从种群遗传和群落组成的空间结构研究群落维持机制

发布时间：2017-11-22 06:21

  本文关键词：从种群遗传和群落组成的空间结构研究群落维持机制

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【摘要】：阐明植物群落构建机制是了解生物多样性和生态系统功能的前提,亦是生态修复的基石,因此对于群落生态学、生态系统生态学以及保护生态学都具有重要的意义。大量研究表明环境过滤和负密度制约是决定群落构建极为关键的两类生态过程,但两者很少被同时考虑。而且,木本植物往往拥有较长寿命使得动态监测极为困难,导致人们对环境过滤和负密度制约在整个生活史尤其是发育后期阶段的贡献的理解仍显匮乏。作为多种生态过程综合作用的产物,空间结构能够为了解群落构建过程的长期效应提供视角。在本文中,我们通过剖析种群和群落两个水平、微观和宏观两个层次的空间结构以探讨环境过滤和负密度制约在植物不同发育阶段对群落构建的相对重要性。在种群水平,我们基于有效基因扩散和种群空间遗传结构(SGS)提出适用于任何稳定种群的概念框架。根据该框架,通过某一发育阶段的有效基因扩散曲线可以还原出该阶段的个体实际呈现的SGS,因此两个年龄级个体的SGS差异反映有效基因扩散曲线的差异,而后者则是这两个年龄级中间的发育过程中的生态作用的产物。我们将此概念框架应用至上海大金山岛的青冈种群中。通过对该岛全部共202个青冈成体和随机采集的416个青冈幼苗定位并进行亲本分析,我们得到幼苗阶段的有效基因扩散曲线,并求出平均有效基因扩散距离为131.0 m。根据幼苗呈现的SGS间接估算的平均有效基因扩散距离为129.7 m。而且,利用有效基因扩散曲线进行空间明晰模拟得到的幼苗SGS与实际格局一致。在此基础上,我们分别模拟环境过滤、负密度制约或者中性过程作用于幼苗的后期存活时成体将呈现的SGS。结果显示,在负密度制约或中性过程作用下模拟的成体SGS与实际成体SGS均存在显著差异,而当一定强度的环境过滤起作用时,模拟的成体SGS与实际格局相一致。这些结果表明,环境过滤而非负密度制约主导该种群幼苗发育至成体过程中的更新。种群的研究结果不能简单推广至群落水平。为进一步了解环境过滤和负密度制约在植物不同发育阶段的群落效应,我们检验巴拿马BCI热带雨林和中国浙江天童(TT)亚热带常绿阔叶林的最近邻体对格局。在BCI和TT群落,1cm≤DBH10cm的个体间形成同种最近邻体对的比例均高于1cm≤ DBH≤10 cm的个体与DBH≥10 cm的个体形成的同种最近邻体对比例,表明在植物发育早期阶段,负密度制约是介导这两个群落个体存活的主要生态过程。而且,单个物种承受的负密度制约强度与物种多度呈显著负相关,表明群落代偿趋势不是负密度制约维持局域群落物种多样性的作用机理,同时暗涵负密度制约是塑造群落物种多度分布的重要因素。此外,DBH≥10cm的个体间形成同种最近邻体对的比例高于1cm≤ DBH≤10 cm的个体形成的同种最近邻体对比例,表明环境过滤主导植物发育后期阶段。鉴于近缘物种更可能具有相似的生态位,即生态位进化保守,负密度制约和环境过滤都不仅表现在物种层次,而且可以作用于群落谱系结构。通过对天童常绿阔叶林共152个木本植物物种的DNA条形码(rbcL+matK)测序以及构建群落系统发育树,我们计算物种两两间遗传距离,并分析最近邻体对的谱系结构。结果显示,1cm≤DBH≤10 cm的个体间形成的最近邻体对具有比随机情况更大的遗传距离,而DBH≥10 cm的个体间形成的最近邻体对的遗传距离与随机情况没有显著差异。这表明负密度制约和环境过滤分别在植物发育早期和后期阶段形成谱系排斥和谱系吸引,而且两者相互抵消从而形成成体的“中性”谱系结构。综上研究,我们在种群和群落水平、物种和谱系层次验证了负密度制约和环境过滤对群落构建的贡献,并且指出两者主导的生活史阶段有所不同。理解这些时间尺度差异是生态和生物学家探究群落如何构建以及局域多样性如何维持的路途中不可或缺的一步。而且,本文对种群空间遗传结构的模拟,以及对群落构建机制的探讨,不仅仅是学术问题——尤其在全球气候变化或者生境片断化等干扰的大环境下——对生物保护等实际应用也有指导意义。此外,我们尝试在群落生态学和种群遗传学或系统发生学之间架起桥梁,以期提供新视角从而加深人们对生态学的理解,并希冀未来对生态学多领域的融合能够碰撞出新的火花。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948.1
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本文编号：1213777