隨大尺度環境條件改變的生物多樣性、生態系功能與環境之間的因果關係網絡

張俊偉、謝志豪
由臺大國家理論科學研究中心張俊偉博士與海洋所謝志豪教授所領導的國際研究團隊，透過非線性時間序列分析解析了全球19個長期觀測的水域生態系統（包含湖泊、河流、河口到海洋），揭露了生物多樣性、生態系功能與環境因子之間的交互作用與迴饋調控。這項研究成果於2022年三月三日發表在頂尖科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。研究團隊克服了過去在自然觀測的條件下，量化複雜因果關係與迴饋調控的困難挑戰。該團隊進一步指出生物多樣性、生態系功能與環境因子之間的複雜迴饋調控網絡如何隨著全球尺度的環境梯度而發生變化。該研究對於生態系統的永續管理帶來全新且整合性的網絡思維。
 
了解生物多樣性對於生產力、生物量和資源運用效率等生態系功能之影響，一直以來都是環境與生態永續科學所關注的核心議題。在過去的二十年內，生態學家建立了各式各樣的實驗系統來證明生物多樣性是維持良好生態系功能不可或缺的要素。然而，在真實自然環境中，不只生物多樣性可以影響生態系功能，生態系功能和其他的環境因子也會反過來影響生物多樣性。因此，透過人為實驗系統操弄固然可以確立生物多樣性對生態系功能影響的因果關係，卻難以同時檢驗更複雜的雙向交互作用和更精細的迴饋調控 (例如：藻類多樣性對初級生產力的調控會進一步改變營養鹽的循環，最終迴饋至多樣性本身)。另外，這些與多樣性相關的因果關係和迴饋調控並非一成不變，而是隨著不同的環境條件而發生變化。這些複雜性都使得過去在實驗系統所得到的結論，難以被推廣到真實的生態系統中；進而造成環境變遷或是生物多樣性流失對生態系統的衝擊，難以被有效評估。
 
為了克服這樣的挑戰，研究團隊分析了來自全球19個水域生態系統的長期時間序列資料(16-41年)。他們應用了一種新穎的分析方法稱作交叉收斂映射(CCM)，重建自然系統的因果關係網絡，且量化了重要生態系因子，包括藻類多樣性、生態系功能 (以藻類生物量作為指標)以及眾多物理、化學環境因子之間的因果關係和迴饋調控。該團隊進一步透過比較不同系統所建構的網絡，指出在水域生態系中，影響生態系功能和生物多樣性的關鍵因子。該研究也首度揭露了這些複雜的交互作用以及迴饋調控如何隨著全球尺度的環境梯度而發生改變。例如，相較於其他環境因子，生物多樣性對於生態系功能的調控是重要且廣泛存在於各類型的水域生態系統，但其調控強度在溫暖且優養化的水域環境會被明顯削弱。另外，在溫暖且生產力高的環境中，藻類多樣性傾向透過以氮鹽為基礎的迴饋系統來調控藻類生物量；反之，在寒冷且生產力較低的環境，藻類多樣性則傾向透過以磷酸鹽為基礎的迴饋系統來調控藻類生物量。這些宏觀生態格局 (macroecological patterns)，有助於我們了解生態系統在面對全球環境變遷下的反應，也提供了一個整體的網絡觀點清楚闡明了系統中生物多樣性、生態系功能與物理、化學環境之間的複雜迴饋調控。而這樣的觀點將使我們得以更進一步去評估環境變遷與生物多樣性流失對生態系統造成的衝擊，也對未來在管理生態系統與重要的生態系功能之際，提供了一個更全面且整合的全新研究架構。

圖1、透過時間序列的因果關係分析，量化生態系中關鍵組成單元包含生物多樣性、生態系功能以及環境驅動因子之間的因果關係與複雜的迴饋機制。該研究分析了全球19個長期水域生態研究站的浮游植物群聚組成資料，藉由分析重建因果關係網絡，釐清重要的因果關係(e.g, 生物多樣性效應)與迴饋調控(e.g, 多樣性-營養鹽-生物量迴饋)如何隨環境因子(e.g., 溫度或生產力)的梯度而改變。
 
原文轉載自【國立臺灣大學海洋研究所網頁】
http://www.oc.ntu.edu.tw/?p=22273