生境破碎化下城市森林斑块动植物互作网络与植物种群维持机制

The effect of habitat fragmentation on forest degradation and ecological function has been one of the hot points in Ecology. Since a stable ecosystem depends on the complex interactions between plants and animals, species reduction under habitat fragmentation may break the mutualistic relationships between species and then reduce ecosystem stability. Our previous studies on four forest patches in Wuhan city indicated that omnivorous mammals such as wild boars and badgers still survived in large patches, while rodents were scarce in all those patches, birds became to be one of potential dispersers for small acorns. Here, we will survey frugivores and oaks in various fragmented forests in Wuhan, establish mutualistic networks between frugivores and oaks in each patch, and then detect the effects of mutualistic networks on seed dispersal, regeneration, and spatial genetic structure of oak trees. We want to know the ecological effects of plant-animal mutualism on distribution, regeneration, and ecological maintenance plant population. The results will help to explain the mechanism of forest degradation and ecological function reduction under habitat fragmentation, and provide theoretical supports for ecological-based management on urban forests.

生境破碎化引起森林斑块植被退化和生态功能减弱的机制是生态学关注的热点之一。动植物间通过直接或间接相互作用而形成复杂的互作网络是森林生态系统维持稳定的一个重要机制，破碎化引起生物种类和数量下降，可能改变现有动植物间互作网络，导致森林生态系统稳定性下降，但尚缺乏严谨论证。我们前期对武汉市四个森林斑块研究发现，野猪、猪獾等杂食性哺乳动物在干扰较小的市郊大斑块中仍然存在，但对环境较为敏感的鼠类普遍缺乏，鸟类成为小型栎类种子的潜在扩散者。本项目拟以武汉城市森林斑块为对象，通过构建斑块化森林的“食果动物-栎类植物”互作网络，分析它们改变与斑块大小间关联性，以及对植物种子扩散、更新、种群空间格局和遗传结构等的影响，了解斑块化生境内动植物网络在植物种群维持方面的作用，探讨破碎化导致森林斑块植被退化和生态功能减弱的机制。预期结果既可以丰富森林斑块功能退化基础理论，也可以为城市森林管理提供理论支持。

生境破碎化是生物多样性锐减、森林斑块植被退化和生态功能减弱的机制的主要原因之一。城市森林往往面积较小，周围被建筑或者道路隔离，成为生境破碎化的典型案例，影响其多样性维持和生态功能服务的发挥。我们以武汉城市森林为例，通过动植物调查、种子扩散、幼苗调查、分子标记等研究方法，研究生境破碎化对城市森林物种多样性、动植物种间关系以及与之相关的植物种群的影响，探讨城市森林的多样性维持机制和发展趋势。研究发现：1）城市遗留森林作为城市环境中的斑块生境，其斑块化程度和城市化水平相关，生物多样性符合岛屿生物地理学理论。其中，斑块面积是影响动植物多样性的主要原因，地面哺乳动物比鸟类受到的影响更大，植物更新幼苗比幼树和大树受到的影响更大。2）城市森林自身的特性进一步影响不同类群的物种组成。城郊梯度上鸟类群落结构有明显差异。充足的鸟类导致依赖鸟类传播种子的浆果植物构成植物幼苗更新的主要组成。造林策略决定了城市森林林冠层的优势物种，进而长远地影响森林群落结构。3）不同斑块的动物组成差异进而影响了动植物种间关系，最终影响与之相关的植物种群的维持。武汉市的“鸟类/鼠类-栎类植物”互作网络在城市中心斑块中极度简化，栎实扩散率低，新增幼苗集中在母树林冠下，次年死亡率极高，总体上大种子植物栓皮栎所受的扩散限制大于小种子植物小叶栎。然而分子标记研究发现，小叶栎集合种群的遗传多样性主要存在于种群内，且幼苗种群间遗传多样性组成大于成树，表明小叶栎种群间在更新阶段具有一定基因流，这可能和其风媒传粉的特性有关。因此将来开展城市环境中植物种群的研究需要全面考虑包含传粉过程在内的所有阶段。本研究表明：城市中大面积的森林对生物多样性保护有重要意义，在面积较小的城市森林斑块内，小型动物的保护以及人为补充种植将是群落多样性维持的重要方法。