随机和确定过程在外来植物入侵扩散中的相对重要性研究

China is heavily invaded by many exotic plants, so to reveal the invasion mechanism and consequently control invaders effectively is now an urgent task. The aim of this study is to examine the relative importance of stochastic drift and deterministic processes in the invasion, and thus to integrate stochastic drift into deterministic processes to provide a general explanation for plant community assembly. The study will use invasive invasive Chenopodium ambrosioides L. and Amaranthus spinosus L. and their native companion plant species as the model plants to experimentally examine the effects of soil non-resource stress on relative growth rate, biomass N pool, species interaction, seed bank and seedling survival rate, as well as these effects change over time. Meanwhile, the photosynthesis, transpiration, respiration and the activities of the enzymes associated with non-resource stress will be tested to explain those effects. The study will focus on the role of random immergence and emergence, interspecific competition, environment, plant trait and recruitment limitation in alien plant invasion, and explain the invasion success and invasive impacts by physiological tolerance. Thus, our study is different from the previous studies that focus on the negative interaction between invaders and natives, and the results can contribute to knowledge and understanding for distribution and performance of plants.

我国植物入侵态势严峻，理解入侵机制并降低生境可入侵性，是入侵生物学家的主要任务之一。项目主旨是揭示随机过程和确定过程在外来种向农田和自然生境扩散中的相对重要性，进而协调中性理论和以竞争为基础的理论在生物入侵领域预测的矛盾。为此，项目将开展田间调查与实地受控实验，阐明土壤非资源理化性质不同水平下，入侵种土荆芥和刺苋及其主要土著伴生种的生长速度、生物量氮库、种间关系、种子库和幼苗成活率；同时，通过分析叶片的光合、蒸腾、呼吸及相关酶的活性，剖析入侵种和土著种的表现响应土壤胁迫差异的机制。项目聚焦于随机迁入迁出、竞争、环境因素、植物性状与生理特征、补充限制在植物入侵中的作用，不仅区别于以往强调竞争排斥的主流研究，还可从弱化随机和确定力量两方面，探索降低可入侵性的方法，提高预警防控效率；并有望深化随机和确定过程的整合，促进植物分布与共存理论的完善。

项目基于我国严峻的外来种入侵态势，旨在剖析群落的可入侵性和外来种的入侵力。项目聚焦是随机过程和确定过程在外来入侵种扩散中的相对重要性，进而平衡中性理论和以竞争为核心的生态位理论在预测生物入侵领域的矛盾。为此，主要内容包括：外来植物繁殖体随机移动、与土著种竞争优势、以及与土壤非资源胁迫的交互效应在入侵成功中的重要性。经过模拟、原位调查、原位实验和受控实验等途径的研究，获得的确定过程效应的主要结果是，低耐受性物种可塑的生物量分配有助于低耐受性物种在有利环境中的表现，而高耐受性物种则相反。这样，将环境胁迫水平与植物耐受性联系起来，对于理解和预测生物量分配及其在植物生长和外来植物入侵成功中的效应至关重要，这是对最优理论和异速理论预测的扩展，因此说明了这些预测的条件性；获得的随机过程效应的主要结果是首先将物种偏好的环境范围被定义为生态位；空间的环境范围与生态位匹配，则将空间定义为可用空间；并提出了度量“单位空间环境范围”来描述地点的异质性。由于具有非生态位压力环境范围的空间随着异质性的增加而增加，可用空间没有继续无限增加，但在异质性较高的地方，可用空间在空间中的比例较低。因此，物种在其各自可用空间中出现的概率是单峰的。由于同质地区存在较大空间，异质地区存在较多空间，因此这些地区非相邻空间之间的间隔距离较大。这样，可用空间的数量和比例以及空间之间的间隔的变化决定了物种分散到各自可用空间的单峰概率。因此，物种共存的概率是单峰的，因为物种在各自的可用空间中生长对物种共存很重要。种群灭绝的概率随着异质性的增加而增加，因为可用空间变窄。通过这种方式，单位空间环境范围强烈影响物种丰富度：沿着异质性梯度的单峰丰富度发生在适宜、次优和压力环境中。项目还扩展到水生生物的研究。这些研究结果说明平衡环境和空间、随机移动与确定竞争在理解和预测外来植物成功入侵中的重要性，指明了非常同质和异质区域入侵防护的必要性。