增温和营养盐富集对水生群落个体重量-丰度分布律和拓扑结构的影响

Global warming and nutrient enrichment are great challenges for global ecosystem. Both of them exert significant effects on community structures. However, the previous studies focus on the effects of single factor and largely ignore the effects of their interaction terms. Besides, if warming benefits small or large species is still controversial, i.e. there exists opposite effects of warming on body mass-abundance scaling. This conflict can be explained by the recent ‘nutrient hypothesis’, though it has not been experimentally verified. To test this hypothesis and further explore the cross effects of warming and nutrient enrichment on the topological structure of food webs, we plan to conduct mesocosm experiment with warming and nutrient adding as treatment, and collect the empirical data of different aquatic communities with different treatment levels. On one hand we analyze the change of mass-abundance scaling exponent; on the other hand we build up the food web structures and analyze the response of the topological traits to warming and nutrient enrichment. Meanwhile, by integrating the data of body mass, abundance, and food web structures, we build up food web dynamic model, explain the empirical patterns theoretically, and explore the underlying mechanisms. By the study of this project, we expect to uncover the response of aquatic communities to warming and nutrient enrichment under the background of global change, which has significant value to the scientific management and the sustainable use of aquatic ecosystems.

全球变暖和营养盐富集是当前全球生态系统面临的重大挑战，二者均会对群落的结构产生深远的影响。过去的研究重点关注单一因素影响，对交叉作用研究不足。另外，对于增温有利于个体重量小还是大的物种仍存在分歧，即增温对于个体重量-丰度分布律的影响存在相反的结论。这一矛盾可由最近提出的“营养盐假说”来解释，但该假说仍未经过实验检验。为验证该假说，并进一步研究增温和营养盐添加对食物网拓扑结构的交叉影响，本项目拟通过人工增温和营养盐添加的模拟塘试验，收集不同处理水平下水生群落的数据，一方面分析个体重量-丰度分布律的变化，另一方面构建食物网结构，分析其拓扑特性对增温和营养盐添加的响应。同时，耦合个体重量、丰度和食物网结构的数据，构建食物网动力学模型，从理论上解释试验现象，探索其机理。通过本项目的研究，期望揭示全球变化背景下水生群落对增温和营养盐富集的响应，对水生态系统的科学管理和可持续利用具有重要价值。

全球变化是当前全球生态系统面临的重大挑战。揭示增温和营养盐富集对水生群落的影响是保护和可持续利用水生资源的关键之一。基于此，本项目综合模型模拟和微宇宙实验验证，以浮游植物、浮游动物为研究对象，从个体重量-丰度分布律、生物群落组成、网络拓扑结构是如何响应增温、营养富集入手，揭示全球变化背景下水生群落的响应机制。模型模拟结果表明，温度因素和个体重量—丰度分布律呈现线性关系，营养盐浓度和个体重量—丰度分布律呈现非线性关系，营养盐与温度具有显著的交互作用，在营养盐浓度高时，温度对分布律幂指数的降低作用得到了一定程度的缓解，而在营养盐浓度低时，温度的影响更加明显，即能量传递效率随温度的降低在低营养状态下更明显。微宇宙实验结果表明，在高温度段（26℃）中，随着营养盐输入的增多，个体重量-丰度分布律的截距和斜率均显著提升，即大物种的丰度增加而小物种的丰度降低，支持“营养盐假说”。而浮游生物的多样性不受这两个因素影响，浮游动物的生物量随升温和营养盐输入增加而升高。增温导致浮游植物共现网络的模块度升高。本项目负责人及项目成员严格遵守《国家自然科学基金条例》规定并受益于项目资助。项目研究成果已发表学术论文3篇，培养了在读博士研究生1名，已毕业硕士研究生2名。