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气候是影响物种分布和遗传多样性格局的主要环境因子,对物种当前和未来的分布以及遗传多样性格局有直接的影响。目前,许多预测研究表明在未来,全球变化将进一步对全球植被分布格局造成影响。通过对植物当前分布及遗传多样性格局来揭示种群的历史动态进程,从而对未来全球气候变化下物种分布格局进行准确预测,已经成为生态学和保护生物学的主要研究内容。本论文结合谱系生物地理学和物种分布模型对内蒙古草原区的克氏针茅(Stipa kryloviiRoshev.(Gramineae))的历史(~140,000year BP-current)动态进行了研究,并对未来(2080S)在全球变化格局下的动态进行了预测,为对内蒙古草原在受未来气候变化的生物多样性和植被动态等方面提供重要参考信息,主要结果如下:
(1)将从公开数据库WorldClim和CIAT获取的最后一次间冰期(LIG:~120,000-140,000years BP)、最后一次大冰期(LGM:~21,000years BP)、目前(0k)、未来(2080S)的19个生物气候因子图层,利用Maxent软件对克氏针茅种群的历史和未来动态进行了预测。结果表明:冰期时在北部发生退缩在南部发生扩张;在间冰期,则发生南部退缩和灭绝,而在北部扩张迁移。具体来说,在LIG时期,尽管蒙古高原的大部分种群都分布在高原的北部区域,南部种群基本灭绝,但是仍有一小部分种群分布在南部的大青山和燕山山脉的“间冰期避难所”。在LGM时期,全球温度降低,东亚地区的温度降低程度只有4.1-4.7℃,并没有达到欧洲的7-10℃。但是这样的气候变化就对克氏针茅的种群分布造成显著的影响:蒙古高原北部的分布区域发生退缩和灭绝,在南部则发生扩张,到达目前的蒙古高原南部的大青山、燕山、黄土高原、华北平原以及科尔沁沙地为中心的东北平原。因此这些区域成为克氏针茅的冰期避难所。在LGM之后的间冰期,克氏针茅位于黄土高原、华北平原和东北平原的种群发生大范围灭绝,而在北部发生扩张到达目前的蒙古高原北部区域,逐渐形成目前的分布区格局。结合克氏针茅的历史动态,我们对未来的克氏针茅分布进行了预测,在未来随着全球温度的变化以及极端气候的增加,克氏针茅分布区会继续整体向北迁移,分布区会逐渐缩小,与此同时在大青山和燕山地区会再次出现LIG时期出现的“间冰期避难所”。
(2)通过选取我国境内内蒙古温带草原区的53个克氏针茅种群,利用AFLP分子标记技术进行了遗传多样性的研究和谱系生物地理学分析。研究结果表明:目前克氏针茅的遗传多样性格局与该领域类似研究的遗传多样性格局“southemrichness and northem purity”保持一致。根据STRUCTURE软件对克氏针茅祖先种群数目的预测发现,最可能的祖先数目为K=2。LIG时期蒙古高原的克氏针茅种群主要为分布在高原北部的CLUSTER2和位于大青山和燕山的间冰期避难所种群CLUSTER1。LGM时期克氏针茅动态过程导致北部的CLUSTER2与CLUSTER1的融合,并在冰期后再发生向北扩张迁移的过程,从而构成了目前复杂的遗传多样性格局。根据Nei的遗传距离利用UPGMA方法得出的进化树,将53个种群划分成为6个Group,这6个Group相互重叠混合,显示出较弱的地理结构,证明克氏针茅种群有过复杂的历史动态过程。我们发现在燕山东侧存在一个杂交带,是来自科尔沁沙地的种群与来自西侧的种群在LGM后的间冰期第二次融合杂交产生的。
目前全球变化(全球变暖)正在通过引发物种灭绝和改变物种分布格局来影响和改变着陆地生态系统进程,因此全球生物多样性保护得到了越来越多的关注。历史进程可以为我们预测未来的动态变化提供大量有用的信息和资料,通过结合谱系生物地理学方法和物种分布模型(SDM)预测技术,我们能够利用对克氏针茅的研究得到更多关于草原的历史和未来动态的信息,因而进一步促进我们对温带草原生物多样性的保护。