我国科学家提出集合群落时空动态分析的新理论框架

生物多样性多尺度上的时空动态变化是群落生态学一直以来的研究热点。在全球变化背景下，生物多样性的时空动态及其驱动机制研究对生物多样性保护和生态系统管理愈发重要。集合群落理论为整合多尺度时空动态研究提供了一个普适性的群落生态学理论框架。然而，当物种灭绝-定植和斑块增加-丧失过程同时发生时，当前在量化集合群落时空动态仍面临诸多挑战。因此，需要建立同时考虑物种和斑块的理论方法框架以深入理解集合群落动态背后的这些过程。

集合群落由多个局域斑块(或称之为局域群落)组成，通过物种的扩散把这些斑块连接起来。早期的集合群落方法通常认为集合群落是静态的，但最近越来越多的研究表明集合群落存在时间动态。集合群落的时间变化通常包括两个非相互排斥的两个方面（图1A）：即物种和斑块的变化。物种组成随时间的变化可以描述为：1）局域斑块斑块内的物种增加(局域定植)和丧失(局域灭绝)，以及2）区域物种库的物种增加(区域定植)和丧失(区域灭绝)。需要注意的是，该处所引述的局域定植和灭绝过程指的是该物种不贡献于区域物种库的变化，否则该物种发生了区域性定植或灭绝。同样地，类似于物种，斑块本身也可能存在时间动态变化，在集合群落景观中增加或消失。斑块的增加或减少可能会直接导致区域物种库发生变化，但并非总是如此。重要的是，无论是物种发生变化还是斑块发生变化，均会使得物种在集合群落内的分布模式发生改变，最终可能导致区域生物同质化或异质化。上述理论分析表明，局域和区域尺度上的定植和灭绝以及斑块的增加或丧失是集合群落时空动态的重要过程，不同的过程可能会导致相似的生态结果，而相同的过程亦会导致不同的生态结果，而且不同的过程和结果可能同时发生（图1A）。

基于上述理论分析，农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室研究员肖治术研究团队提出了一个通过物种-斑块网络的理论新框架来量化集合群落的时空动态（图1B）。他们使用物种-斑块网络来表示集合群落，其中物种和斑块为节点，物种是否占据斑块为物种和斑块之间的连接，物种多度为连接强度。进而提出了量化集合群落动态的两条途径：1）物种-斑块网络结构的时间变化，以及2）物种-斑块连接的时间beta多样性及其反映物种灭绝-定植和斑块增加-丧失动态的组分分解。通过数值模拟，表明物种-斑块网络方法能够提供有关集合群落构建过程的信息且能有效分解物种定植-灭绝以及斑块增加和丧失的贡献。基于3个经验数据集，研究均表明物种-斑块网络方法在阐明集合群落动态的方面具有适用性，其揭示了物种-斑块网络结构的变化，以及斑块在环境变化下的定植-灭绝和斑块增加和消失的过程，同时该方法能够将生物多样性格局的时空变化与环境变化联系起来。该理论框架不依赖于特定的斑块集合群落，而且可以应用于多空间和时间上重复调查的生物多样性监测数据。结合智能传感器和环境DNA等先进监测技术，该方法可帮助我们更好地理解在全球变化下生物多样性丧失的时空变化和潜在的生态过程，并为监测集合群落的长期动态提供了有效的方法。

该研究以“Disentangling spatiotemporal dynamics in metacommunities through a species-patch network approach”为题于2023年在国际生态学专业期刊Ecology Letters上在线发表。

该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金项目和国家重点研发计划的资助。

图1 集合群落时间动态和物种-斑块网络理论框架。

来源： 中国科学院动物所