隨大尺度環(huán)境條件改變的生物多樣性、生態(tài)系功能與環(huán)境之間的因果關係網(wǎng)絡

由臺大國家理論科學研究中心張俊偉博士與海洋所謝志豪教授所領導的國際研究團隊，透過「非線性時間序列分析」解析全球19個長期觀測的水域生態(tài)系統(tǒng)（包含湖泊、河流、河口到海洋），揭露生物多樣性、生態(tài)系功能與環(huán)境因子之間的交互作用與迴饋調(diào)控，這項研究成果於2022年3月3日發(fā)表在頂尖科學期刊《自然通訊》Nature Communications。研究團隊克服過去在自然觀測的條件下，量化複雜因果關係與迴饋調(diào)控的困難挑戰(zhàn)。該團隊進一步指出生物多樣性、生態(tài)系功能與環(huán)境因子之間的複雜迴饋調(diào)控網(wǎng)絡，如何隨著全球尺度的環(huán)境梯度而發(fā)生變化。該研究對於生態(tài)系統(tǒng)的永續(xù)管理帶來全新且整合性的網(wǎng)絡思維。

了解生物多樣性對於生產(chǎn)力、生物量和資源運用效率等生態(tài)系功能的影響，一直以來都是環(huán)境與生態(tài)永續(xù)科學所關注的核心議題。在過去的二十年內(nèi)，生態(tài)學家建立各式各樣的實驗系統(tǒng)來證明生物多樣性是維持良好生態(tài)系功能不可或缺的要素。然而，在真實自然環(huán)境中，不只生物多樣性可以影響生態(tài)系功能，生態(tài)系功能和其他的環(huán)境因子也會反過來影響生物多樣性。因此，透過人為實驗系統(tǒng)操弄，固然可以確立生物多樣性對生態(tài)系功能影響的因果關係，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(diào)控（例如：藻類多樣性對初級生產(chǎn)力的調(diào)控會進一步改變營養(yǎng)鹽的循環(huán)，最終迴饋至多樣性本身）。另外，這些與多樣性相關的因果關係和迴饋調(diào)控並非一成不變，而是隨著不同的環(huán)境條件而發(fā)生變化。這些複雜性都使得過去在實驗系統(tǒng)所得到的結論，難以被應用到真實的生態(tài)系統(tǒng)中；進而造成環(huán)境變遷或生物多樣性流失，而此對生態(tài)系統(tǒng)的衝擊，則難以被有效評估。

為了克服這樣的挑戰(zhàn)，研究團隊分析來自全球19個水域生態(tài)系統(tǒng)的長期時間序列資料（16-41年）。研究應用新穎的分析方法稱作交叉收斂映射（CCM），重建自然系統(tǒng)的因果關係網(wǎng)絡，且量化重要生態(tài)系因子，包括藻類多樣性、生態(tài)系功能（以藻類生物量作為指標）以及眾多物理、化學環(huán)境因子之間的因果關係和迴饋調(diào)控。團隊進一步透過比較不同系統(tǒng)所建構的網(wǎng)絡，指出在水域生態(tài)系中，影響生態(tài)系功能和生物多樣性的關鍵因子。該研究也首度揭露這些複雜的交互作用以及迴饋調(diào)控，如何隨著全球尺度的環(huán)境梯度而發(fā)生改變。例如，生物多樣性對於生態(tài)系功能的調(diào)控是重要且廣泛存在於各類型的水域生態(tài)系統(tǒng)，但其調(diào)控強度在溫暖且優(yōu)養(yǎng)化的水域環(huán)境會被明顯削弱。另外，在溫暖且生產(chǎn)力高的環(huán)境中，藻類多樣性傾向透過以氮鹽為基礎的迴饋系統(tǒng)來調(diào)控藻類生物量；反之，在寒冷且生產(chǎn)力較低的環(huán)境，藻類多樣性則傾向透過以磷酸鹽為基礎的迴饋系統(tǒng)來調(diào)控藻類生物量。

這些宏觀生態(tài)格局（macroecological patterns）有助於了解生態(tài)系統(tǒng)在面對全球環(huán)境變遷下的反應，也提供一個整體的網(wǎng)絡觀點清楚闡明系統(tǒng)中生物多樣性、生態(tài)系功能與物理、化學環(huán)境之間的複雜迴饋調(diào)控。這樣的觀點將使科學家得以進一步評估環(huán)境變遷與生物多樣性流失對生態(tài)系統(tǒng)造成的衝擊，也對未來在管理生態(tài)系統(tǒng)與重要的生態(tài)系功能之際，提供更全面且整合的全新研究架構。

研究成果已刊登於國際期刊《自然通訊》：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28761-3