Measuring biological diversity using Euclidean metrics

We study the complementary use of Rao's theory of diversity (1986) and Euclidean metrics. The first outcome is a Euclidean diversity coefficient. This index allows to measure the diversity in a set of species beyond their relative abundances using biological information about the dissimilarity between the species. It also involves geometrical interpretations and graphical representations. Moreover, several populations (e.g., different sites) can be compared using a Euclidean dissimilarity coefficient derived from the Euclidean diversity coefficient. These proposals are used to compare breeding bird communities living in comparable habitat gradients in different parts of the world.     

Assessing biological variation from the perspective of diversity

Particularly in ecological and evolutionary genetics, methods of discerning complex traits are improving at a considerable rate. As a consequence, the resolution of intrinsically qualitative traits such as species affiliation or genetic type is increasing to degrees that blur their distinction from continuously varying characteristics. The common notion of diversity, however, relies on distinct features such as the states of qualitative traits, and it aims to assess variation as a counting of these features or types. This situation brings up the question of whether and how the diversity perspective of variation can be broadened to cover higher levels of complexity without sacrificing its concept. The present paper suggests two approaches that refer to established criteria for measures of diversity and that complement each other. The partitions approach treats complexity through general measures of difference between trait states, and the relations approach rests on general binary relations that capture structural aspects of diversity. Both approaches are shown to consistently imply effective numbers of types even in cases where distinct types are not explicitly specified. Practically all of the common methods of measuring diversity can be classified into either of the two approaches, and new opportunities for analyses of the diversity of complex traits are provided. The latter analyses include those of diversity in subdivided collections. Other perspectives of variation (such as dispersion, variances, etc.) are discussed and analyzed for their distinction from the diversity perspective. In many cases, the distinction can be made apparent with the help of diversity portraits.     

海南岛吊罗山植物群落特征和物种多样性分析

根据吊罗山自然保护区不同海拔6个植物群落的样方资料,分析了吊罗山植物群落结构特征和物种多样性,同时比较了吊罗山植物群落与邻近地区植物群落的组成特征。研究结果表明吊罗山低地雨林乔木层以蝴蝶树、青梅、高山榕、粘木、长脐红豆、海南柿、肉实树和海南木莲为主,灌木层以白颜树、白茶、柏拉木和九节为主;山地雨林以陆均松、鸡毛松、黄叶树、阿丁枫、扫把青冈和海南杨桐为优势种;山顶常绿矮林则以山地常绿阔叶林陆均松、琼崖柯、岭南青冈和油丹等种类的矮化为特征。植物群落Shannon-Wiener物种多样性指数分析表明,吊罗山植物群落物种多样性在空间的变化基本上表现为随海拔梯度增加而降低,次生林物种多样性最低,山地雨林和山顶矮林物种均匀度指数最高,群落优势种明显。     

威海市区黑松林群落的物种多样性特征

用3个丰富度指数、2个多样性指数和3个均匀度指数对威海市区11个黑松林群落多样性进行研究,并用相关分析研究了这些指数间的关系,结果表明:(1)黑松混交林群落的丰富度和多样性均高于黑松纯林群落,但均匀度却无此规律;(2)生境最优的黑松+刺槐+麻栎林(位于仙姑顶的样地11)在11个样地中的物种多样性表现最好,丰富度、多样性和均匀度都最大.而生境最差的位于火炬大厦的黑松纯林(样地2)群落的丰富度和多样性指数都最小;(3)除样地2外,其余样地群落的草本层丰富度和多样性都最大,灌木层次之,乔木层最小,均匀度无此规律;(4)3个丰富度指数之间、2个多样性指数之间以及两个Pielou均匀度指数之间存在极显著的相关性,但Alatalo均匀度指数和其它7个指数之间相关性都不显著,同时对8个物种多样性指数进行比较后发现丰富度指数中Patrick指数(S)最优,而多样性指数中Shannon-Wiener(H)最优,均匀度指数中以H为基础计算出的Pielou(JH)指数最优.     

异质生境空心莲子草植物群落组成及物种多样性研究

研究草海湿地空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）入侵对异质生境植物群落生活型、物种组成、重要值及物种多样性的影响,结果表明,①异质生境中群落生活型组成比例有差异,水生生境地面芽植物（H）∶隐芽植物（Cr）∶一年生植物（Th）为56∶38∶6;湿生生境为43∶36∶21。②异质生境中物种组成差异明显,水生生境试验样方包含9科13属16种,对照样方（无空心莲子草入侵）包含10科19属23种;湿生生境试验样方包含8科14属14种,对照样方有10科19属22种。空心莲子草入侵不同生境后群落内物种重要值变化及差异均较大,部分乡土物种在试验样方中减少甚至消失,水生生境和湿生生境群落中分别有30.44%、36.36%物种消失。③异质生境中空心莲子草重要值与物种多样性指数、生态优势度指数、均匀度指数均呈二项式函数关系;两种生境的多样性指数和均匀度指数均表现为随空心莲子草重要值先增加后减少,生态优势度指数均为先减少后增加,空心莲子草入侵对乡土植物群落物种多样性产生正向影响和负向影响,在群落中其重要值达25.8（水生生境）、18.9（湿生生境）时,是乡土植物多样性下降的临界点。     

黄土区不同配置人工林物种多样性研究

以黄土高原山西省方山县下昔沟流域为研究点,采用标准样地调查法,应用物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、群落均匀度指数研究15种不同配置的人工林的а多样性动态特征,结果表明,在立地条件、密度、林龄相同的情况下,油松和刺槐这两种针阔混交林下的灌、草层Shannon-Weiner index、Pielou index、Richness指数最高,Simpson index最低;纯林中阔叶林下的灌、草层Shannon-Weiner index、Pielou index、Richness指数高于针叶林,但Simpson index低于针叶林;针叶林下的灌、草层Shannon-Weiner index、Pielou index、Richness指数最低,但Simpson index最高。研究结果为：针阔混交林更有利于林下植被的发育和更新,加速黄土区生态系统的恢复。     

宁夏荒漠草原恢复演替过程中物种多样性与生产力的变化

荒漠草原一直是生态学者关注的焦点。文章以宁夏灵武的荒漠草原区为研究对象,对围栏条件下退化群落的物种多样性、生产力和群落演替及其生态机制进行探讨,为荒漠草原的植被恢复和重建提供理论基础。结果表明:群落生产力除受物种多样性的影响外,也受物种本身特征和环境资源的影响。在荒漠草原中功能群盖度与群落初级生产力无显著的相关关系。荒漠植物群落物种多样性指数在时间尺度上的变化表现为随着围栏时间的延续逐渐增加,而生态优势度变化趋势则相反。在不同年份年降水量直接影响植物群落物种数的多少、丰富度和生产力。     

昆明市双哨乡户级庭园植物多样性分析

采用参与性生物多样性评估方法 ,在双哨乡植物遗传资源多样性保护利用协会参与下 ,对该乡双桥村 1 1 8户农户的庭园植物多样性进行了调查。结果表明 ,双桥村共有庭园植物 93种 ,包括花卉、蔬菜、果树等 ;有 6 7户农户拥有庭园植物 ,庭园植物多样性在不同农户间存在较大差异 ,6 7户农户中 80 .5 %的农户仅拥有 1～ 9种庭园植物。 1 9.5 %的农户拥有 1 0种以上 ,对庭园植物物种多样性保护的贡献较大。户主的年龄、文化程度和家庭人口等与庭园植物物种多样性密切相关。     

塔里木河中游水盐梯度下的物种多样性研究

根据塔里木河中游5个断面30眼地下水监测井和30个植物样地2006—2008年调查监测的数据,分析了输水堤防修建后地下水埋深、地下水质以及物种多样性的变化及其相互关系。结果表明：地下水埋深的空间变化表现为沿河道方向先增加后减小的趋势,在时间上则表现为,从2006年到2008年埋深呈逐渐增加的特点;地下水化学类型的变化,在空间上表现出沿着河道方向有由Cl-—SO42-—Na＋—Mg2＋向Cl-—Na＋类型转变的趋势,在时间上,地下水矿化度逐渐增加。物种多样性总体上呈现增加变化,地下水位和水质对塔里木河中游物种多样性变化有着密切的关系,地下水埋深2.8~3.7 m,矿化度1.8~2.4 g·L-1水平下的多样性较高,随着地下水埋深的增大和矿化度的升高,物种多样性水平降低。     

茂兰喀斯特原生林不同地球化学环境的植物物种多样性

中国西南岩溶区是中国生物多样性分布中心之一。该区生态系统不断退化,生物多样性大量丧失,不同喀斯特地球化学背景下植被恢复的速度与成林性质存在明显差异。我们在最有代表性之一的贵州茂兰喀斯特森林保护区选取纯灰岩和纯白云岩两种岩性的喀斯特环境,对其元素地球化学特征及其中原生性植物群落的相异性和物种多样性进行了对比,结果发现:①不同岩性区域多样性:乔木层和灌木层为纯灰岩区>纯白云岩区,草本层为纯白云岩区>纯灰岩区,总体上纯灰岩区的高于纯白云岩区的;②各样地间的相似性系数都很低,相同岩性类型内的明显高于不同岩性类型之间的相似度;物种周转率高,且白云岩区高于石灰岩区,种类组成差异明显;③喀斯特区可溶岩地球化学背景通过喀斯特作用导致特殊的地形条件与元素地球化学特征,并引起局部小生境的分异从而影响植物群落特征。     

封育草地土壤生物结皮对水分入渗与植物多样性的影响

盐池县柳杨堡乡从2000年开始采取封育措施,长期的无人为干扰使封育区内产生土壤生物结皮,结皮对水分有一定影响,进而影响封育区植被的恢复。采用双环入渗法分析生物结皮对土壤水分的影响,并通过对人工封育区内的植被调查测定去除土壤结皮前后的植物多样性变化。结果表明：有生物结皮覆盖的土壤入渗曲线的最高峰比无生物结皮覆盖的低约5 cm,有生物结皮覆盖的土壤初始入渗速率为0.8 cm·min^-1,而无生物结皮覆盖的土壤初始入渗速率为2.6 cm·min^-1,随着封育年限的增加,土壤生物结皮的覆盖面积及厚度逐年增加,结构也更紧密,影响土壤的水分入渗,不利于植被的生长,而通过对封育区内新翻耕土层和未翻耕的土层的植物多样性比较,新翻耕的土层中的植物多样性指数明显高于未翻耕土层。因此对封育区内采取适度翻耕,能够减少生物结皮对土壤水分入渗的负面影响,能够更有效的利用降水,促进植被恢复。     

塔里木河中游水盐梯度下的物种多样性研究

根据塔里木河中游5个断面30眼地下水监测井和30个植物样地2006—2008年调查监测的数据,分析了输水堤防修建后地下水埋深、地下水质以及物种多样性的变化及其相互关系。结果表明:地下水埋深的空间变化表现为沿河道方向先增加后减小的趋势,在时间上则表现为,从2006年到2008年埋深呈逐渐增加的特点;地下水化学类型的变化,在空间上表现出沿着河道方向有由Cl-—SO42-—Na+—Mg2+向Cl-—Na+类型转变的趋势,在时间上,地下水矿化度逐渐增加。物种多样性总体上呈现增加变化,地下水位和水质对塔里木河中游物种多样性变化有着密切的关系,地下水埋深2.8~3.7 m,矿化度1.8~2.4 g·L-1水平下的多样性较高,随着地下水埋深的增大和矿化度的升高,物种多样性水平降低。     

金沙江流域干热河谷草地群落物种数量及多样性特征

选择金沙江干流及支流小江干热河谷典型草地,采用标准样地调查法,对其上游、中游、下游以及支流干热河谷草地植物群落数量特征、物种特性、以及物种丰富度、多样性、均匀度等特征等开展研究,结果表明,①金沙江干热河谷草地植物群落密度自上游至下游显著增加（F=5.226;P≤0.01）。金沙江干流河谷内植物分布受经向的影响较大,纬向对河谷内植物群落影响较小,河谷间影响较大。草地植物群落中扭黄茅（Heteropogon contortus）种群在数量上占优势,同时扭黄茅种群密度沿着河谷走向逐渐增加,但在群落中的比例逐渐降低。②金沙江干流及支流小江东川干热河谷草地植物群落以禾本科（Gramineae）、豆科（Leguminosae）、莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）为主。③金沙江干热河谷草地植物群落丰富度分析发现,群落丰富度指数自上游至下游逐渐降低。Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数及Peilow均匀性指数自上游至下游逐渐升高。     

喀斯特山地草地植物群落物种数量特征及多样性分析

选择贵州典型喀斯特山地草地植物群落为研究对象,采用标准样地调查法,对不同海拔、坡向的植物群落数量特征、物种特性、以及物种丰富度、多样性、均匀性等特征展开研究,结果表明,（1）喀斯特山地草地植物群落密度随海拔升高呈显著增加趋势（F=20.600;P≤0.01）。植物群落中矛叶荩草（Arthraxon lanceolatus）和扭黄茅（Heteropogon contortus）种群在数量上占优势,同时矛叶荩草和扭黄茅种群密度随海拔升高呈现出增加趋势;但矛叶荩草种群密度在群落中的比例呈现出下降趋势,而扭黄茅种群密度在群落中的比例呈现出升高趋势。（2）喀斯特山地草地植物群落以禾本科（Gramineae）、菊科（Compositae）、蔷薇科（Rosaceae）、唇形科（Labiatae）为主;其中禾本科植物种类比例随海拔升高呈现出下降趋势,而菊科、蔷薇科、唇形科植物种类比例呈现出升高趋势。（3）喀斯特山地草地植物群落丰富度指数随海拔升高呈现出增加趋势,Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数随海拔升高呈现先降后升趋势,Peilow均匀性指数随海拔升高呈现下降趋势。     

增温对荒漠草原植物群落组成及物种多样性的影响

以短花针茅荒漠草原为研究对象,通过采用远红外线辐射器模拟增温的方法,探讨了增温对荒漠草原植物群落结构及生物量和物种多样性的影响。结果表明：由于远红外线辐射器的增温作用,在2012年整个生长季内,增温样地10、20、30 cm土壤平均温度与对照样地相比,平均增加了0.39、0.38、0.31℃;各土层土壤含水量较对照平均减少0.76%、0.73%、0.60%。受温度升高及土壤含水量减少的影响,模拟增温6个生长季后,与对照样地相比,群落的高度整体增加,密度、盖度、频度表现为部分物种增加和部分物种减少的趋势,冷蒿（Artemisia frigida）等物种的重要值下降,阿氏旋花（Convolvulus ammanii）等物种的重要值上升,但是增温没有明显改变植物群落的组成。同时,增温处理使荒漠草原禾草的盖度减少,杂类草的盖度增加,半灌木和一两年生植物分盖度未发生明显变化;增温使地上地下生物量出现了不同程度的减少,在0~30 cm土壤深度地下生物量分配中,增温样地0~10 cm分配比例（81.23%）小于对照（86.07%）,10~20 cm分配比例（11.55%）大于对照（9.16%）;20~30 cm 分配比例（7.22%）大于对照（4.77%）,增温使得地下生物量分配格局向深层转移。增温后,增温样地植物Shnnon-Winener指数降低,Pielou均匀度指数升高,温度升高使荒漠草原植物群落的均匀度增加,但并没有提高草地植物的物种多样性。     

间伐对杉木人工林林下植被多样性及生物量的影响

对间伐了4年的杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）人工林林下植被的生物量和生物多样性进行了调查和分析。结果表明：林下植被相似系数随着间伐强度增加而增加;间伐显著提高了林下植被的物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Weiner指数和生物量（P〈0.05）,而对均匀度指数无显著影响（P〉0.05）;强度和中度间伐显著增加了灌木生物量,而草本生物量在弱度和中度间伐下显著增加（P〈0.05）;3种间伐强度均显著提高草本的物种丰富度、Simpson指数和Shannon-Weiner指数,而灌木的3种指数仅在强和中度间伐下得到显著提高（P〈0.05）。     

闽西北地区不同林龄常绿阔叶混交林物种多样性比较

基于野外样方数据,按照林龄与垂直分布层次,分别采用Margalef丰富度指数（Dm）、Pielou均匀度指数（J）与生态优势度指数（C）计算式,对闽西北地区主要优势种为米槠（Castanopsis carlesii）、栲树(Castanopsis fargesii)、甜槠（Cadtanopsis eyrei）、青冈（Quercus glauca）等壳斗科植物为主的天然常绿阔叶混交林群落的物种多样性进行了调查与对比分析。结果表明：（1）不同龄组常绿阔叶混交林乔木层的物种多样性存在显著差异（P<0.05）,以中龄林最为丰富,近熟林与成熟林次之,幼龄林最低,各龄组间的物种分布的均匀度与优势度差异不明显（P﹥0.05）,近熟林J值最大,幼龄林C值最大;（2）不同龄组常绿阔叶混交林灌木层间的Dm、J、C值差异显著（P<0.05）,以中龄林与成熟林内物种较为丰富,近熟林次之,幼龄林最低,物种分布以幼龄林内最为不均;（3）不同龄组常绿阔叶混交林草本层间的Dm、J、C差异显著（P<0.05）,物种多样性以成熟林内最为丰富,幼龄林次之,近熟林内最低,成熟林与幼龄林内草本层物种分布较均匀,中龄林与近熟林内则分布较集中,其物种优势度较高;（4）不同龄组常绿阔叶混交林乔、灌、草层间的物种多样性不同。在幼龄林中,Dm值大小顺序为：乔木层>草本层>灌木层,J值为草本层>乔木层>灌木层。中龄林、近熟林、成熟林的Dm值大小顺序均为：乔木层>灌木层>草本层,J值为灌木层>乔木层>草本层。研究结果可为了解闽西北地区不同龄组常绿阔叶混交林群落结构的物种组成与动态变化特征,探讨常绿阔叶混交林近自然经营及其残次林改造技术,制定其生物多样性的生态保护决策等提供理论依据。     

Quadratic diversity: Its maximization can reduce the richness of species

In recent decades numerous diversity indices have been introduced. Among them the quadratic entropy index Q expresses the mean difference between two individuals chosen from the community at random. Differing from diversity indices habitually employed, Q does not satisfy a property postulated earlier for those measures. Namely, the uniform distribution of species does not necessarily yield the maximal index value. Q is based on the difference matrix of species. For a given matrix one can seek for the vector yielding the maximum quadratic entropy. This task leads to a quadratic programming problem. Using the appropriate program of a program package, we determined the maximum vector for a genetic difference matrix of crane species, as published in the literature. We discovered that some components (frequencies) in the maximum vector are equal to zero. That is, by maximizing the quadratic diversity some species can be eliminated. We discuss briefly the possible implications of this observation. Moreover, even if all elements in the maximum vector are positive, the elements can differ.     

外来入侵物种的基因签名及其遗传多样性聚类分析

密码子的使用频率分布能够反映一定的生物特性,因而可作为一种基因签名。本文使用CGR方法来研究外来入侵物种不同组织序列的基因签名及遗传多样性聚类分析,首先得出了刺花莲子草(Alternanthera pungens),紫茎泽兰(Ageratina adenophora),水葫芦(Eichhornia crassipes),微甘菊(Mikania micrantha),土荆芥(Chenopodium ambrosioides),一枝黄花(Solidago canadensis)等6种外来入侵植物的31条序列核苷酸字串长k=1到k=6的情况,并选取k=3,即基因序列的密码子,作为生物特性的一个重要表达。并且构造序列间的CGR欧式距离,进而对外来入侵植物序列遗传多样性进行了聚类分析。通过对所获得的6种外来入侵植物的31条序列的基因签名,得出如下结果：CGR是一种简便且计算量小的方法,且基于CGR方法的基因签名,具有典型的生物特性;入侵植物的基因序列在密码子的使用上是非均衡的,且物种亲缘关系近的,则基因签名相似越高;而且基因签名也揭示出了密码子的第三位碱基偏好使用碱基T的现象,与一般物种密码子第三位碱基偏好G/C情况有强烈反差。此外,从获得的6个物种的31条序列聚类谱系图可以直观看出,入侵植物间存在着一定的亲缘关系,遗传多样性较丰富。由于我们所建立的基于CGR方法的基因签名,不仅能够反映植物特性和进化关系,而且能揭示序列中密码子和碱基的偏好使用情况,因而该方法有利于对外来入侵物种的遗传多样性分析、风险评估及预防控制等提供科学依据。     

冀东铁矿2种恢复模式植被演替过程中群落结构及生物多样性比较研究

油松（Pinus tabulaeformis）耐低温、干旱和贫瘠,是我国北方温性针叶林中分布最广的森林群落,也是我国北方广大地区最主要的本土造林树种之一,火炬（Rhus typhina Linn.）根萌蘖力强,耐寒、耐旱、耐盐碱,是一种适应周围环境能力极强的外来引入种树种。采用空间代替时间的方法,以冀东铁矿不同年份种植的人工火炬林和人工油松林群落为研究对象,采用样方法进行调查取样,分析了2种恢复模式不同演替阶段群落结构的变化,群落动态,同时采用Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数分析了物种多样性在群落演替过程中的动态变化,在此基础上,对比分析了2种恢复模式在生态效益方面的优劣。主要结果如下：1）短期来看,火炬可以迅速提高植被盖度,增加生物量,但是,长期来看,随着火炬的快速萌集繁殖和林分的郁闭,林下草本急剧减少,形成火炬单优群落,而不能形成稳定的顶级群落。2）短期来看,油松生长缓慢,其生态效益远小于火炬群落,但是油松群落经过11年的演替形成了乔-灌-草3层结构,群落结构逐渐完善。3）演替初期火炬群落优势种以猪毛蒿（Artemisia scoparia）、狗尾草（Setaria viridis）等耐干旱的植物为主,演替后期林下物种迅速减少以至大量消失;油松群落经过11年的恢复,群落草本层植物种数逐渐增大,从一年生先锋植物占优势过渡到以白羊草（Bothriochloa ischaemun）和硬质早熟禾（Poa sphondylodes）为建群种,并出现了黄刺玫（Rosa xanthina）和胡枝子（Lespedeza bicolor）等多年生灌木。4）演替初期Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数和Shannon-Wiener指数表现为：火炬群落﹥油松群落,演替后期则相反,这主要是由群落内种间竞争关系和水热环境的差异造成。4）综合植物群落盖度、物种多样性和群落未来的演替趋势,火炬长期的生态效益远不及油松树种。