浮游生物物种多样性对生物量稳定性的影响及机制研究

The relationship between biodiversity and ecosystem functioning is a central issue in ecology. In aquatic ecosystems, phytoplankton and zooplankton are characterized by rapid growth rate, short generation time, and sensitive to the variations of environmental factors. Ecologists have obtained conflicting conclusions when analyzing the influence of plankton species diversity on stability. Besides, the underlying mechanisms of the diversity effects are unclear. In this project, both plankton communities and main environmental factors will be investigated continually from 15 relatively closed reservoirs at the area of River Taizicheng, Chongli District, Zhangjiakou City. The variations of plankton communities and their influencing factors will be analyzed. The effects of plankton species diversity on community biomass and resources use efficiency will be explored. The influence of plankton species diversity on the temporal stability index (TSI) of both community and species will also be discussed. We will calculate the effects of plankton species diversity on average total biomass, summed variance of each species and summed covariance of each two species to explore the underling mechanisms that driving the diversity-stability relationship. The effects of mean and variability of the long term observational environmental factors on plankton TSI will be analyzed. Lastly, the combined effects of environmental factors and species diversity on the TSI of both community and species will be analyzed through multivariate statistical analysis. This research will be helpful in understanding the effects of plankton diversity on community stability and the underlying mechanisms, and maintaining the stability of aquatic ecosystems.

生物多样性与生态系统功能的关系是生态学研究的核心问题之一。水生态系统中浮游植物和浮游动物具有增长速度快、繁殖周期短、营养转换快和对环境变化敏感等特点。生态学家在研究浮游生物多样性对稳定性的影响时得到很多矛盾的结论，且影响机制不明确。该项目选择张家口市崇礼区冬奥会核心区太子城河流域15个相对封闭的蓄水池，对浮游生物和环境因子进行连续监测和取样。研究浮游生物群落变化规律和影响因子；揭示浮游生物物种多样性对群落生物量和资源利用效率的影响；研究浮游生物物种多样性对群落和物种时间序列稳定性（TSI）的影响；通过探索多样性与群落波动的总平均生物量、生物量总方差和协方差的关系揭示多样性影响群落TSI的机制；分析环境因子变化均值和波动的剧烈程度对TSI的影响，并利用多元统计分析研究环境因子和多样性对群落和物种TSI的综合影响。该研究有利于理解浮游生物多样性对稳定性的影响及机制，维持水生态系统稳定。

生物多样性对生态系统稳定性的影响及机制是生态学核心问题，也是过去几十年来存在争议的重要问题。该研究通过对冬奥会核心区太子城河流域不同样点进行连续取样监测，探索浮游生物群落对环境因子的响应，基于Cascade model建立浮游生物之间竞争和捕食关系的食物网结构，构建基于生物力能学原理的浮游生物食物网动力学模型，利用生态学代谢理论计算生产者增长率、消费者呼吸作用速率和最大捕食率，通过数值模拟研究浮游生物物种多样性、富营养化和连接度对浮游生物时间序列稳定性（TSI）的影响并揭示其影响机制。结果表明，浮游生物物种多样性、密度和生物量都有显著的时间和空间差异。基于机器学习的分类回归树分析表明，总氮、水温和总磷是影响浮游生物密度的主要环境因子，而浮游生物物种多样性的主要驱动因子是溶解氧、氧化还原电位、总氮、总磷和水温。这些环境因子解释了浮游生物密度和物种多样性方差变化的比例分别为85.14%和89.13%。数值模拟结果表明，浮游生物物种多样性增加了群落的TSI，但降低了种群的TSI。同时，物种灭绝对群落生物量和TSI的影响取决于所灭绝物种的个体大小。富营养化通过增加生物量波动的时间变异性直接降低浮游植物和浮游动物群落TSI，且通过降低物种多样性间接降低群落TSI。富营养化将优先导致大型浮游植物类群灭绝、小型浮游植物生物量增加。连接度对浮游植物和浮游动物TSI的影响及机制不同，较高的连接度促进浮游动物和小型浮游植物的可持续性和生物量，但降低大型浮游植物的可持续性和生物量。食物网拓扑性质分析结果表明，食物网结构是三分的，即食物网拥有较高的连接度、中间捕食者比例和营养级；或者拥有较高的顶级捕食者比例及其连接；或者拥有较高的生产者比例及其连接。分类回归树分析揭示了食物网主要拓扑性质对群落生物量、稳定性等的复杂影响、解释率以及影响机制。该研究的结果和方法将有助于理解浮游生物多样性对稳定性的影响及机制，维持水生态系统稳定。