Science | 气候变化如何影响动植物的营养互作？

期刊：Science

时间：2020年12月18日

一作兼通讯：Patrice Descombes

资深作者：Loïc Pellissier

单位：Landscape Ecology, Institute of Terrestrial Ecosystems, ETH Zürich, Switzerland

气候变暖导致全球物种的分布范围发生变化，许多低海拔地区的物种正向着高处迁移，进而导致群落组成的改变。由于动物的迁移速度通常快于植物，二者之间往往存在迁移差异。那么，这样的迁移差异，会对生态系统的结构与功能造成何种影响呢？来自苏黎世联邦理工学院景观生态研究组的科学家们通过易位实验的方式，将在低海拔地区活动的蚱蜢转移到了高山草原上，以模拟迁移差异对物种间营养互作以及生态系统结构与功能的影响。

以往研究表明，高山植物通常比低海拔植物更可口，因为高海拔地区植物从对抗草食动物的防御中释放出来。因此，研究者预测移居到高山的草食动物将从其在低海拔“上行效应”的限制中被释放出来，并以广泛的植物谱系为食，从而导致整个植物群落的生物量下降。

然而研究发现，低海拔草食动物（直翅目）在高海拔地区通过食草行为改变了高山植被群落的垂直结构：它们对上部冠层生物量的消耗大大多于下部冠层（图1E）。与网箱控制实验相比，新型草食动物使植物物种丰富度显著增加（图1F-G）。这些新增的植物主要来自于当地的物种库而不是低海拔地区；植物的种类主要为单宁含量高、比叶面积低的小型植物（图2）。这表明草食动物对较高植物生物量的移除可以增加光照，减少竞争，从而增加地被植物的多样性。

这些发现表明，与目前的植物-草食动物互作相比，低地定植的草食动物对高山植物群落的结构具有明显的“下行效应”的影响。在气候变化情境下，草食动物的系统性增加会在总体上减少其适口性植物的生物量，促进这些植物与单宁含量高的小型植物的共存，从而重塑高寒草原的植被结构，补充气候变化的直接影响。

此外，作者使用粪便中的DNA宏条形码技术定量确定草食动物的进食偏好。结果发现，在迁移至高山草原后，植物-草食动物互作网络的结构在系统发育和功能上是保守的（图3）。尽管群落的其他成分（捕食者等）也可能会改变草食动物的范围，并进一步影响未来的生态系统的运作。但是，气候变化可能会通过非生物和生物互作而导致生态系统的改变，并且这些因素可能是不可叠加的。为了预测生态系统对气候变化的这些直接与间接作用的综合响应，需要估算未来新型互作的合适区域，扩散速率，及其对生态系统功能的影响以及互作物种的进化响应等。当动植物互作在功能上保守时，可以更加准确地预测气候变暖对生态系统的影响。

图1. A-B：实验的研究地点；C-D：直翅目物种在气候变化情境下的丰度与多度的变化速率；E-G：分别表示在控制实验中植物的生物量，丰度与物种的获取与减少（阴影部分为减少）变化情况。

 图2. A：功能性状在不同植被高度下的加权群落平均；B：植被的生物量，比叶面积，和韧性在食草与空白对照组中的改变量；C：不同植物在食草与网箱对照中的生物量比较。

图3. 直翅目昆虫由低海拔易迁到高海拔地区后的食性差异，圆圈的大小表示直翅目昆虫消耗的不同植物的生物量。

转自：“生态科研笔记”微信公众号

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