环境异质性对实验微藻多样性、多功能性及稳定性间关系的影响

One central theme of community ecology is to explore the relationship between biodiversity, ecosystem functioning and stability. Although a positive correlation between biodiversity and community biomass (a measure of ecosystem functioning), or between biodiversity and temporal stability (a measure of stability), is often reported, studies that explicitly test the relationship between biodiversity and multiple ecosystem functions, or between biodiversity and other indexes that also measure system stability, are very limited. Meanwhile, many existing studies often overlook the potential impact of environmental conditions on such relationships. Here we propose a project in which aquatic microcosms are assembled and constructed, with microalgal richness and environmental heterogeneity directly manipulated. Multiple ecosystem functions, including community biomass, lipid production, nitrogen and phosphorous removal efficiency and carbon fixation efficiency, as well as major aspects of system stability, including temporal stability, resistance, resilience and invasibility, are directly measured. In particular, the relationships between microalgal richness, ecosystem multifunctionality and stability under homogeneous versus heterogeneous environmental conditions are quantified and compared. Therefore, the proposed study could help reveal the impact of environmental heterogeneity on the relationship between biodiversity, ecosystem multifunctionality and stability, and provide research strategy and experimental basis for the further development of relevant ecological theories.

群落生态学研究的一个核心内容是探讨生物多样性、生态系统功能和稳定性之间的关系。尽管生物多样性与群落总生物量（生态系统功能的一个度量指标）或时间稳定性（稳定性的一个度量指标）之间普遍呈现正相关关系，然而探讨生物多样性与生态系统功能或稳定性其它度量指标之间关系的研究却十分有限，现有研究也往往忽略了环境条件对生物多样性、生态系统功能和稳定性之间关系的潜在影响。本项目构建了水生微宇宙系统，通过调控微藻多样性水平和环境异质性程度，系统研究微藻多样性与总生物量、脂质产量、除氮磷能力和固碳能力等多种生态系统功能衡量指标，以及与时间稳定性、抵抗力、恢复力、抵御力等多种稳定性衡量指标之间的关系，特别是分析和比较在同质和异质环境条件下微藻群落多样性、多功能性和稳定性之间关系的差异性，为揭示环境异质性对生物多样性、生态系统多功能性和稳定性之间关系的影响，以及推动相关理论研究的进一步发展提供方法策略和实验基础。

群落生态学研究的一个核心内容是探讨生物多样性与生态系统功能之间的关系，但现有研究往往孤立地分析多样性与某一生态系统功能之间的关系，却忽略了环境条件的变化对多样性、生态系统功能，以及两者间关系的影响。本项目对多种生态系统功能度量指标进行了研究，并侧重探讨生物多样性对生态系统多功能性的综合影响作用。同时，在实验设计中不仅采用了直接调控生物多样性水平的传统实验方法，而且同时调控了环境的异质性程度，从而较为全面和系统地检验了环境异质性对生物多样性、生态系统多功能性、以及两者间关系的影响。研究结果显示，随着微藻丰富度的增加，群落总生物量、稳定性、水质净化能力和抵御入侵能力均相应增加。然而，微藻丰富度与脂质产量之间并没有统计学意义上的显著关系。尽管单一生态系统功能与微藻丰富度之间并不总是呈现显著的正相关关系，随着微藻丰富度的增加，其与微藻群落生态系统多功能性之间呈现显著的正相关关系，且微藻丰富度对群落生态系统多功能性的影响比对单个功能的影响更大。同时，在单培养状态下各种生态系统功能的测定值有着较大的变异性。然而，随着群落多样性水平的增加，不仅是生态系统多功能性随之增加，而且其变异性也呈现下降趋势。此外，环境异质性并不总是增强微藻多样性对微藻群落生态系统功能的影响作用，其影响取决于变化环境的性质与类型。由于生物多样性在维持生态系统多功能的过程中发挥着更为重要的作用，而在变化环境下生物多样性水平面临着更大的风险。因此，在全球变化不断加剧的情况下，为了维持生态系统多功能性，就需要更高的生物多样性水平的支撑。本研究为推动生物多样性-生态系统功能研究从偏重单一生态系统功能向关注多种生态系统功能提供必要的方法策略和实验基础。同时，本研究通过分析异质环境条件下微藻多样性与各种生态系统功能之间的真实关系，深入探讨了决定这些重要生态过程的驱动力，为相关生态理论的进一步发展提供新的研究思路和方法。