科學家利用網路參數定量表徵人類活動影響下湖泊生物群落結構的喪失

人類活動已顯著影響了生態系統，造成了生物多樣性下降，物種間的關係發生改變，生物和非生物的反饋機制的重組。生態系統應對這種外界干擾，並保持功能不變的能力稱之為彈性。持續的人類活動會使得生態系統彈性下降，難以維持其功能。在自然生態系統中，關於彈性的任何信息都對生態系統管理和決策至關重要，也應該是管理和決策的關鍵。可是，這樣的信息卻極難獲得。近年來，很多彈性變化的間接指標研究，如通用早期信號，已相繼開展。但越來越多的證據表明這些間接指標存在明顯不足。理論認為，生態系統結構決定了生態系統彈性，外界干擾是通過調整生態系統結構來改變彈性的。目前，對生態系統結構的定量表徵以及與彈性關係的研究還很少報道。

在科技部重點研發、中國科學院先導專項B以及重點基金項目的共同資助下，中科院南京地理與湖泊研究所副研究員王榮等聯合英國南安普頓大學通過中國湖泊硅藻資料庫的研究，揭示了硅藻群落結構的時空變化規律，結果表明群落結構參數能夠有效地評估人類活動脅迫下生物群落的彈性損失。研究結果以Network Parameters quantify loss of assemblage structure in human-impacted lake ecosystems為題發表在Global Change Biology上。

該研究首先從理論上闡述了硅藻網路的構建基礎，以及不同類別生物群落（自組織以及頂層設計）網路結構可能表現出的網路參數變化特徵（圖：Theory和Application）。進而結合網路學和生態系統穩定性研究成果，將網路結構參數的變化與生態系統彈性變化相聯繫，在理論上確立了從群落結構變化的角度定量評價彈性的可能性（圖：Application）。其次，研究團隊以中國青藏高原、橫斷山區、長江中下游地區273個湖泊，452種硅藻為例，通過建模構建了中國主要湖區硅藻網路圖譜，進而定量計算了不同空間湖泊和長時間湖泊沉積序列中硅藻群落的結構參數（偏度、聚類係數、異質性）。結構計算結果對比了主要湖泊參數，發現人類活動使得硅藻群落結構發生明顯偏轉，指示了人類活動強度是生物群落遠離自組織狀態的事實（圖：Empirical test）。這一結論在時間序列和空間湖泊中同時存在。結果同時表明，群落生物多樣性由於忽略了物種間的關係，在表徵生態系統響應外界壓力時存在著諸多不足。

該研究為群落生態學、生態系統穩定性研究提供了新思路和新方法，發展了群落結構定量研究的新手段，拓展了古生態數據的應用範疇。研究得出的指標體系有望成為湖泊生態質量和生態健康評價指標體系的一部分，填補目前指標體系的不足。

圖：生物群落結構：構建理論、應用以及中國硅藻網路結構結果的驗證

來源：中國科學院南京地理與湖泊研究所

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