联合物种分布模型与生物群落层次框架: 生态学理论、方法及应用

　　摘要： 理解环境过滤、生物相互作用与中性过程如何共同塑造物种分布与群落结构, 是现代群落生态学的核心问题。然而, 传统多样性指数、排序分析及单物种分布模型(single-species distribution models, SDMs)难以同时整合物种间关联、环境梯度、性状与谱系等多维信息, 导致对群落构建机制的解析能力受限。联合物种分布模型(joint species distribution models, JSDMs)特别是生物群落层次建模(hierarchical modelling of species communities, HMSC)框架的提出, 为群落尺度的机制推断提供了统一而灵活的贝叶斯工具。本文系统综述了HMSC的统计结构、数学原理与推断机制, 构建了一个从数据组织、模型设定、马尔可夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo, MCMC)估计、模型评估到生态解释与预测的完整分析流程。同时结合苔藓群落数据配套编写了《联合物种分布模型HMSC的应用分步教程》, 通过分步讲解与可运行R代码, 助力研究者快速掌握该方法的实操应用。在理论部分, 本文明确了HMSC如何在统一的贝叶斯层级框架下整合环境梯度、物种性状、系统发育关系以及空间结构, 从而分离环境过滤、生物过滤与扩散限制的统计信号。在方法层面, 本文通过解析潜在变量模型的数学结构, 阐明了残差相关在生态解释中的边界, 为理解物种共现信号、区分环境效应与未观测因子提供了理论依据; 对比了HMSC与其他主流JSDMs工具及传统群落统计方法的优势及适用性。在应用层面, 综述了其在森林、湿地、草原、海洋、城市及微生物生态学中的应用进展, 展示了其在保护规划、入侵种风险评估、共现网络分析及情景预测中的广泛价值; 随着图形处理器加速与迁移学习与大规模高维数据框架的发展, HMSC可提升稀有物种生态位估计与分布预测, 使数十万物种的群落建模成为可能。综上, JSDMs及HMSC不仅在生态统计方法论上实现了从单物种预测到多物种?多维信息整合的跨越, 更为生态理论检验、群落构建机制解析及保护决策制定提供了高效、可扩展且能量化不确定性的工具平台。