原创 生态学家 生态学家 2022-07-26 10:22 发表于上海

Environ. Sci. Technol. | Viewpoint

探究影响特定生物过程的主要因素，长期以来一直是生态学和环境科学取得进展的主要动力。

随着气候变化和人为干扰的当前以及新兴的威胁，不同的生态系统正在经历这样一种情况，即越来越多的环境压力因素（如气候变暖、农用化学品的生态毒性效应、生物入侵和农业化肥带来的富营养化），以更高的速度（即频率和强度）和重叠或同步的方式运作。

虽然干旱、变暖或施肥等单一压力源会引起它们各自的一系列环境响应，但它们的交互作用有可能对生态系统的功能产生无法预料的影响，其导致的反馈回路可能使生态系统无法从扰动中恢复过来。

在本文中，作者讨论了同时研究多重压力源和生态系统多功能性后果的重要性，以准确描述生态系统对快节奏的全球变化情景所带来的新兴威胁的响应。本文提出了一种称为 "Multiple in Multiple out（MI-MO）"的概念性方法（图1），它可用于研究不同压力源交互效应的性质（例如，加和、协同或拮抗），及其与之对应的对多功能性的后果（补偿、相加、级联、拮抗或协同）。这种努力将会有助于对生态系统的复杂性及其对动态环境扰动的多重响应有一个更准确的——但也是隐秘的——理解。

图1. "Multiple in Multiple out（MI-MO）"概念示意图

正如人们认识到，当多种指标（如地上和地下生物量、物种多样性、对干扰的抵抗力或复原力）综合在一起时，就能更好地理解和更恰当地评价一个生态系统一样，人们对多重压力源以及它们如何相互作用以同时影响生物多样性的平衡、生态系统生产力和生物地球化学循环有了新的认识。

这种生态系统科学的方法可以促进了我们对多重压力源的交互性质（加和、协同或拮抗）的更全面理解。扰动对生态系统的整体影响分别是单个压力源影响的总和、乘积或分数。例如，不断变化的气候条件和人为氮沉降动态相互作用对生态系统层面的碳储量的影响。

揭示与多重压力源组合相关的动态模式及其对碳和养分循环的影响，对于对自然和农业生态系统中碳封存经济学感兴趣的研究人员和从业者具有至关重要的意义。此外，它直接将地方和全球范围内环境条件的变化与大气质量和温室气体排放联系起来。

同样，生态系统多功能性，或 "生态系统同时提供多种功能和服务的能力"，最近也得到了重视，因为它为生物系统提供了一个更全面的评价。简而言之，多功能性方法允许对不同类别（如供应、调节、支持和经济）的个别功能和/或服务进行加权，从而通过将 "价值 "与个别响应指标（如生物多样性、生物量或产量）脱钩，以体现出生态系统权衡的复杂性。

例如，在平衡土壤生物多样性、产量、土壤肥力、减少水土流失、水生富营养化和土壤碳动态的价值时，解释农业管理实践对农业生态系统（如有机、无土栽培与常规）和其他方面（如附近的水道）的感知效益会发生巨大的变化。

与多重压力源的交互性质一样，生态学的多功能性方法可以产生类似于上述交互作用的加和、协同或拮抗后果。补偿性结果描述了不同的生态系统响应相互抵消的情况，产生了生态系统多功能性的净变化，该变化比个体响应的最大绝对量值更接近于零。最后，级联式多因素反应作为上游压力源的触发因素，有可能产生积极或消极的反馈回路，可能从而使生物多样性的损失永久化，或是使生态系统功能增强，也垦年导致可能阻碍缓解的遗留效应。

多重压力源与多功能性后果的整合

将多重压力源研究与生态系统多功能性评估相结合，可以以提高模型预测的准确性，这对理解生物多样性丧失、生态系统生产力和养分循环动态之间的关系具有重要意义。

这种方法学上的整合具有重要意义，特别是对（i）提高我们正确解释不同系统中气候变化影响的能力；(ii) 根据相关的生态系统服务更好地估计有针对性的管理工作（即保护和恢复）的成本-价值权衡。

最重要的是，明确采用 MI-MO 方法有可能揭示各种因素和响应之间的隐秘关系，这些因素和响应到目前为止一直未被描述并归因于无法解释的变化。这种隐秘的、复杂的知识差距在很大程度上导致了我们始终无法准确描述和建模生态系统对多重扰动的响应，特别是在当把尺度从个体种群层面扩展到群落和生态系统时。

尽管对单一（通常占主导地位的）压力源的研究提供了对单个生态系统响应的有用测量，但这种情况更可能有助于概念性知识的获得，并模糊了交互效应。拥抱多重压力源的交互作用的复杂性及其对多功能性的后果，将更加现实地反映影响全球生态系统的全部因素。

在确定全球变化和人为扰动对生态系统的总体影响时，采用 MI-MO 方法将鼓励同时考虑环境、生物和社会经济生态系统服务的价值。毫无疑问，随之而来的科学进步将对我们更好地提供政策、管理和保护措施的能力产生关键影响，从而确保在地方和全球范围内持续提供生态系统服务。

MI-MO方法也非常符合2021年IPCC报告的要求，即提供综合信息以指导立法者的是最重要的优先事项。因此，我们认为，尽管科学知识是决策者所依据的众多因素（如技术可行性、成本、利益相关者的利益和权力）之一，但对生态系统的扰动和响应进行更准确和现实的评估，无疑将有利于决策过程，并可以从不同角度评估生态系统价值。

论文信息

标题：Embracing Complexity in Ecosystem Response to Global Change

期刊：Environmental Science & Technology

类型：Viewpoint

作者：Gordon F. Custer*,& Francisco Dini-Andreote*【The Pennsylvania State University】

时间：2022-6-24

DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c02817

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