陆地生态系统固碳是减缓大气CO2浓度升高的重要途径,了解气候变化下潜在自然植被生态系统碳储量(ECS)有利于区域土地管理政策的制定.该研究基于遗传算法对LPJ-GUESS模型的敏感参数进行校准,使用降尺度的气候数据驱动模型,结合Mann-Kendall趋势检验、Sen's斜率估计方法和偏相关分析法,分析2001-2100年中国ECS的时空格局、趋势变化特征及气候主导因子.结果表明:1)校准后的LPJ-GUESS模型模拟ECS的纳什效率系数和皮尔逊相关系数分别为0,751、0,901,表明LPJ-GUESS模型可以较好地模拟中国ECS.2)2001-2020年,中国潜在自然植被ECS由东南向西北递减,总量为156.06 Pg,其中植被、凋落物、土壤碳储量分别占34.2％、1.9％、63.8％.相比于2001-2020年,2081-2100年ECS具有相似的空间分布,ECS总量预计增加0.51-11.16 Pg;2001-2020年和2021-2100年,中国潜在自然植被ECS的增加速率分别为8.5 g·m-2·a-1、3.7-21.0 g·m-2·a-1.3)2021-2100年中国东南部、内蒙古高原、青藏高原等地区ECS显著增加(37-44g·m-2·a-1),云贵高原南部、两广丘陵等地区ECS显著减少(45-72g·n1-2·a-1).4)不同区域的气候主导因子不同:气温在中国西北地区主导ECS变化;受区域干旱程度影响,ECS与降水量的相关性由东南向西北递增;辐射在高纬度、高海拔地区主导ECS变化;在中国47.9％-56.1％的区域CO2浓度主导ECS变化.

生物多样性是人类生存与发展的基础,全球气候的快速波动正对生物多样性造成严重威胁.保护生物学旨在研究全球生物多样性面临的危机及如何更加有效地进行生物多样性保护.景观基因组学(Landscape ge-nomics)研究通过解析基因型与环境因子之间的关联性,揭示物种响应气候变化的适应性遗传变异与适应性进化,推动了保护生物学的快速发展.本文简要阐述了景观基因组学解析物种适应性遗传变异空间分布格局的主要研究方法,总结了近年来景观基因组学方法在动植物保护研究中的应用案例,并针对景观基因组学方法在保护生物学研究中存在的问题及未来研究方向提出了建议.

城市化导致的栖息地破碎和丧失是全球范围内威胁野生动物生存的重要因素.两栖动物是受城市化威胁最严重的陆生脊椎动物类群.研究城市化区域两栖动物空间分布格局,探究影响其片断化小种群间基因交流的景观连通性等问题,有助于我们深入理解城市化对野生动物种群的作用机制及造成的影响,能够为当地生物多样性保护提供理论指导.本研究以上海地区金线侧褶蛙(Pelophylax plancyi)为研究对象,基于Landsat-8卫星影像,获取上海地区土地利用类型、归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)、地表温度等景观、环境数据.结合野外种群调查,通过最大熵(maximum entropy,MaxEnt)模型得到金线侧褶蛙在本地区的潜在空间分布格局;基于电路理论(Circuitscape)计算各小种群间的扩散阻力距离;结合微卫星位点(simple sequence repeat,SSR)和单核苷酸多态性位点(single nucleotide polymorphism,SNP)计算各小种群间的遗传距离(FST),通过Mantel相关性检验探讨地理距离和阻力距离对各小种群间遗传分化的作用效果.结果显示:(1)金线侧褶蛙栖息地适宜性随城市化水平的增高而显著降低;(2)NDVI是影响其潜在空间分布的主要因素,金线侧褶蛙更倾向于栖息在植被覆盖度较高的区域;(3)遗传距离与地理距离之间没有显著的相关性,但随着景观扩散阻力的增大而显著增大.因此,保护和维持郊区连续栖息地以及市区仍然保留的斑块化栖息地是现阶段保护以金线侧褶蛙为代表的本土两栖动物的首要措施.而通过优化城市景观结构,加强针对不同野生动物类群的廊道建设,促进野生动物小种群间的基因交流,则是实现城市化区域野生动物多样性自维持和长期保护的有效途径.

东北梅花鹿是东北虎豹国家公园主要的大型食草动物之一,是东北虎豹的主要猎物,对针阔混交林群落的维持有关键的作用,探究其遗传多样性及空间遗传格局对东北梅花鹿的保护以及国家公园生态系统的健康至关重要.在国家公园珲春保护区内,通过非损伤方法获得遗传样本,利用微卫星标记,研究该梅花鹿种群的空间遗传格局及其影响因素.结果表明:本研究区梅花鹿种群平均期望杂合度为0.721,遗传多样性较为丰富.有限的扩散能力常常导致种群在遗传距离上具有显著的空间自相关模式,本研究区梅花鹿种群在0-1km距离等级内在遗传距离上具有显著的空间自相关现象,据此可推测,该地区梅花鹿扩散距离为1km左右.STRUCTURE分析表明,珲春地区梅花鹿种群不存在明显的遗传分化.各种空间变量可以显著影响物种的遗传分化.本研究选取海拔、坡度、坡向、地表起伏率、人类干扰5个变量,研究其对梅花鹿种群遗传结构的影响,这5个变量多被认为与大中型哺乳动物扩散阻碍相关.依据5个变量建立了 336个阻力模型,并进行偏曼特尔检验.其中,依据海拔、坡向、地表起伏率、人类干扰假设建立的246个阻力模型与遗传距离之间的关系并不显著,综合所有变量的15个生境适宜性模型阻力模型与遗传距离的关系也都不显著.在依据坡度假设建构的75个阻力模型中,只有1个模型与遗传距离有显著的正相关关系,该模型同时也是在控制空间自相关影响后,在所有模型中与遗传距离相关性最高的模型.根据该模型推测,最适宜梅花鹿扩散的坡度为10°,梅花鹿可能倾向于利用缓坡进行扩散.结果对东北虎豹国家公园梅花鹿种群的保护具有重要意义.

植物景观遗传学是新兴的景观遗传学交叉学科的一个重要研究方向.目前植物景观遗传学的研究虽落后于动物,但其在生物多样性保护方面具有的巨大潜力不可忽视.从景观特征对遗传结构、环境因素对适应性遗传变异影响两个方面,系统综述了近十年来国际上植物景观遗传学的研究焦点和研究进展,比较了植物景观遗传学与动物景观遗传学研究在研究设计和研究方法上的异同,并基于将来植物景观遗传学由对空间遗传结构的描述发展为对景观遗传效应的量化分析及预测的发展框架,具体针对目前景观特征与遗传结构研究设计的系统性差、遗传结构与景观格局在时间上的误配、适应性位点与环境变量的模糊匹配、中性遗传变异与适应性遗传变异研究的分隔、景观与遗传关系分析方法的局限等五个方面提出了研究对策.

京津冀城市群作为影响我国经济发展的重要区域,具有多重战略意义.然而,快速的城市扩张在提高社会、经济水平的同时,伴随着资源供求矛盾加深、耕地被侵占、生态退化,以及水、大气环境污染等众多突出问题,如何优化调整城市空间结构与布局,实现社会、经济发展与生态环境保护等多目标的协同优化是京津冀规划管理与决策的关键.从土地覆盖/利用数量和空间布局两个重点方面出发,通过多目标优化模型和CLUE-S模型的构建,提出了多目标权衡下的土地扩张优化情景预案,以期为京津冀城市群扩张布局与土地利用优化配置规划与管理提供科学参考.结果表明:一方面,利用多目标遗传算法(MOGA)可以很好地实现对京津冀土地利用结构优化配置及其与社会、经济及生态效益等多目标的定量化求解,为决策人提供满足不同权衡目标的多种选择,并通过与CLUE-S模型相结合,实现京津冀城市群土地利用格局的空间优化配置情景模拟;另一方面,研究结果表明,综合考虑了社会、经济和生态效益的优化方案中,林地的增加可以相对满足政策要求,增幅较大,耕地较未优化方案减幅放缓,符合耕地保有量的要求,同时,也从空间上减少了对重要生态用地的侵占.本研究的方法与结果可为京津冀城市群土地利用规划与生态安全格局建设提供理论与应用参考.

克隆植物与其传粉者的相互作用是植物繁殖生态学的重要研究领域之一.植物克隆生长与有性繁殖通常相伴进行,往往产生较大的花展示与复杂的克隆空间结构,通过传粉过程对有性繁殖过程产生影响,共同决定植物的适合度.本文回顾了克隆生长对被子植物传粉过程影响的国内外研究进展,从植物克隆大小、花资源空间配置、克隆构型与种群遗传结构四个方面讨论了克隆生长对传粉过程的影响及其生态学与进化生物学意义.早期研究预期,随着克隆增大,同株异花授粉水平增加,因而通过增大自交率或花粉阻塞效应降低植物的适合度.但是,后来的一些模拟与野外实验研究发现,传粉者在同一克隆内访问的花数量并不会随克隆增大而一直增加,访花行为也主要发生在分株内;而且分子标记的自交率组分分析也表明自交主要发生在分株内.另一方面,人工模型模拟以及传粉者访问行为研究表明,当花朵数量相同时,与所有花集中生长在同一分株上相比,将花朵分散在多个分株上的克隆生长方式不会增加,反而降低了同株异花授粉的发生水平.如果花序内花雌雄同熟,花朵同时提供与接收花粉,克隆生长会使植物接收到更高比例的异交花粉,在提高后代质量的同时不增加同株异花授粉概率.这是从传粉生物学角度对植物克隆生长习性进化的一个全新的解释.今后,克隆植物传粉生物学研究需要针对传粉者与克隆生长之间的相互作用建立理论模型,探究克隆大小、克隆构型、花资源空间配置模式对传粉者访问频率和行为、花粉散布、交配格局的影响.同时,需要在自然种群中,尤其是克隆与非克隆的近缘类群、同一物种克隆与非克隆种群开展比较研究,利用更高效的分子标记来研究克隆生长的生态与进化意义.

黄绿卷毛菇(Floccularia luteovirens)是广泛分布于青藏高原高寒草甸的一种重要的可食用的菌根真菌.先前的研究利用EST-SSR引物已经对该物种的遗传多样性及群落结构进行了研究,但研究表明EST-SSR位点多态性较低,因此想要进一步探讨形成现有遗传分布格局的机制(该物种小尺度空间范围内基株的密度及大小)需要重新开发具有更高多态性的基于核基因的微卫星位点.本研究利用RAD测序技术使用直接测序分析的方法重新开发了12对具有多态性的引物.测序结果去接头拼装后共获得46 036条重叠群.在这些序列当中共扫描到342条含有重复单元的序列,在这当中70.47％为三碱基重复(241),8.19％为二碱基重复(28).随机选取48对检测,12对具有多态性且测序结果良好,基于3个居群63个个体的遗传多样性研究显示,所有样品中共获得60个单倍型,每个位点的单倍型数量介于2 (GSSR26L)至9(GSSR7L,GSSR11L0之间.Gst值介于-0.03 (GSSR46L)至0.28 (GSSR6L)之间、Fst值介于-0.03 (GSSR33L)至0.42(GSSR6L)之间.在引物GSSR47L扩增测序中发现,其扩增出的片段不仅具有重复单元数量的变化,重复单元本身也存在突变的现象,这是之前使用聚丙烯凝胶电泳所检测不到的.本研究获得的微卫星引物将为接下来小尺度空间下研究黄绿卷毛菇基株的密度、大小及动态变化提供有力的支持.

谱系地理学研究旨在探究历史上发生的影响目前遗传谱系系统发育和空间分布格局关系的生态与进化过程.叶绿体DNA具有单亲遗传、低突变率、单倍体等特征,其分子标记不同程度地保留着植物长期进化的历史遗传痕迹,有助于深度解析谱系地理变异的形成机制.本文探讨了上述特征是怎样影响分子标记的选择、扩大或缩小群体遗传结构分化、延长或缩短空间基因溯祖时间、促进或阻碍种间基因渐渗及谱系分选(复系、并系和单系形成)进程,重点阐述了这些影响过程的理论基础,并结合实际例子阐述谱系地理研究进展.由于位点间在突变率、选择强度及它们与漂变互作等方面存在异质性,今后一个研究重点就是基于叶绿体全基因组序列分析谱系地理变化格局,包括分析DNA位点间的基因渐渗或基因流动程度差异分布及沿着叶绿体DNA序列上谱系分选差异分布.

生物多样性和生态系统服务是人类生存和社会经济可持续发展的物质基础,应对生物多样性丧失和生态系统服务退化问题已经成为继气候变化之后的又一个全球性环境热点问题.生物多样性是生态系统生产力、稳定性、抵抗生物入侵以及养分动态的主要决定因素,生物多样性越高,生态系统功能性状的范围越广,生态系统服务质量就越高越稳定.目的是探讨生物多样性和生态系统服务之间的关系:(1)明确了生物多样性与生态系统过程、功能、服务之间的关系;(2)生物多样性在生态系统服务中的角色:生物多样性在不同的空间尺度通过各种形式的运行机制与生态系统服务产生联系,生物多样性是生态系统过程的调节者,是巩固生态系统服务的一个重要因素,生物多样性也是一种终极的生态系统服务,并在遗传和物种水平上直接贡献了其利益和价值;(3)生物多样性与生态系统服务权衡和协同关系的研究可以更好的帮助管理人员做出有利的决策和保护工作,也是制定规划和适应策略以减少生物多样性危机带来的不利影响的基础;(4)生物多样性与生态系统服务的关系在不同的时间和空间尺度上是不恒定的,有必要共同确定生态系统服务和生物多样性的空间格局,以有效和可持续的进行生态系统管理;(5)虽然生物多样性保护和生态系统管理还存在许多不确定性,但相关理论应该在管理、保护和恢复生态系统中发挥重要作用.研究提出了进一步研究的领域,以促进生物多样性保护和生态系统服务提供之间的协同作用.希望对相关领域的研究有所帮助.