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研究亮点
HIGHLIGHTS
1. 通过开发和运用(Biotic Disturbance Engine)BITE平台精确反映松材线虫的生物学特性和种群行为在模型中的表现；
2. 基于文献和现有数据开发了松材线虫(PWN)参数化模型，探究不同参数对病原体传播和树木死亡的影响；
3. 为其他新兴生物体纳入生态系统模型提供了蓝图，为应对未来的生物干扰提供参考。
01
研究背景
在过去的几十年中，森林干扰机制发生了显著变化，其中野火、干旱和虫害爆发的严重程度有所增加。特别是，由于昆虫和疾病的发展加速、传播范围扩大，以及树木在气候变化压力下防御能力的下降，生物干扰(biotic disturbance)成为发生频率最高的干扰类型之一。与此同时，国际贸易的发展导致入侵昆虫和病原体等宿主物种迁移到新的地区，扰乱原生生境，使得森林生态系统的健康和可持续面临严重威胁。
尽管一些研究揭示了生物干扰对森林的严重危害，但目前人们对入侵的潜在机制及其对生态系统功能和服务供给的理解仍然有限。为此，研究人员开始使用基于过程的生态系统模型来研究植被动态，从而获得仅通过经验研究无法获得的见解。然而，这些模型通常缺乏对干扰过程机制的详细表示，或仅纳入少量关键干扰因素，而且模型对生物因素的表示往往集中于某些突出物种，可能导致对实际生物风险的不准确表示。尽管有些模型如LANDIS II的Biological Disturbance Agent扩展和Biotic Disturbance Engine(BITE)已经尝试纳入多种生物因素及其相互作用，但仍难以广泛应用。不仅如此，虽然也有一些模型提供了生物因素和气候敏感的植被动态之间的双向接口，但这些整合仍然不足以全面反映复杂的生态系统相互作用。在模拟模型中，生物和种群动态的生物学与其抽象表示之间仍存在很大差距。
松材线虫(PWN)为外来入侵性病原体，是松枯萎病(PWD)的致病因子。本文使用BITE平台模拟并再现PWN生命周期、感染机制、传播路径等过程的动态行为和结果。研究旨在精确反映PWN的生物学特性和种群行为在模型中的表现；了解不同参数对病原体传播和树木死亡的影响；评估PWN对森林碳储量和通量的潜在影响，同时验证模型的生态合理性。
02
研究方法
通过收集亚洲和南欧关于PWN的实验室和现场实验文献，以及相关模型研究，获取参数化PWN生物学和宿主-病原体相互作用所需的信息。基于文献中的实验数据和观察结果，研究人员为模型中的PWN生命周期、栖息地适宜性、传播距离、种群增长、建立概率和对植被的影响等过程估计参数。使用BITE模型模拟PWN的分布和影响。将BITE模型与iLand森林景观模型耦合，模拟PWN动态与森林植被动态之间的相互作用。通过改变关键参数值，评估不同参数对PWN传播速度、树木死亡率以及森林碳储量和通量的影响。在假设的网格化景观上进行敏感性分析，之后在中欧真实森林景观上进行影响评估实验。在上述两种景观上模拟PWN的引入，评估其对森林结构、树木死亡率、碳储量和碳通量的影响。最后，将模拟结果与现有的观测数据进行比较，验证模型准确性，并根据新的实证知识对模型参数进行迭代式细化和改进。
图 1｜森林景观模型iLand与Biotic Disturbance Engine(BITE)之间的主要组成部分和接口
图 2｜利用Biotic Disturbance Engine(BITE)模拟松材线虫(PWN)动态的简化流程图，流程交互及基于文献综述确定的参数值
03
研究结果
图 3｜欧洲实验森林景观位置(a)及苏格兰松林分的分布情况(b)
图 4｜敏感性分析显示不同参数值对侵染95%网格单元并达到95%树木死亡率所需年份的影响
图 5｜松材线虫(PWN)在5 km2的人工松林景观中的扩张情况
图 6｜在引入后50年间人工景观中侵染进程及松树死亡率的时间变化
图 7｜在三个不同生物过程假设情景下，松材线虫(PWN)在中欧森林景观中引入后的三个时期的森林侵染进展
图 8｜模拟松材线虫(PWN)在中欧森林景观侵染网格单元数量的时间进展(a); 松材线虫(PWN)引入导致的松树年死亡率(b); 松树死亡数量的累积比例(c)
图 9｜松材线虫(PWN)引入对松林活体碳量(a)及整个森林活体碳量(b)的影响
图 10｜松材线虫(PWN)引入对总初级生产力(GPP)和异养呼吸(Rh)(右轴)的影响，以及对树木死亡率发展(左轴)的影响
Cite this article
Schafstall, N., Dobor, L., Baldo, M., Liebhold, A.M., Rammer, W., Honkaniemi, J., & Hlásny, T., 2024. Assessing the effect of invasive organisms on forests under information uncertainty: The case of pine wood nematode in continental Europe. For. Ecosyst. 11, 100226.
https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100226
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100226
关于本刊
《森林生态系统(英文)》（Forest Ecosystems）是由教育部主管、北京林业大学主办的林学、生态学类的开放获取学术期刊。主要收录森林生态系统、森林群落、森林环境、遥感、气候变化、大数据等相关研究领域的高质量、原创性研究论文和评论性文章。影响因子4.1，在中科院期刊分区表中居农林科学大类一区，林学小类一区。
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森林生态系统(英文)
微信号：Forest Ecosystems
https://www.sciencedirect.com/journal/forest-ecosystems
编辑：唐珊珊
审核：李杰
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