近日，中國科學(xué)院水生生物研究所研究員謝平團(tuán)隊從物種多樣性和功能性狀出發(fā)，提出了富營養(yǎng)化影響生態(tài)系統(tǒng)彈性的潛在機(jī)制。相關(guān)研究成果以Eutrophication decreases ecological resilience by reducing species diversity and altering functional traits of submerged macrophytes為題，在線發(fā)表在Global Change Biology上。

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換備受關(guān)注，這是由于不可逆的非線性突變會改變生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。隨著系統(tǒng)接近臨界點，生態(tài)彈性會下降。當(dāng)環(huán)境條件超過特定閾值時，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換便會發(fā)生。謝平研究團(tuán)隊基于對武漢東湖64年的長期生態(tài)調(diào)查和沉積柱古硅藻群落數(shù)據(jù)，揭示了包含多營養(yǎng)級生物突變以及時滯的湖泊穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換及其驅(qū)動因素。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化和生態(tài)彈性密切相關(guān)，但如何量化生態(tài)彈性是生態(tài)學(xué)研究的難題之一。而生態(tài)彈性又與生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)控有關(guān)。一般來說，強(qiáng)正反饋易產(chǎn)生突變，而弱正反饋易產(chǎn)生平滑或線性響應(yīng)。正反饋本質(zhì)上來說是自我促進(jìn)的過程，可通過提高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換閾值來緩沖外部環(huán)境變化引起的突變。本研究先前成果表明，大型沉水植物為主的清水狀態(tài)的生態(tài)彈性主要由改變水體透明度的正反饋強(qiáng)度決定。因此，提升以大型沉水植物為主的正反饋強(qiáng)度，削弱以藻類為主的正反饋強(qiáng)度，是保持清水狀態(tài)高生態(tài)彈性的關(guān)鍵。?

生態(tài)系統(tǒng)彈性可受到群落功能性狀的影響，形態(tài)和生理特征反映了物種或群落的生態(tài)策略，對揭示物種對環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)及預(yù)測全球變化具有重要意義。本研究基于光照控制實驗和野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉水植物性狀網(wǎng)絡(luò)與植物的生長、群落結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，具有高形態(tài)復(fù)雜性的沉水大型植物可以在湖底形成密集的草甸，從它們的冠層和根部釋放活性氧，抑制沉積物磷的釋放，并形成復(fù)雜的空間，為浮游動物提供棲息地，對維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的清水狀態(tài)具有重要作用。化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性是植物保持其內(nèi)部元素含量穩(wěn)定的能力，該團(tuán)隊的既往研究表明，沉水植物群落化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性與群落結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性相關(guān)，且高內(nèi)穩(wěn)性植物比低內(nèi)穩(wěn)性植物對水體TP具有更大的響應(yīng)閾值，表明高內(nèi)穩(wěn)性植物占優(yōu)勢的群落可能具有更大的生態(tài)彈性。?

物種多樣性同樣是影響生態(tài)系統(tǒng)彈性的關(guān)鍵，具有高物種多樣性的生態(tài)系統(tǒng)通常具有更高生態(tài)系統(tǒng)功能和時間不變性。由于物種可能對環(huán)境變化做出不同的響應(yīng)，物種不同步變化會提供一種 "保險 "效應(yīng)以保持整體功能的恒定。此外，多個物種可能會具有更高的空間復(fù)雜性和功能冗余，這對促進(jìn)物種共存和強(qiáng)化正反饋作用至關(guān)重要。然而，盡管有明顯的證據(jù)表明世界范圍內(nèi)的物種多樣性喪失，但這種喪失對生態(tài)系彈性的影響卻知之甚少。?

鑒于此，基于對長江中下游，云貴高原和四川盆地的35個湖泊的野外采樣調(diào)查，研究量化了沉水植物的形態(tài)復(fù)雜性（即植物的比表面積）、形態(tài)可塑性（即比表面積的變異系數(shù)）和化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性，探討了水體富營養(yǎng)化如何通過改變沉水植物群落功能性狀和物種多樣性對生態(tài)系統(tǒng)彈性產(chǎn)生影響。?

研究發(fā)現(xiàn)，形態(tài)復(fù)雜性和形態(tài)可塑性與磷化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性相關(guān)，也與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性有關(guān)。研究顯示，以大型沉水植物為主的湖泊，其正反饋強(qiáng)度與群落生物量和物種多樣性顯著正相關(guān)（圖1）。富營養(yǎng)化可以通過降低群落的形態(tài)復(fù)雜性、可塑性和化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性減少群落的生物量，并通過低光照度減少物種多樣性，最終降低清水狀態(tài)的正反饋強(qiáng)度和生態(tài)彈性（圖2）。研究提出，在未來不斷變化的環(huán)境中，應(yīng)同時考慮功能性狀和物種多樣性的變化，以建立更具彈性的生態(tài)系統(tǒng)。?

研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、云南省科學(xué)技術(shù)廳和國家自然科學(xué)基金等的支持。

圖1.?群落生物量和物種多樣性與正反饋強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖2.?富營養(yǎng)化影響正反饋的路徑。箭頭上的數(shù)字表示路徑系數(shù)（*** P < 0.001， ** P < 0.01， * P < 0.05）。黑色箭頭表示負(fù)相關(guān)，紅色箭頭表示正相關(guān)，虛線表示相關(guān)性不顯著。?