Nature | 多样性增强生态系统稳定性

【摘要】生物多样性的保险假说认为多样性能够使群落在特定物种丧失或表现不佳时保持正常功能。根据保险假说的预测，物种数量多的群落应该更容易预测其特性，如群落生物量，即更多的物种会提高生态系统的可靠性 (reliability)，可靠性是指生态系统在给定的时间内提供一致水平的功能的可能性 (即稳定性 stability)。然而，至今仍没有证据支持这一假说。为了验证该假说，本研究建立了一个微生物群落，不同群落中的物种数量不同。研究结果发现：随着物种数量的增加，群落生物量和密度的变异性越小。这些结果表明，功能冗余 (每个功能群有多个物种) 对维持群落功能稳定是有意义的，保护生物多样性能够为生态系统提供足够的功能冗余，进而维持生态系统功能的长期稳定。

Fig.1 Experimental design.

生物多样性的保险效应的基础就是生物之间的补偿性生长，在这个过程中，群落中同一功能群中的一个物种增加能够抵消同一功能群中另一个物种的减少或丧失。功能群，或生态等效物种群，由所测量的生态系统特性来定义。对于多营养系统 (即包含自养生物，如植物或浮游植物，分解者和消费者，如食草动物和捕食者)，功能群可以定义为营养群。因此，当每个功能群的物种数量 (S) 或 S/F 增加时，生态系统的可靠性 (稳定性) 应该会增加，因为每个功能群的物种数量越多，发生补偿性生长的可能性就越大。

为了检验这一假说，本研究构建了318个微生物群落，每个群落都含有无机和有机营养物、光自养物和分解物。所有环境条件保持不变，但改变了营养 (3个水平)、光照 (2个水平)、S/F (3个水平) 和F (4个水平) (Fig.1)。在试验结束时 (培养57天后)，本研究测量了自养生物和分解者的生物量和群落密度作为响应变量。这些响应变量是反映自然生态系统同化、光合作用、呼吸和分解等主要过程的综合指标。每个功能群的物种都是从物种库中随机选取的。如果S/F增加了生态系统的可靠性，那么无论光照或营养水平如何，响应变量都应该会表现出更大的可预测性或更低的方差。随着S/F的增加，这些生态系统的可预测性更强。总的来说，在所有S/F水平上，藻类生物量都随F的增加而下降。然而，当S/F = 1时，藻类生物量与F之间的关系较弱，但随着S/F的增加而显著增加 (Fig.2)。细菌密度随F或S/F的变化没有显著变化 (Fig.2)。然而，分解者密度的标准差(SD) 随着S/F的增加而强烈下降 (Fig.2)。较高的S/F水平所产生的生态系统可靠性增加与光照和营养水平无关。方差分析表明：营养物对平均藻类生物量和平均细菌密度有显著影响 (P < 0.05)，而光照对这两个响应变量均无显著影响。同时也表明：S/F对平均藻类生物量和物种灭绝率有显著影响 (P < 0.01)。随着F值的增大，自养生物的生物量降低 (Fig. 2)，物种灭绝率更高。因此，S/F对生态系统生物量的均值和方差都有影响。因此，在局部物种灭绝后，功能群内剩余物种的补偿性生长提高了群落生物量的可预测性。本研究支持了生物多样性的保险假说。

Fig.2 Ecosystem reliability and S/F.

【参考文献】

Naeem, S., and S. Li. 1997. Biodiversity enhances ecosystem reliability. Nature 390:507-509.

转自：“生态科研笔记”微信公众号

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