Ecography | 生态系统稳定性的多尺度框架及其应用

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▉  原文信息

导读

稳定性是度量生态系统应对外界干扰、维持其自身功能的能力。以往生态学家对稳定性做了大量研究，但大多关注于局域尺度，因而难以应用到景观尺度的生态系统研究与管理。本文发展了一个新的理论框架，揭示了物种-群落-景观多尺度稳定性之间的内在联系，并将该框架应用于植物群落长期观测数据，检验并证实了局域和区域物种多样性对不同尺度的稳定性的作用。

▉  正文

在过去几十年中，生态学家致力于探究多样性与稳定性的关系，并基于实验和理论方法得出：高的多样性有助于维持高的生态系统稳定性。其机制在于，不同物种对环境波动的响应不同，因此物种间的种群动态具有非同步性，从而对群落或生态系统的整体功能起到保险效应（insurance effect）。类似地，如果不同生境斑块的种群动态具有非同步性，则将起到空间保险效应(spatial insurance effect)，维持景观尺度生态系统功能的稳定性。然而，我们仍缺乏一个整合框架，阐明不同尺度的稳定性及其机制（如同步性）之间的关联。

本研究发展了一个新的理论框架，给出了从物种、群落、到景观尺度的稳定性和同步性的定义，揭示了不同尺度的稳定性之间的内在联系（图1）。这里，稳定性是通过时间变异性度量的，变异越小则越稳定。该框架为理解区域尺度稳定性机制提供了新的思路，也提出了新的研究问题。比如，物种多样性是否在局域和区域尺度上都具有稳定化作用？景观尺度的稳定性主要来自于物种多样性还是斑块间的异质性？

作者给出了一个R函数（var.partition），可方便地将该理论框架应用于经验数据。以美国新墨西哥州的植物群落长期观测数据 (Jornada Long-Term Ecological Research)为例，本文量化了物种多样性和斑块异质性的稳定化作用、检验并证实了局域和区域物种多样性对不同尺度的稳定性的作用（图2）。该地区植被类型为荒漠，观测变量为植物地上生物量。此外，该理论框架还被应用于加州海域大型藻类的稳定性研究（见Lamy et al. 2019一文）。这两项研究表明，在植物生产力和藻类生物量的稳定性维持中，物种多样性起到了比斑块异质性更大的作用。

图1 不同尺度稳定性（或变异性）和同步性之间的联系、以及不同尺度的物种多样性对稳定性的可能作用机制。

图2 局域和区域尺度的物种多样性于种间同步性之间的关系。

▉  结论

综上，本研究结合理论与数据说明，稳定性从小尺度到大尺度(物种⟶景观)呈增加趋势，其增加量由小尺度生态组分（物种或斑块）的同步性所决定。例如，不同物种的时间波动越同步，则群落水平的稳定性越低；不同群落的时间波动越同步，则景观尺度的稳定性也越低。

这一框架为理解稳定性的尺度上推、以及生物多样性在不同尺度上的稳定化作用提供了基础。后续研究可进一步阐明不同尺度稳定性和同步性的影响因素（比如环境因子或人为干扰），从而为全球变化背景下的生态系统管理提供科学依据。

▉  推荐阅读文献

Wang, S. and Loreau, M. 2016. Biodiversity and ecosystem stability across scales in metacommunities. Ecol. Lett. 19: 510–518.

Lamy, T., S. Wang, D. Renard, K. D. Lafferty, D. C. Reed, and R. J. Miller. 2019. Species insurance trumps spatial insurance in stabilizing biomass of a marine macroalgal metacommunity. Ecology 100(7): e02719.

本文编辑：

梁茂伟 | 北京大学，博士后

研究方向：生态学

转自：“Wiley生态环境”微信公众号

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