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水生所揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級內和營養(yǎng)級間的種群異步性對消費者群落穩(wěn)定性具有相反的效應
隨著全球氣候變化和人類干擾的不斷加劇，了解生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用機制對于生態(tài)系統(tǒng)功能和服務的維持具有重要意義。群落生態(tài)學中的穩(wěn)定性最常采用變異系數(shù)（即標準差與均值的比值）來衡量，它描繪了群落豐度隨時間變化的特征。相關理論研究表明，群落穩(wěn)定性可分解為種群異步波動（即種間異步性）與加權平均的物種穩(wěn)定性（即種群穩(wěn)定性）。最近的實證研究和薈萃分析結果均表明，物種多樣性與群落穩(wěn)定性之間主要呈現(xiàn)正相關，這主要歸因于物種多樣性對種間異步性（Population asynchrony）的積極影響。先前有關“多樣性-異步性-穩(wěn)定性”的關系研究多關注單一營養(yǎng)級，而對其在多個營養(yǎng)級間的作用機制在很大程度上尚不明確。
近日，中國科學院水生生物研究所謝平研究員團隊發(fā)表的研究成果揭示了湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級內和營養(yǎng)級間的種群異步性對消費者群落穩(wěn)定性具有相反的效應。
武漢東湖（無人機航拍：王藍天）
該研究以2003-2020年間中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN）中國科學院東湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗站月度浮游動物（消費者）和浮游植物（資源）的長期觀測研究數(shù)據(jù)為基礎，對生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級間群落異步性（Trophic community asynchrony）進行了量化，同時在氣候變暖、魚類（鰱鳙）攝食和營養(yǎng)鹽（氮磷）富集等多重壓力下，對浮游動物和浮游植物營養(yǎng)級內和營養(yǎng)級間的種間異步性（圖1）影響季節(jié)性生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的機制進行了研究（圖2）。
圖 1 營養(yǎng)級內和營養(yǎng)級間種間異步性的增加（即種間異步性和營養(yǎng)級間群落異步性）對群落穩(wěn)定性的可能影響。（a）種間異步性量化了物種應對環(huán)境波動時隨時間變化所產(chǎn)生的不同反應（即時間尺度上的保險效應）（Yachi & Loreau,1999），其通常會減少群落總體屬性的波動，促進群落穩(wěn)定（Loreau et al.,2021）。（b）營養(yǎng)級間群落異步性可能會使消費者和資源之間的關系脫鉤（Visser & Gienapp,2019），從而導致消費者與最優(yōu)的食物資源不匹配，最終降低消費者的群落穩(wěn)定性（Thackeray et al.,2010;Kharouba et al.,2018）。實線旁邊的垂直虛線段描述了相關群落隨時間的波動幅度。虛線段越長，穩(wěn)定性越低。
圖2? 水溫、魚類產(chǎn)量和營養(yǎng)鹽（總氮和總磷）對浮游植物（Phytoplankton）和浮游動物（Zooplankton）群落穩(wěn)定性影響的結構方程模型。圖左邊為使用Simpson多樣性指數(shù)評估的與浮游植物群落穩(wěn)定性有關的結構方程模型，圖右邊為使用Simpson多樣性指數(shù)評估的與浮游動物群落穩(wěn)定性有關的結構方程模型。紅色和黑色實線箭頭分別代表顯著的正面和負面途徑，虛線箭頭則代表不顯著的途徑，箭頭寬度與關系強度成正比。粗體數(shù)字表示標準路徑系數(shù)（*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001）。R2m代表了對響應變量的“固定效應”解釋（Phytoplankton: Fisher's C = 25.591,P-value = 0.596,DF = 28;Zooplankton: Fisher's C = 35.824,P-value = 0.570,DF = 38）
研究結果表明在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級內，物種多樣性主要通過增加種間異步性來促進群落穩(wěn)定性，并且物種多樣性還可以通過增加種群穩(wěn)定性來促進群落穩(wěn)定性，后者與之前在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)（即物種多樣性與種群穩(wěn)定性主要表現(xiàn)負相關）并不一致；在營養(yǎng)級間，研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)級間群落異步性會破壞消費者群落的穩(wěn)定，這表明營養(yǎng)級內部和營養(yǎng)級之間的種群不同步對消費者群落的穩(wěn)定性具有相反的效應。此外，結構方程模型結果還表明，水溫升高和氮磷營養(yǎng)鹽富集會顯著削弱浮游植物和浮游動物的群落穩(wěn)定性。而魚類（鰱鳙）產(chǎn)量主要對浮游動物群落穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的負面影響，對浮游植物群落穩(wěn)定性的影響微弱且并不顯著。
該研究以“Population asynchrony within and between trophic levels have contrasting effects on consumer community stability in a subtropical lake”為題，近日發(fā)表于國際動物生態(tài)學經(jīng)典期刊《Journal of Animal Ecology》上(https://doi.org/10.1111/1365-2656.14176)。水生所博士生饒驍為第一作者，水生所謝平研究員和云南大學蘇豪杰副研究員為共同通訊作者，北京大學王少鵬研究員等參與了相關研究。本研究得到了國家自然科學基金重大研究計劃集成項目（92251304）和青年基金（32101308）的資助。