基于群落构建机制研究生物多样性与疾病之间的关系

Accelerating rates of global biodiversity loss and disease emergence underscore the importance of understanding how changes in biodiversity affect disease outcomes. The answer to this question is important to both ecology and biodiversity conservation. Host biodiversity may play a dual role in the emergence and spread of diseases. On the one hand, higher biodiversity may lead to greater diversity and abundance of pathogens and thus more incidences of the transmission and outbreak of diseases. On the other hand, higher biodiversity may buffer the emergence and spread of infectious diseases. Till now, whether biodiversity play a dilution or amplification effect on disease risk remain controversial. This debate may partially due to that host community composition is more important to emergence and spread of infectious diseases than species richness. In fact, the influences of biodiversity loss on ecosystem functioning and service rely heavily on the mechanisms of community assembly. However, researches on the relationship between biodiversity and disease outcomes do not take mechanisms of community assembly into account. With a combination of theoretical study and field investigations, we will study the influence of biodiversity on disease outcomes at both local- and metacommunity levels, and the effect of Allee effect on this relationship. Our study may provide guidelines to disease control in reality.

在全球生物多样性快速丧失的背景下，生物多样性与疾病之间的关系不仅是一个重要的生态学问题，同时跟生物保护密切相关。宿主的多样性在疾病的出现和传播过程中可能起着双重作用。一方面它提供了庞大的潜在新病源体库，从而可能导致新型疾病的爆发；另一方面，生物多样性可能能够抑制已有疾病的传播或新型疾病的出现。到目前为止，关于生物多样性和疾病的关系有两种截然不同的观点：稀释效应和放大效应。这一争议本身可能预示着对疾病而言，群落的构成比物种多样性更重要。事实上，多样性减少对生态系统的功能和服务可能造成的影响与群落本身的构建机制密切相关，然而迄今为止，人们并没有把群落构建机制纳入到关于生物多样性和疾病之间关系的研究中来。本项目拟结合理论分析和野外控制实验，研究在不同的群落构建机制下，局域群落和集合群落尺度上生物多样性和疾病之间的关系，以及Allee效应对这一关系的影响，为在实践中控制疾病传播提供理论依据。

生物多样性对传染性疾病的稀释效应是生态系统的基本服务功能之一，但是对于生物多样性-疾病关系如何随着生态系统的退化和全球变化而变化缺乏相应的研究。我们通过建立多宿主的传染病模型并进行计算机模拟，研究了生物多样性的度量方式、物种的空间分布格局、群落构建方式和宿主Allee效应对多样性-疾病关系所产生的影响。研究表明，Shannon多样性指数在解释疾病风险变化时优于物种丰富度指标，并且结合Shannon多样性指数和功能多样性的广义线性回归模型能够最大程度地解释疾病风险的变化。宿主物种分布的空间自相关程度越高，疾病爆发的风险越大，此时物种丰富度的改变对疾病风险的影响越弱，反之亦然。当群落以替代法构建时容易发生稀释效应，而以叠加法构建时则容易发生放大效应，并且当物种多度和感染率之间正相关时这种效应更加明显。Allee效应会减弱稀释效应的发生强度，并且影响作用的大小与寄生作用的聚集程度有很大关系。一般来说，寄生作用的聚集程度越高，稀释效应越明显。为了检验相关的理论研究结果，我们在青藏高原东部的高寒草甸上通过去除实验模拟群落中物种多样性的丧失，并结合物种均匀度、系统发育多样性等指标，利用广义线性模型分析生物多样性和植物叶真菌病害严重度之间的关系，以及增温和施肥对这一关系的影响。研究表明虽然病原体多样性随着宿主物种多样性的增加而增加，群落水平上的病害严重度随着宿主物种数的增加而减小（即稀释效应）。在保持物种丰富度恒定的情况下，病害严重度随系统发育距离的增加而降低，即存在系统发育稀释效应，且这一效应跟物种多度无关。施肥减弱宿主多样性对叶真菌病害的稀释效应，低易感性的物种在施肥的条件下更容易丧失或多度降低，从而导致病害严重度随着施肥量的增加而增加。我们的研究结果在一定程度上解释了稀释效应存在争议的原因，丰富了该领域的相关理论和实验研究。