【研究成果】宏觀生態環境條件改變下 生物多樣性、生態系功能與環境間之因果關係網路

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  黃愷翊 (科學推展中心特約編輯)


了解生物多樣性、生態系統功能和環境因素間的反饋與因果關係一直以來都是具有挑戰性議題,因為它們不但相當複雜,還會依環境變化而有不同的交互作用。臺灣大學海洋所謝志豪教授,臺大漁業科學研究所張俊偉助理教授及中央研究院環境變遷研究中心夏復國研究員與國際研究團隊合作,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。此研究於今年3月發表於頂尖科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

真實生態系統具有雙向回饋機制

為了了解生物多樣性、生態系統功能和環境因素間的關係,過去許多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。在人為操縱的實驗之下,雖然可以確立生物多樣性對生態系功能影響的因果關係,卻沒有考慮到在真實自然環境中,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,人為實驗環境僅能證明單向的因果關係,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,在真實的自然環境中,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。

藉全球水域生態系統討論生態多樣性與系統功能之作用

其中值得一提的是,儘管浮游植物佔全球初級產量50%以上,目前所知關於生物多樣性、生態系統功能和環境之間的相互作用研究主要著墨於陸地生態系統,因此本研究以水域生態系統為研究目標,並在全球各地選擇了19個水域生態系統,代表各種生態與營養狀態。

為了克服目前學理上的挑戰,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),並應用交叉收斂映射(CCM)分析法檢測時間序列變量之間的因果關係,量化定義了重要的生態系因素,並且近一步比較跨生態網路來討論多樣性和生態系統功能在水生生態系統中的作用。

重建生態系統因果關係,揭露宏觀生態格局

透過交差收斂映射法,研究團隊重建了自然系統的因果關係網路,並且量化生態系中的重要因子包括藻類多樣性、生態系功能以及眾多物理、化學環境因子之間的因果關係和迴饋調控。另一方面,該團隊進一步透過比較不同系統所建構的網路,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。此外,生態多樣性、生態功能與環境因素間的反饋強度也隨生產力而變化。在溫暖的且生產力高的系統中,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。

宏觀生態格局有助未來環境變遷之預測

本研究中展現了宏觀生態格局能建立一個整體的網路觀點,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,提高了我們對生物和非生物環境如何調節生物多樣性的原因和影響的理解,有助於了解生態系統在面對全球環境變遷下的反應。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。

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