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全球入侵:马缨丹扩展生境与森林退化的关键

期刊:global ecology and conservationDOI:https://doi.org/10.1016/j.gecco.2020.e01080

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作者和研究机构信息:

该研究的主要作者包括 Ninad Avinash Mungi, Qamar Qureshi 和 Yadvendradev V. Jhala。他们分别隶属于印度 Wildlife Institute of India 的不同部门。研究成果发表于《Global Ecology and Conservation》(全球生态学与保护),文章编号为 e01080,出版年份为 2020 年。


研究背景和目的:

该研究聚焦于全球生态学和生物入侵领域,主要探讨入侵植物“马缨丹”(Lantana camara)的全球扩张及其在印度森林生态系统中的管理问题。马缨丹原产于美洲热带地区,被广泛认为是全球十大最具破坏性的入侵植物之一。通过造成原生植物多样性下降、生态系统退化以及社区生计受损,该植物对生物多样性及社会经济产生了巨大威胁。

尽管马缨丹已在印度入侵超过两个世纪,但其分布范围及生态影响的全面研究极为有限。此前的研究主要基于气候生态位模型,但受限于采样数据匮乏。研究的目的在于通过大规模实地取样与模型分析综合评估马缨丹在印度的入侵现状、潜在扩张范围及其影响因素,从而为全球及印度地区的入侵物种管理提供科学依据。


研究方法与流程:

研究分为以下几个主要步骤:

  1. 实地采样与数据来源:

研究采用地理信息系统 (GIS) 将印度划分为 5×5 公里的网格,共评估了 207,100 平方公里的森林。每个网格中设置 1 至 31 个直径为 10 米的样地,总计采集了 117,104 个样地的数据,包括马缨丹的丰度等级(按地面覆盖率分为四类)、植被特征及人类干扰数据。与此同时,研究人员记录了地域特征如火灾频率、土壤肥力和生物生产力变化。

数据采集结合森林管理部门的支持,由具有对当地生态熟悉度的护林员参与采样,对采集路径和样地位置进行 GPS 标记。

  1. 分布建模与分析:

    • 使用最大熵模型(MaxEnt)评估马缨丹在采样区域外的潜在侵占范围,基于气候、土壤、森林覆盖、人类干扰等变量,结合全球生物多样性信息设施(GBIF)提供的数据,进行全球入侵风险分析。
    • 对马缨丹原生地(美洲热带)与全球入侵区域进行生态位和气候位的比较,评估其生态适应性与入侵成功原因。
  2. 占据模型(Occupancy Model):

为了解采样区域内的实际分布,研究引入占据模型修正“检测不完全”导致的潜在误差,并用 Akaike 信息准则(AIC)选择最优模型。此外,基于栖息地变量的综合模型解释了生态和人为因素对马缨丹分布的影响。

  1. 气候位分析:

利用主成分分析 (PCA) 和生态位转移工具(如 NicheA 和 MESS 方法),研究比较了马缨丹在原生和入侵区域中的气候适应范围,尤其是该植物在全球范围内的潜在入侵气候位扩展。


主要研究结果:

  1. 印度入侵分布:

根据实地采样和占据模型,马缨丹入侵了印度 38.8% 的森林区域(86,806 平方公里),集中分布于中部干旱落叶林(如 Shivalik 丘陵)和南部西高止山脉的退化区域,而东北部热带雨林及半干旱西部地区的入侵程度相对较低。

考虑到尚未采样的区域,最大熵模型推测印度潜在受威胁的森林面积达 303,607 平方公里,占全国森林的 44%。

  1. 生态位特点:

在全球范围内,马缨丹表现出较原生地更高的生态适应性:它在入侵地表现出对较高温度、较低土壤肥力及遮荫条件的耐受性增强。这种扩展可能与其逐渐适应新的气候和生态环境相关。

  1. 驱动因素:

森林退化(如伐木和生产力下降)、较高冬季温度及较高干旱季节降雨量是促进马缨丹扩展的主要因素。此外,火灾频次与人类活动路径等间接支持了其入侵。

  1. 全球入侵范围:

模型预测全球约有 11,631,000 平方公里的区域适合马缨丹入侵,其中印度、澳大利亚、中国和非洲东部是其入侵风险最高的地区。

  1. 生态位变化:

数据表明,马缨丹在其入侵区域的气候适应范围相较原生地明显扩大,其生态位偏移被证实包含进化适应或表型可塑性。


研究结论与意义:

该研究首次利用大规模实地采样结合先进的建模技术系统性地评估了马缨丹在印度的入侵现状及影响因子。结论表明,马缨丹的全球入侵范围与预期气候变化密切相关,尤其在热带与亚热带地区,其分布面积可能进一步扩大。这种多源种群引入引发的基因多样性以及杂交产生的表型变异可能是其入侵成功的关键。

研究表明,全球范围内的生物入侵风险与人类活动诱发的生态退化和气候变化具有深远关联,必须通过大规模生态监测与政策投入加以控制。在印度,对马缨丹治理的成本预计需超过 55 亿美元,凸显加强原生生物多样性保护与外来物种管理的重要性。


研究亮点:

  1. 最广泛的实地采样: 研究覆盖了印度 81% 的森林区域,以确保数据的广泛性与代表性。
  2. 方法学创新: 综合运用了占据模型与最大熵模型,并引入了生态位转移分析工具。
  3. 系统评估: 同时评估了马缨丹在地理、生态与气候三个层面的适应性扩展。
  4. 重要发现: 揭示了马缨丹表型可塑性与潜在进化路径的生态机制。

学术与实践价值:

该研究为理解入侵物种的生态学原理和管理策略提供了重要借鉴。研究提出了马缨丹生态位扩展的主导机制及全球入侵风险预测模型,为制订更精准的森林资源管理规划及防治入侵物种政策奠定了科学基础,同时也为未来相关领域研究指明路径。

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