专利名称：入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法

申请号：202011171687.7.

公开号：CN112308398A.

申请日：2020/10/28.

公开日：2021/02/02.

发明人：王从彦等

申请人：江苏大学

技术领域

本发明涉及入侵生态学、植物生态学、种群生态学、群落生态学、全球变化生态学和环境生态学等相关领域，公开了一套入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法。

背景技术

目前，以入侵植物主导的生物入侵为代表的生物安全已对环境健康与生态安全以及社会可持续发展构成了严重威胁。因此，以入侵植物主导的生物入侵为代表的生物安全已成为全球性的重大环境生态问题之一。同时，国家层面也高度重视生物安全，并将生物安全纳入国家安全体系进行监管。所以，入侵植物对生态系统的生态影响风险评估已成为当今全球环境生态学研究领域中倍受关注的核心科学问题之一。

生态系统结构与功能正常执行的核心是生态系统的物种多样性。所以，在新时代背景下，为构筑“人与自然和谐共生的现代化美丽中国”，这就迫切需要进行以入侵植物主导的生物入侵为代表的生物安全造成的生态影响风险评估，一方面为衡量入侵植物对生态系统结构和功能特别是物种多样性等方面造成的生态危害程度奠定坚实的理论基础，另一方面为针对生物入侵为典型代表的生物安全问题进行精准行政决策管理和有效预警防控部署提供坚实的科学依据和理论支撑以及行之有效的执行基础和实践指南。虽然目前针对入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估已有量化方法，但量化方法不统一，且较为繁琐。因此，亟需提出一套较简捷且较精准可行的科学量化指标体系对入侵植物对植物物种多样性生态影响风险进行评估衡定，进而为深入阐明入侵植物成功入侵的驱动机理并为进一步构建入侵植物生态管理和预警防控体系奠定强有力的理论支撑和实践基础。

发明内容

本发明提出了一套入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，包括以下五个指标体系：

(I)表征入侵植物对植物种类多样性生态影响风险评估的指标：入侵植物对植物种类多样性影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on species diversity (S), IAI_S]；

(II)表征入侵植物对植物Shannon多样性生态影响风险评估的指标：入侵植物对植物Shannon多样性影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Shannon’s diversity (H'), IAI_H']；

(III)表征入侵植物对植物Simpson优势度生态影响风险评估的指标：入侵植物对植物Simpson优势度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Simpson’s dominance (D), IAI_D]；

(IV)表征入侵植物对植物Pielou均匀度生态影响风险评估的指标：入侵植物对植物Pielou均匀度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Pielou’s evenness (E_H), IAI_EH]；

(V)表征入侵植物对植物Margalef丰富度生态影响风险评估的指标：入侵植物对植物Margalef丰富度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Margalef’s richness (F), IAI_F]。

本发明是通过上述5个指数单独评估或求取平均值入侵植物对植物物种多样性影响幅度IAI_PTD评估入侵植物对植物物种多样性生态影响风险的方法。

本发明的技术方案中，各参数具体为：

(I)入侵植物对植物种类多样性影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on species diversity (S), IAI_S]按照以下公式计算：

IAI_S=1‒(S_i/S_ck)

式中，S_i为入侵植物已入侵样方的植物种类多样性(即：所有植物种类的数量)，

S_ck为入侵植物未入侵样方的植物种类多样性。

IAI_S值越大表示入侵植物对植物种类多样性的生态影响风险越大。

根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，指标(I)中所选择的调查样方分为两种，即：入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方；入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方选择数量均至少为3个，且样方选择数量越多越好；调查样方大小建议设置为：(1)乔木：20 m * 20 m；(2)灌木：10 m * 10 m；(3)草本：2 m * 2 m；(4)苔藓：0.5 m * 0.5 m；入侵植物对植物种类多样性影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_S ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_S ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_S ≤ 1.00，且对植物种类多样性影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物种类多样性影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物种类多样性影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

(II)入侵植物对植物Shannon多样性影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Shannon’s diversity (H'), IAI_H']按照以下公式计算：

IAI_H'=1‒(H'_i/H'_ck)

式中，H'_i为入侵植物已入侵样方的植物Shannon多样性，H'_ck为入侵植物未入侵样方的植物Shannon多样性。

IAI_H'值越大表示入侵植物对植物Shannon多样性的生态影响风险越大。

其中植物Shannon多样性按照以下公式计算(Shannon CE, Weaver W. 1949. The Mathematical Theory of Communication. University of Illinois Press, Urbana, Illinois, pp. 1‒117.)：

H' = ‒ΣP_ilnP_i

式中，S为调查样方的植物种类多样性(即：所有植物种类的数量)。

P_i为调查样方内植物i的相对丰度，即P_i=n_i/N，其中n_i为调查样方内植物i的植株数量，N为调查样方内所有植物的植株数量总数。

根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，指标(II)中所选择的调查样方分为两种，即：入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方；入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方选择数量均至少为3个，且样方选择数量越多越好；调查样方大小建议设置为：(1)乔木：20 m * 20 m；(2)灌木：10 m * 10 m；(3)草本：2 m * 2 m；(4)苔藓：0.5 m * 0.5 m；入侵植物对植物Shannon多样性影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_H' ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_H' ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_H' ≤ 1.00，且对植物Shannon多样性影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物Shannon多样性影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物Shannon多样性影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

(III)入侵植物对植物Simpson优势度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Simpson’s dominance (D), IAI_D]按照以下公式计算：

IAI_D=1‒(D_i/D_ck)

式中，D_i为入侵植物已入侵样方的植物Simpson优势度，D_ck为入侵植物未入侵样方的植物Simpson优势度。

IAI_D值越大表示入侵植物对植物Simpson优势度的生态影响风险越大。

其中植物Simpson优势度按照以下公式计算(Simpson EH. 1949. Measurement of diversity. Nature 163: 688.)：

D = 1‒Σ(n_i/N)²

式中，S为调查样方的植物种类多样性(即：所有植物种类的数量)。n_i为调查样方内植物i的植株数量，N为调查样方内所有植物的植株数量总数。

根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，指标(III)中所选择的调查样方分为两种，即：入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方；入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方选择数量均至少为3个，且样方选择数量越多越好；调查样方大小建议设置为：(1)乔木：20 m * 20 m；(2)灌木：10 m * 10 m；(3)草本：2 m * 2 m；(4)苔藓：0.5 m * 0.5 m；入侵植物对植物Simpson优势度影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_D ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_D ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_D ≤ 1.00，且对植物Simpson优势度影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物Simpson优势度影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物Simpson优势度影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

(IV)入侵植物对植物Pielou均匀度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Pielou’s evenness (E_H), IAI_EH]按照以下公式计算：

IAI_EH=1‒(E_Hi/E_Hck)

式中，E_Hi为入侵植物已入侵样方的植物Pielou均匀度，E_Hck为入侵植物未入侵样方的植物Pielou均匀度。

IAI_EH值越大表示入侵植物对植物Pielou均匀度的生态影响风险越大。

其中植物Pielou均匀度按照以下公式计算(Pielou EC. 1966. The measurement of diversity in different types of biological collections. Journal of Theoretical Biology 13: 131‒144.)：

E_H = H'/lnS

式中，H'为调查样方的植物Shannon多样性，S为调查样方的植物种类多样性(即：所有植物种类的数量)。

根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，指标(IV)中所选择的调查样方分为两种，即：入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方；入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方选择数量均至少为3个，且样方选择数量越多越好；调查样方大小建议设置为：(1)乔木：20 m * 20 m；(2)灌木：10 m * 10 m；(3)草本：2 m * 2 m；(4)苔藓：0.5 m * 0.5 m；入侵植物对植物Pielou均匀度影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_EH ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_EH ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_EH ≤ 1.00，且对植物Pielou均匀度影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物Pielou均匀度影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物Pielou均匀度影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

(V)入侵植物对植物Margalef丰富度影响幅度指数[Influence amplitude index of alien invasive plants on Margalef’s richness (F), IAI_F]按照以下公式计算：

IAI_F=1‒(F_i/F_ck)

式中，F_i为入侵植物已入侵样方的植物Margalef丰富度，F_ck为入侵植物未入侵样方的植物Margalef丰富度。

IAI_F值越大表示入侵植物对植物Margalef丰富度的生态影响风险越大。

其中植物Margalef丰富度指数按照以下公式计算(Margalef R. 1951. Diversidad de especies en las comunidades naturales (Vol. 6, pp. 59‒72). Barcelona: Publicaciones del Instituto de Biologia Aplicada.)：

F = (S–1)/lnN

式中S为调查样方的植物种类多样性(即：所有植物种类的数量)，N为调查样方内所有植物的植株数量总数。

根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，指标(V)中所选择的调查样方分为两种，即：入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方；入侵植物已入侵样方和入侵植物未入侵样方选择数量均至少为3个，且样方选择数量越多越好；调查样方大小建议设置为：(1)乔木：20 m * 20 m；(2)灌木：10 m * 10 m；(3)草本：2 m * 2 m；(4)苔藓：0.5 m * 0.5 m；入侵植物对植物Margalef丰富度影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_F ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_F ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_F ≤ 1.00，且对植物Margalef丰富度影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物Margalef丰富度影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物Margalef丰富度影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

(VI)根据所述的入侵植物对植物物种多样性生态影响风险评估量化方法，其特征在于，入侵植物对植物物种多样性影响幅度[Influence amplitude index of alien invasive plants on plant taxonomic diversity (PTD), IAI_PTD]，按照以下公式计算：

IAI_PTD = (IAI_S + IAI_H'+ IAI_D+ IAI_EH+ IAI_F)/5

入侵植物对植物物种多样性影响幅度可分为三个级别，即：(i) 0.00 < IAI_PTD ≤ 0.35；(ii) 0.35 < IAI_PTD ≤ 0.75；(iii) 0.75 < IAI_PTD ≤ 1.00，且对植物物种多样性影响幅度达到i级别的可归类为一般入侵植物，其生态影响风险一般，标识色可采用黄色；对植物物种多样性影响幅度达到ii级别的可归类为严重入侵植物，其生态影响风险较严重，标识色可采用橙色；对植物物种多样性影响幅度达到iii级别的可归类为恶性入侵植物，其生态影响风险非常严重，标识色可采用红色。

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144518