手机号码

邮箱

研究方向

水生生态学

论文题目

藻类丰富度空间格局及其对大气CO₂增加的响应：模型与例证

中文摘要

  非生物因素、生物间的相互作用，以及空间尺寸和相对位置深刻地影响着物种丰富度及其时空格局。理解环境异质性对物种丰富度模式的影响，预测物种丰富度对于气候变化的响应是生态中的主要研究问题。藻类作为水生生态系统主要的初级生产力和食物链的重要组成部分，它不仅是水生生态系统水质变化的重要指示，同时，藻类群落组成的变化也会影响水质。本研究通过模型和实验相结合的方法，调查了安康水库上游湖泊和下游河流中藻类丰富度和密度以及环境因素的空间变化，提出了可以平衡环境和空间的异质性度量−单位空间环境变化范围（Environmental range per unit space, ERUS），探讨了ERUS-物种丰富度之间的相关关系及其机制，同时研究了具备不同固碳机制的藻类的竞争能力如何响应大气CO₂浓度变化，旨在为理解、预测和改善丰富度提供理论依据。本研究得出的主要结论如下：

  （1）大坝的建立影响藻类物种组成，密度，丰富度以及空间结构。大坝的建立使河流变成了湖泊，并且影响了下游河流的生态环境和群落结构。我们的调查实验表明，河流和湖泊相比，藻类丰富度和总密度均显著降低，藻类丰富度显著降低了38.00%，总密度显著降低了93.80%。因此，建议在建立大坝时，应综合考虑其对水生生态环境的影响，尽可能地降低对生态平衡和的不利影响。

  （2）单位空间环境变化范围（ERUS）是可以平衡环境和空间的异质性度量。平衡环境和空间对于环境异质性的度量至关重要，异质性可以通过允许更多不同生态位的物种共存来增加物种丰富度，然而，异质性的优势往往以更小的生境面积和更严重的移动和扩散障碍为代价，这反过来会增加本地物种灭绝，减少丰富度。因此，平衡环境和空间可以帮助阐明物种丰富度的空间模式，对于理解，预测和保护物种丰富度至关重要。ERUS可以反映可用空间的数量、可用空间在空间中的比例、可用空间的大小以及空间之间的距离之间的关系，因此，度量ERUS不仅描述了异质性，而且还表示了与环境和空间特征有关的信息。

  （3）物种丰富度和ERUS之间呈现单峰关系。在高匀质性区域，可用空间数量低，在异质性区域，可用空间占空间的比例低，因此，物种出现在它们各自可用空间的可能性是单峰的。由于匀质区域存在较大的空间，异质区域存在较多的空间，这些区域中非相邻空间之间的间隔距离较大，移民扩散到各自可用空间的概率是单峰的。因此，物种共存的可能性是单峰的，由于物种生长在它们各自生可用空间是至关重要的。种群灭绝可能性随着异质性的增加而增加，由于可用空间变窄。这些因素决定了ERUS对物种丰富度的显著影响：在适宜、次优和胁迫环境下，丰富度呈现出沿异质性梯度的单峰分布，湖泊和河流中藻类丰富度呈现出单峰分布。这些结果挑战了物种丰富度随异质性增加的观点，为匀质和异质区域的丰富度保护提供了信息。

  （4）碳同化机制的不同，是藻类多样性沿大气CO₂梯度差异的原因。随着大气CO₂浓度的增加，藻类的竞争优势会发生改变。我们的实验结果表明，大气CO₂浓度从400 ppm增加到760 ppm时，四尾栅藻受到小球藻的竞争影响显著减少了32.45%，受到针杆藻的竞争影响显著增加了72.76%；小球藻受到针杆藻的竞争影响显著增加了314.18%；席藻受到四尾栅藻的竞争影响显著增加了88.89%；针杆藻受到小球藻和席藻的竞争影响分别显著增加了8.35%和12.32%。此外，四尾栅藻和席藻的竞争优势发生反转，400ppm时，藻类竞争能力大小排序为：小球藻>席藻>四尾栅藻>针杆藻；760ppm时，藻类竞争能力大小排序为：小球藻>四尾栅藻>席藻>针杆藻。引起藻类竞争优势沿着大气CO₂梯度变化的原因是碳同化机制的种间差异，多数藻类的固碳机制都是基于HCO₃⁻和CO₂的主动转运，而不同藻类对CO₂和HCO₃⁻的亲和力和通量速率不同，并且亲和力和通量速率呈现负相关关系，底物浓度低时，对底物亲和力高的物种占优势，底物浓度高时，亲和力低的物种由于通量率高，因而竞争能力越来越强，大气CO₂浓度增加，水生生态系统的pH降低，使得水中CO₂的比例增加，HCO₃⁻的比例减少。在低CO₂水平时，对CO₂和HCO₃⁻亲和力都高的物种的竞争优势较为显著，高CO₂水平时，对CO₂亲和力低对HCO₃⁻亲和力高的物种的竞争优势较为显著。因此，研究结果揭示了不同藻类物种的生长和竞争对大气CO₂增加响应的一般性机制，并且强调了固碳机制对于理解，预测和改善气候变化对生物多样性影响的重要性。

  综上所述，本研究阐明了结合环境和空间对于理解、预测和保护物种丰富度的重要性；揭示了环境异质性与物种丰富度之间的单峰关系及其机制，挑战了以往物种丰富度随环境异质性增加而增加的观点；提出了环境异质性的一个新的定量度量，确定了物种丰富度的重点保护区域，即非常匀质和非常异质的区域都应受到重点关注；揭示了生产者竞争能力响应大气CO₂增加的一般性机制，强调了固碳机制对于理解，预测和改善气候变化对生物多样性影响的重要性。因此，本研究扩展了淡水水生系统研究的思路，进而为理解该类系统群落结构与环境变化的关系提供了新角度；同时，又能为回答生态学的一些根本问题提供帮助，如什么因素决定藻类的物种丰富度、多度和分布。

答

辩

安

排

答辩时间

2021年9月1日 下午 15:00开始

答辩地点

创新港校区19号楼19-3034

答辩秘书

张凡

手机号码

工作单位

西安交通大学

答辩评委

评委人数

姓名

职称/是否博导

工作单位

1

张猛

教授     是

西安交通大学

答辩主席

2

刘宗宽

研究员   是

西安交通大学

3

程燕

教授     是

西安交通大学

4

苏军伟

教授     是

西安交通大学

5

郭伟

副教授   是

西安交通大学

6

赵宇玮

教授     是

西北大学

7

李国辉

研究员   是

中国科学院地球环境研究所