原文刊登于Journal of Ecology（1区Top，IF：6.3），doi为10.1111/1365-2745.13578，作者为Kathryn E. Barry。
要点
1. 全球生物多样性的下降速度比人类历史上任何时候都快。小空间尺度的实验操作表明，物种较少的群落始终比多样性较高的群落产生较少的生物量。了解全球灭绝危机对生态系统功能的后果需要了解当地实验结果如何随着空间和时间尺度的增加以及从实验到自然组装系统而发生变化。
2. 在不断变化的世界中跨时间和空间扩展需要基线预测。在这里，我们使用观察到的宏观生态模式为生物多样性 - 生态系统功能关系的面积缩放提供了一个图形零模型：物种 - 面积曲线和生物量 - 面积曲线。我们使用物种 - 面积和生物量 - 面积曲线来预测物种丰富度 - 生物量关系如何随着采样范围的增加而变化。然后，我们使用来自两个自然组装的生态系统的数据验证这些预测：明尼苏达大草原和巴拿马热带干旱森林。
3. 我们的图形零模型预测生物多样性 - 生态系统功能关系是规模相关的。但是，我们注意到两个重要的警告。首先，我们的结果表明基于生物多样性-生态系统功能实验中的测量结果和尺度理论的预测之间存在明显的矛盾。当生态系统的功能作为每单位面积的测量（例如生物质每平方米)，正如在生物多样性-生态系统功能实验中常见的那样，生物多样性生态系统功能关系的斜率应该随着规模的增加而减小。或者，当生态系统功能不是按单位面积测量时（例如总生物量总和），正如尺度研究中常见的那样，生物多样性-生态系统功能关系的斜率应该随着空间尺度的增加而增加。其次，可以预见的是，生物多样性实验的潜在宏观生态模式与一些自然组装的系统不同。实验的基本模式与自然组装系统之间的这些差异可能使我们能够更好地了解来自生物多样性-生态系统功能实验的模式何时在自然组装系统中有效。
4. 最重要的是。本文提供了一个简单的图形零模型，该模型可以扩展到生物多样性与跨空间或时间的任何生态系统功能之间的任何关系。此外，这些预测为我们如何以及何时能够将结果从小规模生物多样性实验扩展到生物多样性正在发生变化的自然组装的区域和全球生态系统提供了重要的见解。
引言
由于多种原因，局部规模的实验和观察性研究的结果可能无法代表正在发生物种丧失的区域和全球规模。首先，生物多样性实验中的物种损失通常是随机模拟的，非随机损失对生态系统功能的影响可能比随机物种损失更大或更小。其次，决定生物多样性维护和生态系统功能的相关过程随着规模的增加而变化。生态位分化和植物土壤反馈等局部过程在小尺度上可能最相关，而元群落内的扩散等过程在区域尺度上可能更重要。最后，不同尺度的生物多样性变化模式可能不同，群落组成和物种特征的变化在小尺度上变化最大，在全球尺度上损失占主导地位。了解如何将局部尺度的结果与正在发生物种丧失的区域和全球尺度联系起来，对于预测全球灭绝危机的后果至关重要。
此外，理论预测生物多样性与生态系统功能之间的关系可能是规模相关的。最近对预测生物多样性-生态系统功能关系的规模依赖性的理论的评论表明，规模依赖性有四个非相互排斥的基于过程的原因。首先，基于共存理论，随着空间尺度的增加，生态位划分的机会也会增加。这反过来又增加了物种丰富度对生态系统功能的重要性。其次，如果物种丰度对空间和时间的环境波动做出反应，那么环境自相关决定了生物多样性-生态系统功能关系的饱和率。如果这种环境自相关性很强，那么生物多样性对于更大空间尺度上的生态系统功能更为重要。第三，嵌入元社区的当地社区之间的连通性可以增加或减少生态系统功能对跨尺度生物多样性的依赖。最后，当地社区内部和社区之间的网络结构可能导致多样性和生态系统功能之间关系的规模依赖性。
重要的是，了解生物多样性丧失对全球范围内生态系统功能的潜在影响需要两种不同类型的缩放。首先，生物多样性实验通常发生在小空间尺度上。要将这项研究应用于生物多样性丧失的全球问题，我们必须了解这些关系可能如何随着采样范围的增加（即从 1平米到 1 平方千米）。其次，生物多样性实验是对自然组装系统的抽象，其中操纵多样性，其他因素保持不变。了解生物多样性变化对生态系统功能的影响还需要从实验到自然组装系统的概念扩展。最近的工作试图通过概念上的进步在多个空间尺度上使用观察性生物多样性梯度进行实证评估来弥合这些差距和理论。大多数这些研究的主要结论是，生物多样性的重要性应该随着采样面积的增加而增加。
在这里，我们提供了一个简单的图形零模型，该模型使用物种 - 面积曲线和生物量 - 面积曲线（下图）来预测生物多样性 - 生态系统功能关系应如何随着采样范围的增加而变化。这个图形零模型的目标是提供一个简单的缩放框架，使我们能够使用小规模的实验和观察数据集，并在未测量的空间尺度上推断这些模式。鉴于我们在这些小尺度上观察到的模式适用于其他模式，这种推断代表了预期的现实世界缩放关系。此图形零模型主要侧重于随着采样范围的增加而扩大规模，但可能对如何从实验系统扩展到自然组装系统具有重要意义。
不同空间尺度上植物物种丰富度-生物量关系的基础数学的图形描述。(a) 在局部，物种丰富度与采样范围呈非线性关系，而生物量与采样范围呈线性关系。对于特定面积A i，物种-面积曲线表示在面积A i 的地块上发现的物种S i的平均数量。类似地，对于特定区域A i，生物量面积曲线产生在该区域发现的物种的平均总生物量B i。对应的坐标对 ( S i , B i) 形成物种丰富度生物量生产关系图 (b)。这些坐标对揭示了物种丰富度和跨尺度生物量生产之间潜在的加速非线性关系。在任何给定的尺度上，物种丰富度生物量生产曲线包含原点（因为在零物种丰富度时，生物量生产为零，反之亦然），以及测量平均值的点 ( S i , B i )。如果物种丰富度生物量关系是线性的（见图 S1对于这种形状的替代解释）并通过这两点，那么物种丰富度-生物量关系的预测斜率是该区域的平均生物量除以该区域的平均物种丰富度 (c) 和物种的斜率丰富度生物量生产关系随着采样空间尺度的增加而增加。(d) 当以单位面积来衡量生物量时，它不太可能随着采样范围的增加而改变。(e) 如果是这种情况，则物种-面积曲线决定了物种丰富度-生物量关系随空间尺度增加的斜率 (f)。因此，我们预计物种丰富度-生物量关系的单位面积版本的斜率会随着面积的增加而减小，并且斜率将以减速的速度减小。
讨论
从局部到全球尺度应用宏观生态预测
我们的研究结果的一个重要结论是，我们可以使用宏观生态模式来准确预测局部空间尺度上物种丰富度 - 生物质生产关系的比例。然而，局部到全球尺度的物种面积曲线（均为对数转换）可能遵循幂律三相。随着考虑的区域扩大，物种丰富度的增长速度在局部范围内放缓（如下图所示）。在区域尺度上，物种丰富度随着面积的增加而近似线性增加。从景观到全球尺度，物种丰富度随着面积的增加而加速增加。鉴于这种潜在的宏观生态模式，我们预计物种丰富度 - 生物量关系也会随着我们从局部到全球尺度而发生变化。在生物量生产方面（下图 a），我们预计，随着面积的增加，物种丰富度与生物量之间关系的斜率将局部增加，区域保持不变，全球下降。重要的是，这个全球斜率不会下降低于最高局部坡度的坡度（下图b）。也就是说，如果物种丰富度对生物量生产有贡献，那么每个额外的物种将对区域尺度上的生物量生产贡献最大，而在最小的局部尺度上则贡献最小。或者，就单位面积的生物量产量而言，我们预计物种-面积曲线将从局部到全球尺度非线性变化，并且单位面积的生物量产量将随尺度不变（下图 c）。在这种情况下，物种丰富度与生物量产量之间关系的斜率将随着面积的增加而下降（下图 d）。
此处找到的一般比例关系也可以扩展到任何其他将非线性关系与线性关系相结合的分析。例如，物种丰富度-时间关系，虽然不如物种-面积关系研究得那么好，但它也是非线性的。如果我们假设在平衡群落中单位面积的生物量产量随时间保持相对恒定，那么我们预测物种丰富度-生物量关系的斜率将随着时间的增加而降低，并且每个额外的物种对每单位生物量的产量都不那么重要时间增加的区域。
转自：“第二太平洋舰队”微信公众号
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