物种相异性(species dissimilarity)主要反映了群落物种组成的时空变化,其与随机和确定性因素之间的关系能揭示群落构建及生物多样性形成和维持的机理.本文以独龙江流域植物群落为研究对象,以群落间Jaccard物种相异性指数为指标,分析它同地理距离、气候和海拔差异之间的关系及各类因子影响的权重.结果表明,群落间Jaccard物种相异性指数变化范围为0.42-1,且随自然对数转换的地理距离、海拔和气候差异(多年日平均温度,年平均降水量)的增大而呈显著的线性增加趋势;地理距离、气候差异和海拔差异可以解释独龙江流域群落物种相异性指数将近30％的变异.地理距离单独解释度为18.80％,气候差异和海拔差异分别可以解释3.47％和0.10％.研究结果表明,独龙江流域群落物种在空间上的更替是环境限制和扩散限制综合作用的结果.群落间物种相异性较大,且影响物种更替的因素中地理距离占有较大的权重,说明在对该地区进行生物多样性保护时,在综合考虑环境因素影响的基础上,还应充分考虑地形的阻隔作用和繁殖体扩散能力的大小.

Beta多样性用来衡量集群内物种组成的变异性,可以被分解为空间物种转换和物种集群镶嵌两个组分,是揭示群落构建机制的重要基础.目前开展了较多的地上生态系统beta多样性研究,然而地下生态系统beta多样性进展缓慢.以小兴安岭凉水和丰林自然保护区为研究地区,于2015年8、10月采用陷阱法对阔叶红松林进行调查,揭示地表甲虫(步甲科、隐翅虫科、葬甲科)的beta多样性.结果表明:(1)凉水共发现39种、856只地表甲虫,丰林共发现43种、1182只地表甲虫.8月凉水明显具有较高的全部甲虫(三个科的总和)物种多样性和丰富度,10月正好相反.(2)凉水和丰林之间地表甲虫beta多样性的差异仅发现于8月的步甲科和葬甲科之间.(3)凉水和丰林地表甲虫的beta多样性主要由空间物种转换组成,物种集群镶嵌对beta多样性的贡献很小,说明地表甲虫物种组成变异主要由本地物种之间较高的转换引起.研究表明小兴安岭阔叶红松林地表甲虫的beta多样性主要由空间物种转换组成,在揭示群落构建机制过程中,其内部物种交换和环境调控不容忽视.

全球气候变化和人类活动干扰的加强,对全球生物多样性造成了前所未有的干扰和破坏.近年来随着我国东部沿海的人口经济快速增长、资源需求进一步增大,生物多样性保护面临着巨大的挑战,进而影响地区经济和生态环境的可持续发展.在区域尺度上评估我国滨海湿地生态系统生物多样性空间格局及其变化特征,对于科学认识和合理保护滨海湿地生态系统生物多样性,和制定生态环境保护决策具有十分重要的意义.以渤海沿岸湿地生态系统生物多样性为研究对象,通过InVEST模型,和物种丰富度指数,评价了该地区生物多样性现状及其变化.结果表明:(1)渤海沿岸湿地生态系统主要以水库坑塘为主,其次为草本沼泽.在2000-2010年期间,渤海沿岸湿地生态系统总面积几乎不变,主要为草本沼泽和水库坑塘之间的转换.(2)湿地生物多样性较高的区域主要分布在辽东湾中部、渤海湾东南部和莱州湾西北部.由于城市化进展的加快,人类活动的干扰加强,近10年来,渤海沿岸湿地生境质量逐渐降低,生物多样性呈退化趋势.频繁的人类活动对该地区湿地生物多样性产生巨大的负面影响,应多建立自然保护区加以保护.(3)生物多样性变化热点区主要分布在渤海湾东南部和莱州湾西北部.冷点区域主要集中在渤海湾的中北部.在渤海湾东南部和莱州湾西北部的变化热点区内,生物多样性呈改善趋势,说明有效的生态系统转换和湿地保护区的建立,可以实现发展与保护共存,达到了双赢的效果.

植物性状(Plant trait)或植物功能性状(Plant functional trait)通常是指植物对外界环境长期适应与进化后所表现出的可量度、且与生产力优化或环境适应等密切相关的属性.近几十年来,植物性状研究在性状-生产力、性状-养分、性状间相互关系、性状-群落结构维持等方面取得了卓越成就.然而,由于大多数性状调查都是以植物群落内优势种或亚优势种为对象,使其在探讨群落尺度的性状-功能关系、性状数据如何用于改进或优化模型、性状数据如何与遥感连接等问题时,存在空间尺度和量纲不匹配的极大挑战.为了破解上述难题,亟需发展新的、基于单位土地面积的群落性状(Community trait)概念体系、数据源和计算方法等,推动植物性状数据与快速发展的宏观生态学新技术(遥感、模型和通量观测等)相结合,既拓展了植物性状研究范畴,又可推动其更好地服务于区域生态环境问题的解决.所定义的群落性状(如叶片氮含量、磷含量、比叶面积、气孔密度、叶绿素含量等),是在充分考虑群落内所有物种的性状实测数据,再结合比叶面积、生物量异速生长方程和群落结构数据等,推导而成的基于单位土地面积的群落性状.受测试方法的影响,传统的直接算术平均法或相对生物量加权平均法所获得的群落水平的植物性状(如叶片氮含量g/kg或％),虽然可以有效地探讨群落结构维持机制,由于无法实现对群落性状在量纲上向单位土地面积转换,使它很难与模型和遥感数据相匹配.基于单位土地面积的群落性状,可在空间尺度匹配(或量纲匹配)的前提下实现个体水平测定的植物性状数据与生态模型和遥感观测相联系,更好地探讨区域尺度下自然生态系统结构和功能的关系及其对全球变化的响应与适应.同时,它也可更好地建立群落水平的性状-功能的定量关系(非物种水平),为更好地探讨自然群落结构维持机制和生产力优化机制提供了新思路.

理解植物群落组成结构的演化对于阐明荒漠化的过程与驱动机制、制定有效的干旱区生态系统恢复措施具有重要价值.研究干旱区植物群落的空间格局的演化过程有助于深入理解荒漠化和生态恢复的过程与机理.目前大量研究关注于植被退化过程中的群落组成结构变化,而对于生态恢复过程中的植物群落空间格局演化的研究尚不多见.干旱区生态系统中植物通常较为稀疏且个体较小,准确提取植物的分布往往需要分辨率极高的遥感数据.近年来,低空无人机遥感技术的快速发展为精细尺度上植被空间格局的研究提供重要技术支持.利用2 cm空间分辨率的低空无人机遥感数据结合地面群落调查,在精细尺度上研究了宁夏沙坡头草方格生态恢复区内植物群落的空间格局变化.研究结果表明,沙坡头地区草方格生态恢复工程实验区域,相对于未实施生态恢复工程的裸露沙丘区域,植物物种多样性和植被盖度显著提高.恢复工程实施4年后,平均植被盖度增加3倍,物种丰富度增加1倍.在植被恢复过程中,随着植被盖度的增加,植被斑块表现出规模上升、破碎化程度下降、形状复杂化、空间自相关减弱等格局特征变化.这些空间格局特征的变化表明大型植被斑块趋于恢复,整体微环境的改善有利于单独生长的植物个体存活,整体上生态系统退化为裸地的风险降低.利用低空无人机遥感手段,对草方格生态恢复工程的植被恢复过程进行了详细、高分辨率的空间格局调查及分析,结合地面群落调查,从多个方面证明了草方格生态恢复措施的有效性.基于无人机的系统格局连续长期监测有助于深入理解干旱区生态恢复机理,对于科学开展荒漠化生态恢复措施也具有重要价值.

研究选取长江中游5个采样点(宜昌、枝江、荆州、汉南、湖口)为代表,采用系统发育群落结构方法分析了不同空间尺度下长江中游鱼类群落的构建机制.结果 表明:(1)空间聚类分析显示,在65％的相似性水平上,所有样点可以划分为3个Group: Group Ⅰ(宜昌)、Group Ⅱ(枝江+荆州)和Group Ⅲ(汉南+湖口);在55％的相似性水平上,所有样点可以划分为2个Group: Group A(宜昌)和Group B(枝江+荆州+汉南+湖口),且聚类分析结果与采样点的空间分布相符合.(2)在不同空间尺度下,鱼类群落构建机制存在差异:从地区采样点尺度来看,荆州江段鱼类群落表现为竞争作用主导群落构建,其余采样点鱼类群落均为环境过滤作用;从区域尺度来看,宜昌江段鱼类群落表现为环境过滤作用的建群机制,其余4个采样点在扩大空间尺度后,即分为GroupA和Group B的情况下,其鱼类群落构建机制转变为物种间竞争作用.因此,长江中游干流鱼类群落构建机制表现了地区环境和空间尺度的共同作用.由于水流湍急,宜昌始终表现为环境过滤作用.其他江段在采样点尺度多数表现了环境过滤作用,但是在宏观的空间尺度上,却由于空间异质性的增加,容纳了远缘的物种,群落构建机制转换为竞争作用.这样的转变有别于陆生植物中由小尺度竞争作用转为大尺度环境过滤作用的情况.

人为活动干扰纵向与横向水文连通性,对全球景观的生态完整性造成威胁.全球大型河流的洪泛区,包括中国最大的河流长江,都面临着水文连通性下降而造成的生物多样性灾难性损失.了解水文连通性如何影响生物在生境之间的扩散潜力,对于恢复和维持区域和局地生物多样性至关重要.评估了水文连通度对西洞庭湖大型底栖动物群落的影响.沿连通性梯度对54个地点进行了采样,包括河流27个样点,连通湖泊9个样点,阻隔湖泊9个样点和改造洲滩9个样点.结果 表明,丰富度,Shannon-wiener指数和Margalef指数等α多样性指数之间存在显着差异(P＜0.05),其中连通湖泊与阻隔湖泊的丰富度与丰度较高.连通性最低的改造洲滩α与β多样性最小.更重要的是,丰富度替换是造成河流、连通湖泊和阻隔湖泊中群落组成变化的主要因素,这表明在扩散限制下的中性动态可能是塑造这些生境中底栖动物群落的主要过程.但是,在改造洲滩中,嵌套的重要性很高,可以与丰富度替换相提并论,这反映了在这种不利的环境中,由于生态位分化而导致物种消失的非随机过程.广义线性模型证实,大型底栖动物群落组成空间转换的关键驱动力是水文连通性.研究表明,维持水文连通对于维持洪泛区生态系统的生态完整性至关重要.

在全球气候变暖背景下,冷水性鱼类的温度适应性备受关注.秦岭细鳞鲑(Brachymystax lenok tsinlingensis)是目前世界上分布最南端的两种鲑科鱼类之一,为国家Ⅱ级重点保护水生野生动物.尽管温度是决定该物种生存与分布的关键因子,然而其热生物学相关研究至今鲜见报道.研究考察了驯化温度(6℃、12℃和18℃)和重复测定对秦岭细鳞鲑生态相关的重要指标如快速启动反应、游泳性能及力竭后代谢特征的影响.结果 发现:(1)快速启动反应时滞(Latency time,Tlatency)随温度升高而变短(P＜0.05),但温度和重复测定对反应率(Reaction rate,R)无显著影响(P＞0.05);(2)温度对步法转换速度(Gait transition speed,Ugait)和匀加速游泳速度(Constant acceleration test speed,Ucat)影响显著(P＜0.05),重复测定对Ugait和Ucat无显著影响(P＞0.05);(3)温度对日常代谢率(Routine metabolic rate,RMR)和最大代谢率(Maximum metabolic rate,MMR)影响显著(P＜0.05)、对代谢空间(Metabolic scope,MS)无显著影响(P＞0.05),重复测定对MMR和MS均无显著影响(P＞0.05);(4)低温驯化方向(6-12℃)生理参数的Q10值较大,而高温驯化方向(12-18℃)生理参数的Q10值较小.研究结果提示:(1)高温下秦岭细鳞鲑快速启动反应更为迅速,但该物种对低强度机械刺激主要采用静息而非逃逸的策略;(2)秦岭细鳞鲑游泳性能对温度变化的敏感性较高,游泳性能的最适温度估计介于12-18℃之间;(3)秦岭细鳞鲑具备较好的代谢恢复与重复运动能力,但总体上游泳性能较弱,可能易受生境水温和水流环境变化的限制.

为了阐明蚂蚁巢穴对其他地表节肢动物群落组成和多样性的影响,于2019年在胜山自然保护区的原始阔叶红松林内开展实验,并采用陷阱法收集地表节肢动物.共捕获地表节肢动物92266只,分别为蜈蚣目、盲蛛目、马陆目、蜘蛛目,大头蚁属和步甲科、隐翅虫科、葬甲科这8个类群;蚂蚁巢穴存在及到蚂蚁巢穴的不同距离对其他地表节肢动物个体数量存在显著影响,其影响因类群而异.蚂蚁巢穴对蜈蚣和蜘蛛有促进作用,对盲蛛、马陆和步甲科类群有抑制作用,对葬甲科与隐翅虫科无显著影响;对照样地和距蚂蚁巢穴较远群落的Shannon指数、Pielou指数和Simpson指数更高;蚂蚁巢穴样地群落Beta多样性更高,且Beta多样性主要由空间物种转换组成,表明存在较高的空间物种替换,即蚂蚁巢穴导致群落类群组成较大的差异.本研究表明,蚂蚁巢穴存在和距离远近都是影响其他地表节肢动物群落多样性的因素.

人类活动导致土地利用格局的剧烈变迁是全球生物多样性丧失的重要原因之一.为满足青海省生物多样性保护和社会经济发展对土地利用的需求,本研究依据土地利用类型/干扰强度与生物多样性的关系,制定了基线、美丽青海、智慧青海、和谐青海4种情景的设计方案,并基于GeoSOS-FLUS模型和FLUS-Biodiversity模型分别模拟至2030年、2050年时,4种情景下青海省土地利用布局及其原生群落平均物种多度(Mean Species Abundance,MSA)的空间格局演变.结果表明,青海省大部分土地利用类型在现有格局的基础上均发生较大变化.其中,基线情景(按原有发展趋势)中湿地、森林、草地的面积均有所下降,导致生物多样性恢复速度缓慢.基于自然保护和经济发展的不同权衡,美丽青海、智慧青海、和谐青海3种情景则对未来土地利用布局的优化效果较好,大量中、高强度利用的草地恢复为湿地、原生林及低强度利用的草地,部分常规农田转换为优质农田,建设用地面积减少,生物多样性因而得以较大提高.未来各情景下的青海省MS4值都能实现目标值,生物多样性完整性相对于2020年都有所增加.