强,而弱-弱物种抵御生境毁坏的能力越弱,集体灭绝的弱-弱物种就越多。最强物种的多度大的群落（如温带森林）,主要发生的是弱-弱物种灭绝,而最强物种多度小的群落（如热带雨林）同时发生强-强和弱-弱物种的灭绝。因此,争对不同结构的集合种群,不同的保护对象,应采取不同的管理策略。     

外来种入侵的不确定性动态模拟

外来种的入侵性和生境的可入侵性是研究生物入侵机制的两个关键因素。总结多数学者的研究成果,认为外来种的拓殖率(迁移率或繁殖率)、死亡率及在新生境中的竞争力是衡量外来种能否入侵成功的内在实质。从全新的角度出发,将引入的外来种看作是对原有生态系统的一种干扰,并在此基础上结合Tilman的多物种共存模型提出了外来种干扰模型。模拟发现外来种在入侵时具有明显的不确定性。拓殖率小的外来种在新的生态系统中由于不能适应环境无法成功定殖,被排斥在系统之外;相反,拓殖率足够大的话,外来种由于自身优势具有很强的入侵性,在几年或几十年的时间内就会成功地在新的环境中建立种群并拓殖入侵,影响了当地物种的生存及原有生态系统的稳定。研究还发现,物种入侵也存在一定的不确定性,入侵不一定会一直持续下去,或许在百年或几百年的时间内入侵种会突然灭绝,原生态系统又恢复到原来的水平。     

物种演化对人类活动作用下不同性质栖息地毁坏的响应

栖息地毁坏是物种多样性减少的首要因素之一, 因此研究物种演化对栖息地毁坏的响应是非常必要的。而栖息地的毁坏又有瞬间毁坏和持续毁坏两种, 以往对栖息地毁坏的研究集中在瞬间毁坏上, 而该文则是通过N_物种 竞争共存模型分析对比了物种演化对栖息地瞬间毁坏和持续毁坏的响应特征。研究发现 :不同性质的栖息地毁坏都会导致物种强弱关系的变化, 并非如通常所认为的强物种将免于遭受物种灭绝的威胁, 也不是强物种首先灭绝, 而是因集合种群结构的不同而异。在热带雨林群落, 瞬间毁坏下物种演化一般经历了强迫适应和恢复上升阶段, 而持续毁坏下物种得不到恢复, 只能持续衰退, 在较长一段时间内持续毁坏比瞬间毁坏更有利于物种的续存 ;而在温带森林群落, 瞬间毁坏下物种演化一般经历强迫适应, 恢复上升和准周期振荡, 最后平衡, 而持续毁坏下物种只能持续衰退, 出现了在栖息地持续毁坏率小于瞬间毁坏率时, 物种的栖息地占有率却小于瞬间毁坏时的占有率。     

物种多样性对栖息地毁坏时间异质性的响应

栖息地毁坏是物种多样性丧失最重要的因素之一.通过多物种竞争共存的非自治动力模型,利用香农多样性指数,研究并比较了不同结构集合种群群落的物种多样性对不同程度和不同速度的栖息地毁坏时间异质性的响应.结果表明:在栖息地瞬间毁坏下,物种多样性先快速下降,之后得到一定程度的恢复,最终在下降中走向平衡;在栖息地持续完全毁坏下,栖息地毁坏速度对物种多样性随累积栖息地毁坏率变化的影响,只有在最强物种多度 (q)较小时比较明显,而在q较大时较小;对于栖息地持续部分毁坏,栖息地毁坏速度只影响物种多样性振荡的幅度,而不影响其变化的最终结果,并且速度越快,物种多样性振荡幅度越大,越不利于群落的稳定.     

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。     

人类活动效应对物种多样性影响的动力模拟——以洪湖湿地生境毁坏对水鸟物种多样性的影响为例

提出了随时间变化的人类活动效应对物种多样性影响的多物种竞争非自治动力模式,并以洪湖为例模拟了湿地水鸟物种多样性对人类活动效应（生境持续毁坏）的响应过程。模拟发现：对于强．强物种,生境的持续破坏使得湿地水鸟的物种多度大幅度减小,并发生优势种群的更替;对于弱-弱物种,将导致大批的弱物种种群迅速灭绝,而余下的弱物种种群将做准周期振荡;尽管停止对湿地生境的持续毁坏,仍会使一批弱物种种群继续走向灭绝,并且使得原来最强的几个种群最终灭绝。物种灭绝对生境毁坏的这种时间滞后性,即破碎的生境中存在着一些“活死者”,必须引起自然保护学家的关注,否则会低估了实际处于灭绝边缘的物种的数目,从而影响正确的物种保护决策的制订。     

集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应

首次将分形几何(Fractal geometry)与元胞自动机(Cellular automata)相结合,研究了破碎化生境中集合种群的空间分布格局动态,以及集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应。研究发现:(1)各个物种种群在生境中的分布具有很好的分形特征,物种的计盒维数(Box dimension)不仅可以很好地反映种群的空间分布结构,也能很好地反映种群动态。(2)如果将空间因素考虑进来的话,生境毁坏的灭绝债务(Time debt)将大于空间隐含模式所模拟的结果。(3)物种灭绝同时存在强物种灭绝和弱物种灭绝。并且只有在生境随机毁坏下,才与空间隐含的模拟结果比较接近,即强物种中将是最强物种率先灭绝。而在边缘毁坏这种比较集中成块的开发方式下,将是较强的物种灭绝。(4)边缘毁坏相对随机毁坏有利于物种,尤其是弱物种的长期续存。     

生境变化对集合种群系统生态效应的影响

通过大量的数值模拟发现 :生境恢复或扩展将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为奇数种群强 -偶数种群弱 ,同时集合种群里的最优秀种群将迅速扩张、发展为更为强大的最优势种。而当生境遭受到破坏 (毁坏 ) ,集合种群里的最优秀种群将迅速地伦为最弱者。如果栖息地的毁坏率大于集合种群优势种对栖息地的占有率 ,不仅集合种群里的优势种群将不可避免地灭绝 ,伴随最优秀种群走向灭绝的种群依次还有第二、第三、第四强等的种群。同时 ,将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为偶数种群强 -奇数种群弱。     

外来植物成功入侵的生物学特征

外来植物的入侵能力与其性状之间的关系是入侵生态学中的基本问题之一.成功的入侵种常常能占据多样化的生境,具有较强的适应性、繁殖力和散布力.表型可塑性和遗传分化是外来入侵植物对生境异质性的两种适应策略;散布体多态型和散布途径多种化,使外来入侵植物迅速占领入侵生境,并进行远距离扩散;无性生殖和有性生殖并存,并根据生境和入侵阶段权衡的繁育对策不仅使入侵种群大面积暴发成为可能,而且直接影响散布机制并对种群遗传结构具有调节作用.高效的资源利用性竞争,加之以化感作用为基础的干扰性竞争使植物更具入侵性.     

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。     

天然杂交与遗传渐渗对植物入侵性的影响

生物入侵给全球生态环境与社会经济都带来了严重危害, 对其入侵机制的研究非常重要。生物入侵是一个适应性进化的过程, 天然杂交与遗传渐渗可以改变外来物种对环境的适应性并提高其入侵能力, 使其进化成为入侵种。因此了解杂交-渐渗在促进生物入侵过程中的遗传作用, 将有助于我们采取有效措施来控制生物入侵及其危害。本文从杂交-渐渗对生物适应性进化和物种形成影响的角度, 阐明外来种如何通过杂交-渐渗在新的生境中改变其适应性、生存竞争能力和入侵能力。杂交-渐渗可以导致物种发生多倍体水平和同倍体水平的进化, 虽然二者的进化过程不尽相同, 但均能使杂种群体在遗传上产生较大变化, 进而影响杂种群体的适合度, 这一过程可能促使外来种在新的生境中的成功入侵进而转变为入侵种。随着转基因生物技术的迅速发展, 大量转基因作物进入环境释放和商品化种植, 具有特定功能的转基因可能通过杂交-渐渗进入野生近缘种群体, 也可能使之成为入侵性强的农田杂草, 带来难以预测的生态后果。总之, 生物入侵是一个复杂的进化和生态过程, 利用杂交-渐渗的理论来解释植物的入侵性, 仅从一个方面反映了入侵生物学的研究, 杂交-渐渗与其他理论的结合, 将从更深的层次来解释外来种的入侵机制。     

新书介绍

生物入侵:中国外来入侵植物图谱(编著者:万方浩,刘全儒,谢明等)内容提要:本书为"生物入侵:中国外来入侵物种"系列图鉴之一。共收录了142种重要的入侵植物,介绍了入侵植物的学名、英文名、中文异名、形态特征、识别要点、生境及危害、控制措施、中国分     

生境变化对集合种群系统生态效的影响

通过大量的数值模拟发现：生境恢复或扩展将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为奇数种群强－偶数种群弱,同时集合种群里的最优秀种群将迅速扩张,发展为更为强大的最优势种,而当生境遭受到破坏（毁坏）,集合种群里的最优秀种群将迅速地伦为最弱者,如果栖息地的毁坏率大于集合种群优势种对栖息地的占有率,不仅集合种群里的优势种群将不可避免地灭绝,伴随最优秀种群走向灭绝的种群依次还有第二、第三、第四强等的种群。同时将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为偶数种群强－奇数种群弱。     

生物入侵的危害与防治对策

生物入侵是一个世界范围的生态学现象。入侵种通过竞争、捕食、改变生境和传播疾病等方式对本地种及其系统产生影响。生物入侵的危害表现为：造成巨大的经济损失,仅美国每年因外来种入侵造成的经济损失近1370亿美元;威胁到人类的健康和生存。成千上万的人被外来种传染疾病以致死亡;引起严重的社会恐慌和动荡,人们寝食不安;改变了生态系统的结构和功能,全球自然灾害频频爆发;导致生物多样性的急剧下降,威胁到子孙后代的生存和发展。防治生物入侵有3条途径：实行全面检疫,阻止外来种的偶然入侵;采取全面的生态评估和监测,防范引进品种的入侵灾难;对已入侵的外来种采用机械法、化学法和生物防治法进行根除和控制,应用生物防治法、筛选天敌和对其进行危害评估时要特别慎重。     

入侵植物的生理生态特性对碳积累的影响

随着国际贸易的发展和人们交往的增加以及全球环境的变化,生物种类在全球扩散的机会也大大增加,从而为生物入侵创造了机会。生物入侵不仅给农林牧生产造成损失,而且具有长期的生态学效应。外来种的成功入侵不是其自身某一个特性决定的,而是其特性与新的生境综合作用的结果。外来入侵种生理生态特性的研究对其预测和防治具有重要的意义。目前对入侵种生理生态特性的研究较少。已有的研究表明,与本地种相比入侵种可能通过提高光合能力、资源利用率、表型可塑性、化感作用,以及降低繁殖成本等增加植株碳积累,促进其入侵。但并不是所有的入侵种都同时具有这些特性。生境不同限制性资源不同,入侵机制就不同。成功的入侵种应该能够高效地利用生境中的限制性资源,并且能够较快地调节自身的生理特性以适应波动的资源环境。     

外来种粗毛牛膝菊在秦巴山区的种群发展动态

外来种能否成功入侵新生境取决于其自身入侵特性(快速生长、足够的繁殖体压力等)和环境因子的作用。原产于热带美洲的粗毛牛膝菊(Galinsoga quadriradiata Ruizpav.)在秦巴山区呈现快速爆发趋势,但其种群发展动态尚不明确。通过监测实验和野外调查,对粗毛牛膝菊种群动态和其对入侵地环境选择的偏好性规律进行了研究。在4块样地中开展的监测研究显示,粗毛牛膝菊种群密度最高可达300株/m~2,单株平均种子产量达675粒,单位面积的种子产量达45619株/m~2,说明其在研究地区已能够产生较大规模的稳定增长的种群,可为种群爆发提供较高的繁殖体压力;其种群密度随着时间呈逻辑斯蒂型下降趋势,且在向繁殖阶段过渡期间个体死亡率最高,暗示着种群可能存在负密度制约效应;对秦巴山区30个野外样地的调查研究显示,粗毛牛膝菊主要入侵农田、撂荒地、路边等受到过人为活动干扰的生境;其在群落中出现的频度与土壤紧实度显著正相关,而与坡度显著负相关,表现出对入侵地环境因子的偏好性。调查结果说明,在这些干扰生境中,粗毛牛膝菊种群更容易在土壤紧实度高、坡度小的地段建立,这将为进一步预测其入侵趋势提供依据。     

集合种群强物种种群的演化特性

大量的数值模拟研究表明;(1)集合种群里最强物种种群对栖息地占有率相对较少时,较小的栖息地毁坏率就可以导致该最强物种种群与其它奇数物种种群一起退化;(2)而最强物种种群对栖息地占有率相对较多则是导致集合种群里弱物种种群集体灭绝的内因;(3)当栖息地的毁坏率大于最强物种种群对栖息地的占有率时,最强物种种群将先灭绝而使得弱物种种群进化为强物种种群或新的更强的强物种种群。     

水盾草—南四湖外来水生植物新记录及其生境特点

外来生物入侵与生境改变被认为是导致全球生物多样性下降的两大主因[1]。其中入侵植物通过营养竞争、植被结构改变、化感作用等,影响土著植物种群和群落,进而影响生态系统结构和功能。水生植物的入侵已成为影响我国淡水水体景观和生物多样性的重要因素[2—4]。水盾草     

基于现代物种共存理论的入侵生态学概念框架

在入侵生态学60多年的发展历程中, 生态学家提出了多种多样的假说来解释生物入侵的机制。这些纷繁复杂的假说在丰富我们对生物入侵认知的同时, 也给入侵生态学概念的整合带来了困难。其中, 外来种和土著种是否存在生态学差异, 以及这种差异如何影响生物入侵, 是入侵生态学研究和争论的焦点问题。现代物种共存理论通过将外来种和土著种的生态学差异划分为生态位差异和适合度差异, 为入侵生态学概念的整合提供了新的视角。依据该理论, 外来种可以通过两种策略实现成功入侵: 一是扩大与土著种的生态位差异, 二是提高自身相较于土著种的适合度优势。因此, 外来种-土著种的生态位差异和适合度差异共同决定了入侵的成败与危害程度。通过对经典入侵假说进行梳理, 我们发现大部分假说都可以在该理论框架下进行解读, 不同假说的主要差别在于强调不同生态学过程对生态位和适合度差异的影响。同时, 这一理论框架很好地解释了为什么外来种-土著种的亲缘关系和性状差异会对生物入侵产生复杂的影响, 为达尔文归化谜团的和解以及外来种-土著种功能性状的比较研究提供了新的思路。目前, 现代物种共存理论还处于快速发展的阶段, 依旧存在很多不足, 但将其运用到生物入侵的实证研究中将是入侵生态学今后一个重要的发展方向。