分离进化过程和生态过程在驱动生物多样性中的相对贡献

Exploring the mechanism driving biodiversity is a central aim in community ecology. Previous studies often focus on the effect of ecological processes and neglect that of evolutionary processes, although they are the original driver of biodiversity. To investigate the relative contribution of evolutionary and ecological processes, we propose a theoretical analysis framework. Here we apply this project, amining to determine the relative contribution of evolutionary adaptation (EA) and ecological filtering (EF) in the process of natural soil acidification altering bacterial diversity and to test and improve the theoretical framework. We predict that there are three types of mechanism. First, bacterial diversity is driven by EF alone; second, EA counteracts part of the effect of EF; and finally, EA completely counteracts the effect of EF. Different types of mechanism correspond to different sensitiveness of biological communities under environmental changes, e.g., the bacterial taxonomic groups being driven by the first type of mechanism would be most vulnerable to the intensitified soil acidification caused by acidic rain. More importantly, our thretical framework will stimulate new researches, such as exploring the relative contribution of evolutionary and ecological processes during global warming altering plant diversity, which will help us to identify the relative sensitiveness of different plant groups to the rising temperature.

揭示生物多样性的驱动机制是群落生态学研究的一个中心目标。尽管进化过程是生物多样性的最原始驱动力，但是以前的研究通常仅仅关注生态过程而忽略进化过程的作用。我们提出了一个理论分析框架，可以用来定量进化过程和生态过程的相对贡献。我们申请该项目，通过结合控制实验与调查实验，尝试确定进化适应和生态过滤在自然界缓慢土壤酸化过程改变细菌多样性中的相对贡献，同时验证并完善该框架。我们预测有三种机制：第一种是细菌多样性仅仅是由生态过滤驱动的；第二种是进化适应抵消了生态过滤的部分作用；第三种是进化适应抵消了生态过滤的全部作用。不同的机制意味着生物群落在环境变化下的不同的敏感性，例如受第一种机制驱动的细菌类群会对酸雨导致的进一步土壤酸化最敏感。这一理论分析框架将会刺激新的研究，例如探索进化过程和生态过程在气温升高改变植物多样中的相对贡献，研究结果将会有助于我们判断不同植物类群对气温升高的相对敏感性。

土壤微生物生态学研究的一个核心问题是鉴定生物多样性的变化模式，并且揭示驱动这些模式的生态机制。长期的土壤酸化过程会降低细菌多样性，但是我们对这种现象背后的机制知之甚少。土壤酸化可能通过生态过滤过程降低细菌丰富度。与之相反，有两种过程可能促进细菌丰富度的维持:一是物种通过进化过程来适应酸化压力，另一种是已经适应了酸化压力的别的地方的物种通过扩散过程来进入这些酸化土壤。为了鉴定生态过滤和适应/扩散的相对贡献，我们采集了pH范围从4到7的不同自然生态系统的土壤样品，利用中性土壤做了一个快速酸化实验(使pH达到相同范围)，并且提出了一个理论框架来区分三种潜在的机制（1. 两种过程都不起作用；2. 只有生态过滤起作用；3. 适应/扩散抵消了生态过滤的一些效果）。结果发现细菌域作为一个整体是由第三种机制驱动的，适应/扩散大概抵消了生态过滤的42.4%的作用效果（95%的置信区间是32.7%至50.4%）。同时，不同的细菌门/纲是由不同的机制驱动的，其中第三种机制是主要类型。我们的结果强调了生态机制和进化机制在环境变化影响土壤微生物多样性中都起了关键作用。. 同时，基于该项目的资助，我们发现了我国北方典型草原上维持生物多样性的四种机制。第一，与氮素添加酸化土壤不同，浇水处理会增加土壤pH,因而同时添加氮素和水分对土壤pH的作用会相互抵消，它们对土壤细菌群落的多样性和组成的作用也会相互抵消。第二，相对于常见植物种来说，随机过程在驱动稀有植物种的动态过程中起着更加重要的作用。第三，各种环境变化，如氮沉降、气候变暖和生物多样性丧失，主要是通过调节随机过程而非确定性过程来影响土壤细菌多样性。第四，在维持细菌多样性和组成中，土壤含水量的差异比地上植物功能群的多样性更加重要。