原文信息
DOI: 10.1111/geb.13307
摘要
目的:目前对生态系统稳定性生物机制的研究主要集中在地上生物多样性。地下生物多样性是否以及如何影响自然生态系统的稳定性在很大程度上是未知的。本研究探讨了高海拔不同梯度土壤及气候条件下草地地上、地下生物多样性与生物量生产的时间稳定性之间的关系。
地点:西藏高原。
时间段: 2001–2016。
主要类群:高原草本以及土壤细菌、丛枝菌根真菌以及动物类群。
方法:以青藏高原54个高寒草地生态系统为研究对象，利用卫星遥感技术对2001-2016年青藏高原54个高寒草地生态系统进行增强植被指数(enhanced vegetation index, EVI)调查。初级生产力的时间稳定性计算为这一时期平均年峰值EVI与年峰值EVI的标准差 (SD) 的比值。采用经典植被调查方法确定植物多样性，采用高通量测序方法测定土壤细菌和AM真菌多样性，采用改进的Berlese-Tullgren方法提取土壤动物群落，并在目级进行鉴定和计数。
结果：结果表明，地上和地下生物多样性与生态系统稳定性均呈正相关。地下生物多样性不仅直接影响生态系统的稳定性，而且还通过植物多样性和土壤肥力间接影响生态系统稳定性。此外，土壤pH值、气候及其变异性对土壤生物多样性具有重要影响，进而影响生态系统稳定性。
主要结论:研究揭示了地下生物多样性在调节生态系统稳定性方面不可或缺的作用，强调了在面临持续环境变化的脆弱高寒生态系统中保护这种“隐藏的”生物多样性的必要性。
研究背景
面对变化的环境时，更高的生物多样性倾向于促进生态系统的功能和稳定性。然而，已有研究大多只关注地上生物多样性(如植物多样性)，而忽视了地下生物多样性对生态系统稳定性的潜在重要作用。由于人们对这种“未被发现”的地下生物多样性的了解有限，土壤生物多样性是否以及如何影响生态系统的稳定性仍然是未知的，特别是在自然生态系统中。这种知识的缺乏限制了人们对生物多样性丧失的功能性后果的理解，也妨碍了准确预测持续的全球环境变化导致的生物多样性变化的后果的能力。
土壤生物区系包括了从微观细菌和真菌到宏观生物 (如蚯蚓、蚂蚁等) 的数百万种和数十亿种生物，所有这些都存在于一个单一的生态系统中，因此它是地球上最大的生物多样性库之一。土壤生物多样性在促进植物分解和养分循环的生态过程中起着重要的作用，在促进植物获得养分及其对逆境因子的耐受性方面起着重要的作用，从而影响着陆地生态系统的植物性能和功能。此外，越来越多的研究表明，土壤生物多样性通过植物-土壤反馈作为植物种群和群落属性的主要驱动因素之一。基于这些研究结果，提出了土壤生物多样性影响生态系统稳定性的可能机制途径。例如，土壤生物区系可以通过直接或间接调节植物多样性和群落组成，通过植物对水分和养分的吸收、土壤养分供应和物种补给性动态来影响生态系统的稳定性。虽然这些潜在机制中的一种或几种已经在小规模实验中得到了检验，但它们很少在大尺度上进行探索，因此在不同的气候和土壤环境条件下进行探索。
植物生产力的时间稳定性通常被量化为生产力的时间平均值与其标准差的比率。然而，在大尺度上，获得连续测量的长时间序列的植物生产力是一个巨大的挑战。利用植被指数，如增强植被指数(EVI)或正态差异植被指数(NDVI)，遥感技术为大时空尺度上的生态系统稳定性推断提供了一种潜在的方法。近年来，在区域或全球范围内开展的一些研究已经将这些植被指数与土壤生物多样性调查联系起来，探讨了土壤生物多样性与稳定性之间的关系，但这些研究并未纳入研究范围。
本研究中，作者探讨了土壤生物多样性是否及如何变化。通过对青藏高原54个高寒草地生态系统的植物和土壤生物多样性的实地调查，同时结合卫星遥感获得的生态系统生产力指标。青藏高原约占中国陆地面积的25%，其中64%为高寒草地。近50年来，青藏高原以 0.2℃/10年 的速度快速变暖，降水年变化显著。这可能危及牲畜生产的基本生态系统服务，从而危及该地区的人类福祉。
科学问题
(a)地下生物多样性是生态系统稳定性的重要预测因子吗?
(b)地上和地下生物多样性对生态系统稳定性的相对贡献是什么?
(c)地上和地下生物多样性影响生态系统稳定性的直接和间接途径有哪些?
研究地点
主要结果
植物物种丰富度与生态系统时间稳定性呈显著正相关，土壤AM真菌丰富度与生态系统稳定性呈极显著正相关。而土壤细菌OTUs和土壤动物丰富度与生态系统稳定性无关。
在考虑了地理、土壤和气候等变量的强烈影响后，生物多样性的地上、地下部分对生态系统稳定性的影响相对较弱，但仍与生态系统稳定性密切相关。模型选择结果表明，在11个最佳模型中，有9个模型同时包含地上和地下生物多样性。最佳统计模型，包括上述 (植物物种丰富度) 和地下 (土壤AM真菌丰富度) 的生物多样性度量，占生态系统稳定性变化的43%。更重要的是，与环境变量 (气候和土壤，42%) 相比，地上和地下多样性度量在生态系统稳定性的解释方差中占比更高 (54%) 。
土壤生物多样性对生态系统稳定性的影响主要表现在两个方面:一是土壤AM真菌通过增加平均EVI峰值对生态系统稳定性有直接的、较强的正向影响，而土壤细菌和动物对其影响较弱; 其次，土壤生物多样性通过对植物物种丰富度的正向影响对生态系统稳定性产生了间接的正向影响，但由于两者之间的相关性较弱，这些效应在统计学上并不显著。土壤生物多样性可能通过土壤动物增加土壤肥力而对生态系统稳定性产生微弱的负面影响。SEM模型还表明，植物物种丰富度对生态系统稳定性的显著正影响主要是通过降低峰值EVI的SD，而不是增加平均峰值EVI。土壤pH值对EVI峰值的平均峰值和SD的影响几乎相等，因此pH值对生态系统稳定性没有直接影响。但土壤pH值通过改变地上、地下生物多样性和土壤肥力来间接影响生态系统稳定性。其中，土壤pH值对土壤AM真菌丰富度有正向影响，对土壤细菌和植物物种丰富度有负向影响，促进生态系统稳定性，对土壤肥力有负向影响，降低生态系统稳定性。
讨论 & 结论
研究结果表明，青藏高原高寒自然生态系统的地上、地下生物多样性与生态系统稳定性之间存在显著的正相关关系。这种关系比稳定性和环境特征之间的关系要强得多。
该研究为地下生物多样性有助于生态系统生产力的时间稳定性提供了实验证据，表明在自然生态系统的大区域尺度下，地下生物多样性与生态系统稳定性显著相关。在考虑土壤和气候变量后，综合考虑地上和地下生物多样性的最佳模型占生态系统稳定性变化的43%。这一数值大于之前几项利用遥感方法评估生态系统稳定性的大型研究，但低于一项来自全球旱地的研究，该研究解释了73%的生态系统稳定性变化。此外，研究中所考虑的地上和地下生物多样性比土壤和气候特征更重要 (54 vs 42%)，说明生物多样性在自然生态系统中具有普遍和强大的稳定作用。
地下生物多样性通过土壤肥力和植物多样性等多种直接和间接途径影响生态系统的稳定性，但间接影响相对较弱。此外，地上和地下生物多样性还介导了土壤pH值和气候及其变异性对生态系统稳定性的影响。综上，研究结果表明，同时考虑地上和地下生物多样性对于预测人类活动导致的生物多样性丧失对生态系统稳定性的影响至关重要，并强调了在面临持续变化时保护脆弱的高寒生态系统中这种“隐藏的”地下生物多样性的必要性环境变化。
THE END
本文编辑 李逸 | 中科院动物所在读博士。
主要研究方向，昆虫多样性、功能多样性 & 营养级互作。
转自：“新岗记事”微信公众号
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