Экологические последствия биоразнообразия - Ecological effects of biodiversity

Разнообразие разновидность и гены в экологические сообщества влияет на функционирование этих сообществ. Эти экологические последствия биоразнообразия в свою очередь подвержены влиянию обоих изменение климата через усиленный парниковые газы, аэрозоли и потеря земного покрова[нужна цитата ], и биологическое разнообразие, вызывая быструю потерю биоразнообразия и вымирания из разновидность и местное население. Текущая скорость вымирания иногда считается массовое вымирание, при нынешних темпах исчезновения видов в 100–1000 раз выше, чем в прошлом.[1]

Двумя основными областями, в которых изучается влияние биоразнообразия на функцию экосистемы, являются взаимосвязь между разнообразием и продуктивностью и взаимосвязь между разнообразием и стабильностью сообщества.[2] Более биологически разнообразные сообщества оказываются более продуктивными (с точки зрения биомасса производства), чем менее разнообразные сообщества, и они кажутся более устойчивыми к возмущениям.

Также животные, населяющие местность, могут изменять условия выживания под воздействием факторов, усваиваемых климатом.

Определения

Чтобы понять эффекты, которые меняются в биоразнообразие В связи с функционированием экосистемы важно определить некоторые термины. Биоразнообразие нелегко определить, но его можно рассматривать как количество и / или равномерность гены, виды и экосистемы в область, край. Это определение включает генетическое разнообразие, или разнообразие генов внутри вида, видовое разнообразие, или разнообразие видов в пределах среда обитания или регион, и разнообразие экосистем, или разнообразие местообитаний в пределах региона.

В отношении изменений в разнообразии обычно измеряются две вещи: производительность и стабильность. Продуктивность - это мера функции экосистемы. Обычно он измеряется путем взятия общей надземной биомасса всех растений в области. Многие предполагают, что его можно использовать в качестве общего индикатора функции экосистемы и что общее использование ресурсов и другие индикаторы функции экосистемы коррелируют с производительностью.

Стабильность определить гораздо сложнее, но в целом о ней можно думать двояко. Общая стабильность популяции - это мера, которая предполагает, что стабильность выше, если вероятность исчезновения меньше. Такая стабильность обычно измеряется путем измерения изменчивость совокупных свойств сообщества, таких как общая биомасса, с течением времени.[3] Другое определение стабильности - это мера устойчивости и сопротивления, когда экосистема, которая быстро возвращается к равновесие после возмущения или сопротивления вторжению считается более стабильным, чем тот, который не устоял.[4]

Производительность и стабильность как показатели здоровье экосистемы

Важность стабильности в экологии сообщества очевидна. Нестабильная экосистема с большей вероятностью потеряет виды. Таким образом, если действительно существует связь между разнообразием и стабильностью, вполне вероятно, что утрата разнообразия может иметь обратную связь сами с собой, вызывая еще большие потери видов. С другой стороны, продуктивность имеет менее важное значение для экологии сообщества. В управляемых областях, таких как пахотная земля, а в районах, где выращивают или ловят животных, повышение производительности увеличивает экономический успех области и подразумевает, что область стала более эффективной, что приводит к возможным долгосрочным ресурсам устойчивость.[5] Сложнее понять важность продуктивности природных экосистем.

Помимо той ценности, которую биоразнообразие имеет для регулирования и стабилизации экосистемных процессов, есть прямые экономические последствия утраты разнообразия в определенных экосистемах и в мире в целом. Потеря вида означает потерю потенциала еда, лекарства, промышленные товары и туризм, все из которых имеют прямое экономическое влияние на жизнь людей.[6]

Влияние на продуктивность сообщества

  • Комплементарность Считается, что сосуществование видов растений является результатом ниша разделение или различия в потребностях в ресурсах между видами. За счет взаимодополняемости более разнообразное растительное сообщество должно иметь возможность более полно использовать ресурсы и, следовательно, быть более продуктивным.[5][7] Этот механизм, также называемый нишевой дифференциацией, является центральным принципом функциональная группа подход, который разбивает видовое разнообразие на функциональные компоненты.[8][9]
  • Облегчение Облегчение представляет собой механизм, с помощью которого определенные виды помогают или позволяют другим видам расти, изменяя окружающую среду таким образом, чтобы это было благоприятным для совместного обитания видов.[10] Растения могут взаимодействовать через посредников, таких как азот, вода, температура, пространство или взаимодействие с сорняками или травоядными, среди прочего. Некоторые примеры облегчения включают большие пустынные многолетние растения, выступающие в качестве питательных растений, способствующие появлению молодых соседей других видов за счет снижения водного и температурного стресса.[11] и обогащение питательными веществами азотфиксаторами, такими как бобовые.
  • Эффект семплирования Эффект разнообразия выборки можно рассматривать как более высокий шанс включения видов с наибольшей присущей продуктивностью на более разнообразный участок. Это обеспечивает влияние композиции на продуктивность, а не разнообразие, являющееся прямой причиной. Однако эффект выборки на самом деле может быть совокупностью различных эффектов. Эффект отбора проб можно разделить на большую вероятность выбора вида, который 1) хорошо адаптирован к конкретным условиям участка или 2) обладает большей собственной продуктивностью. Кроме того, можно добавить к эффекту выборки большую вероятность включения 3) пары видов, которые в значительной степени дополняют друг друга, или 4) определенного вида с большим стимулирующим эффектом на других членов сообщества.

Обзор данных

Полевые эксперименты по проверке степени, в которой разнообразие влияет на продуктивность сообщества, дали разные результаты, но многие долгосрочные исследования в пастбище экосистемы обнаружили, что разнообразие действительно увеличивает продуктивность экосистем.[12][13][14] Кроме того, доказательства этой взаимосвязи также были обнаружены в микрокосмах пастбищ. Различия в результатах между исследованиями могут частично объясняться их опорой на образцы с одинаковым видовым разнообразием, а не с видовым разнообразием, которое отражает наблюдаемое в окружающей среде.[15] Эксперимент 2006 года, в котором использовались реалистичные вариации видового состава для образцов пастбищ, обнаружил положительную корреляцию между увеличением разнообразия и увеличением производства.[15]

Однако эти исследования пришли к разным выводам относительно того, была ли причина больше в разнообразии или в составе видов. В частности, разнообразие функциональных ролей видов может быть более важным качеством для прогнозирования продуктивности, чем разнообразие количества видов.[15] Недавние математические модели подчеркнули важность экологического контекста в решении этой проблемы. Некоторые модели указали на важность беспокойство ставки и пространственные неоднородность окружающей среды,[16] другие указали, что время, прошедшее с момента нарушения, и пропускная способность среды обитания могут вызывать различные отношения.[17] Каждый экологический контекст должен давать не только разные отношения, но и различный вклад в отношения из-за разнообразия и состава. Текущий консенсус придерживается мнения, что определенные комбинации видов обеспечивают повышенную продуктивность сообщества.[18]

Будущие исследования

Чтобы правильно определить последствия разнообразия для продуктивности и других экосистемных процессов, должно произойти многое. Во-первых, необходимо, чтобы ученые перестали искать единственную взаимосвязь. Теперь из моделей, данных и теории очевидно, что нет единого всеобъемлющего влияния разнообразия на продуктивность.[нужна цитата ]. Ученые должны попытаться количественно оценить различия между эффектом состава и эффектами разнообразия, поскольку многие эксперименты никогда не дают количественной оценки окончательного реализованного видового разнообразия (вместо этого подсчитывается только количество посаженных видов семян) и смешивают эффект выборки для фасилитаторов (фактор состава) с эффектами разнообразия. .

Относительное количество чрезмерный (или насколько больше вид растет при выращивании с другими видами, чем в монокультуре) следует использовать, а не абсолютные количества, поскольку относительное чрезмерное выращивание может дать ключ к разгадке механизма, посредством которого разнообразие влияет на продуктивность, однако, если экспериментальные протоколы неполны, можно указать на наличие дополнительного или стимулирующего эффекта в эксперименте, но не уметь распознать его причину. Экспериментаторы должны знать, какова цель их эксперимента, то есть, предназначен ли он для информирования естественных или управляемых экосистем, поскольку эффект отбора проб может быть только реальным эффектом разнообразия в естественных экосистемах (управляемые экосистемы составлены таким образом, чтобы максимизировать взаимодополняемость и облегчение независимо от численности видов). Зная это, они должны иметь возможность выбирать пространственные и временные масштабы, подходящие для их эксперимента. Наконец, чтобы разрешить дискуссию о функции разнообразия, рекомендуется проводить эксперименты с большим количеством пространственной неоднородности и неоднородности ресурсов и флуктуаций окружающей среды во времени, поскольку эти типы экспериментов должны быть в состоянии более легко продемонстрировать взаимосвязь функции разнообразия.[5]

Влияние на стабильность сообщества

  • Эффект усреднения Если все виды по-разному реагируют на изменения в экосистеме с течением времени, то усреднение этих реакций приведет к более стабильной во времени экосистеме, если в экосистеме присутствует больше видов.[3] Этот эффект статистический эффект от суммирования случайный переменные.
  • Отрицательный эффект ковариации Если одни виды чувствуют себя лучше, а другие - хуже, то, когда в экосистеме больше видов, их общий отклонение будет ниже, чем если бы в системе было меньше видов. Эта более низкая дисперсия указывает на более высокую стабильность.[19] Этот эффект является следствием конкуренция поскольку высококонкурентные виды будут отрицательно коварий.
  • Страховой эффект Если в экосистеме больше видов, то у нее будет больше шансов иметь избыточный стабилизирующие виды, и у него будет большее количество видов, которые по-разному реагируют на возмущения. Это повысит способность экосистемы буфер возмущения.[20]
  • Сопротивление вторжению Разнообразные сообщества могут использовать ресурсы более полно, чем простые сообщества, из-за эффекта разнообразия для взаимодополняемости. Таким образом захватчики может иметь меньший успех в различных экосистемах, или может быть уменьшена вероятность того, что вторгшийся вид привнесет новое свойство или процесс в разнообразную экосистему.[9][21][22]
  • Устойчивость к болезням Уменьшение количества конкурирующих видов растений может привести к увеличению численности других видов, облегчая распространение болезней этих видов.[21][22][23]

Обзор данных временной стабильности

Модели предсказывали, что эмпирический отношения между временный различия в продуктивности сообществ и видовом разнообразии действительно реальны, и они почти должны быть такими. Некоторые данные временной стабильности можно почти полностью объяснить эффектом усреднения путем построения нулевых моделей для проверки данных.[3][12] Конкуренция, вызывающая отрицательные ковариации, только укрепляет эти отношения.

Обзор данных устойчивости и устойчивости к восстановлению

Эта область более спорная, чем область временной стабильности, в основном потому, что некоторые пытались обобщить результаты моделей и теории временной стабильности на стабильность в целом. Хотя взаимосвязь между временными вариациями продуктивности и разнообразием имеет математическую причину, которая позволит видеть взаимосвязь гораздо чаще, чем нет, это не относится к стабильности сопротивления / устойчивости. Некоторые экспериментаторы видели корреляция между разнообразием и уменьшенной инвазивностью, хотя многие видели и обратное.[24] Корреляция между разнообразием и болезнями также незначительна, хотя теория и данные, кажется, подтверждают это.[23]

Будущие исследования

Чтобы лучше понять влияние разнообразия на временную стабильность экосистем, необходимо признать, что они неизбежны. Создавая нулевые модели для проверки данных (как в Doak et al. 1998[3]) становится возможным находить ситуации и экологические контексты, в которых экосистемы становятся более или менее стабильными, чем они должны быть. Обнаружение этих контекстов позволит механистическим исследованиям того, почему эти экосистемы более стабильны, что может позволить применять их в сохранение управление.

Что еще более важно, более полные эксперименты по выяснению того, действительно ли различные экосистемы противостоят вторжению и болезням лучше, чем их менее разнообразные эквиваленты, такие как вторжение и болезнь, являются двумя важными факторами, которые приводят к исчезновению видов в наши дни.

Теория и предварительные эффекты от изучения пищевых сетей

Одна из основных проблем дебатов о разнообразии-продуктивности и стабильности-разнообразии, которые обсуждались до этого момента, заключается в том, что оба сосредоточены на взаимодействии только в одном трофический уровень. То есть их интересует только один уровень пищевой сети, а именно растения. Другое исследование, не связанное с влиянием разнообразия, продемонстрировало сильное воздействие на экосистемы сверху вниз (см. краеугольные камни ). Имеется очень мало фактических данных о влиянии различных пищевых сетей, но теория помогает нам в этой области. Во-первых, если пищевая сеть в экосистеме имеет много слабых взаимодействия между разными видами, тогда у него должны быть более стабильные популяции, а сообщество в целом должно быть более стабильным.[4] Если верхние уровни сети более разнообразны, то будет меньше биомасса на более низких уровнях, и если более низкие уровни более разнообразны, они смогут лучше сопротивляться потребление и быть более стабильным перед лицом потребления. Кроме того, необходимо уменьшить воздействие сверху вниз в менее разнообразных экосистемах из-за склонности к вымиранию видов на более высоких трофических уровнях.[25] Наконец, недавно было показано, что потребители может кардинально изменить взаимосвязь между биоразнообразием, продуктивностью и стабильностью, присущую только растениям.[26] Таким образом, в будущем будет важно включить теорию трофических сетей в будущие исследования воздействия биоразнообразия. Кроме того, эту сложность необходимо будет решить при разработке планов управления биоразнообразием.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Vitousek, P. M .; Mooney, H.A .; Lubchenco, J .; и другие. (1997). «Господство человека в экосистемах Земли». Наука. 277 (5325): 494–499. CiteSeerX  10.1.1.318.6529. Дои:10.1126 / science.277.5325.494.
  2. ^ Hines, J .; van der Putten, W.H .; Де Дейн, Г. Б .; Wagg, C .; Voigt, W .; Малдер, К .; Weisser, W .; Engel, J .; Melian, C .; Scheu, S .; Биркхофер, К .; Ebeling, A .; Scherber, C .; Эйзенхауэр, Н. (2015). «На пути к интеграции функционирования биоразнообразия-экосистемы и теории трофической сети для оценки взаимосвязей между многочисленными экосистемными услугами». В Вудворде, Гай; Бохан, Дэвид А. (ред.). Экосистемные услуги: от биоразнообразия к обществу, часть 1. Успехи в экологических исследованиях. 53. Великобритания: Academic Press. С. 161–199. ISBN  978-0-12-803885-7.
  3. ^ а б c d Доак, Д. Ф .; Больше, D .; Harding, E.K .; и другие. (1998). «Статистическая неизбежность отношений стабильности-разнообразия в экологии сообщества». Являюсь. Нат. 151 (3): 264–276. Дои:10.2307/2463348. JSTOR  2463348.
  4. ^ а б Макканн, К. С. (2000). «Дискуссия о разнообразии и стабильности». Природа. 405 (6783): 228–233. Дои:10.1038/35012234. PMID  10821283.
  5. ^ а б c Фридли, Дж. Д. (2001). «Влияние видового разнообразия на продуктивность экосистемы: как, где, почему?». Ойкос. 93 (3): 514–526. Дои:10.1034 / j.1600-0706.2001.930318.x.
  6. ^ Уилсон, Э. (1992). Разнообразие жизни. Кембридж, Массачусетс: Гарвардский унив. Нажмите. ISBN  978-0-674-21298-5.
  7. ^ Tilman, D .; Knops, J .; Wedin, D .; и другие. (1997a). «Влияние функционального разнообразия и состава на экосистемные процессы». Наука. 277 (5330): 1300–1302. CiteSeerX  10.1.1.654.3026. Дои:10.1126 / science.277.5330.1300.
  8. ^ Tilman, D .; Lehman, C.L .; Томсон, К. (1997b). «Разнообразие растений и продуктивность экосистем: теоретические соображения». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 94 (5): 1857–1861. Дои:10.1073 / пнас.94.5.1857. ЧВК  20007. PMID  11038606.
  9. ^ а б Тилман, Д. (1999). «Экологические последствия изменения биоразнообразия: поиск общих принципов». Экология. 80 (5): 1455–1474. Дои:10.2307/176540. JSTOR  176540.
  10. ^ Вандермейер, Дж. Х. 1989. Экология междурядных культур. Cambridge Univ. Press., Кембридж, Англия.
  11. ^ Тернер Р.М., Олкорн С.М., Олин Г. и Бут Дж. 1966. Влияние тени, почвы и воды на приживаемость рассады сагуаро. Бот. Газ. 127: 95-102.
  12. ^ а б Tilman, D .; Wedin, D; Кнопс, Дж. (1996). «Производительность и устойчивость под влиянием биоразнообразия в экосистемах пастбищ». Природа. 379 (6567): 718–720. Дои:10.1038 / 379718a0.
  13. ^ Naeem, S .; Thompson, L.J .; Лоулер, С.П .; и другие. (1994). «Уменьшение биоразнообразия может повлиять на функционирование экосистем». Природа. 368 (6473): 734–737. Дои:10.1038 / 368734a0.
  14. ^ Hooper, D .; Витоусек, П. (1997). «Влияние состава и разнообразия растений на экосистемные процессы». Наука. 277 (5330): 1302–1305. Дои:10.1126 / science.277.5330.1302.
  15. ^ а б c Завалета, Э.С.; Халви, К. Б. (2006). «Реалистичные вариации в составе видов влияют на продуктивность пастбищ, использование ресурсов и устойчивость к вторжению» (PDF). Экология растений. 188: 39–51. Дои:10.1007 / s11258-006-9146-z. Получено 18 января 2014.
  16. ^ Cardinale, B.J .; Nelson, K .; Палмер, М.А. (2000). «Связь разнообразия видов с функционированием экосистем: важность экологического контекста». Ойкос. 91: 175–183. Дои:10.1034 / j.1600-0706.2000.910117.x.
  17. ^ Aarssen, L.W .; Laird, R.A .; Питер, Дж. (2003). «Будет ли продуктивность участков растительности выше или ниже при увеличении количества видов? Прогнозы переменных на основе взаимодействия« эффекта выборки »и« эффекта конкурентного доминирования »на шаблоне среды обитания». Ойкос. 102 (2): 427–432. Дои:10.1034 / j.1600-0579.2003.12560.x.
  18. ^ Хупер, Д. У .; Chapin, F. S .; Ewel, J. J .; Гектор, А .; Inchausti, P .; Lavorel, S .; Lawton, J. H .; Lodge, D. M .; Loreau, M .; Naeem, S .; Schmid, B .; Setälä, H .; Symstad, A.J .; Vandermeer, J .; Уордл, Д. А. (2005). «Влияние биоразнообразия на функционирование экосистемы: консенсус современных знаний» (PDF). Экологические монографии. 75: 3–35. Дои:10.1890/04-0922.
  19. ^ Tilman, D .; Lehman, C.L .; Бристоу, К. Э. (1998). «Соотношения стабильности и разнообразия: статистическая неизбежность или экологические последствия». Являюсь. Нат. 151 (3): 264–276. Дои:10.1086/286118. PMID  18811358. S2CID  15490902.
  20. ^ Naeem, S .; Ли, С. (1997). «Биоразнообразие повышает надежность экосистемы». Природа. 390 (6659): 507–509. Дои:10.1038/37348.
  21. ^ а б Элтон, С. С. (1958). Экология инвазий животных и растений. Нью-Йорк: Джон Вили.
  22. ^ а б Чапин, Ф. С. III; Walker, B.H .; Hobbs, R.J .; и другие. (1997). «Биотический контроль над функционированием экосистем». Наука. 277 (5325): 500–504. CiteSeerX  10.1.1.468.3153. Дои:10.1126 / science.277.5325.500.
  23. ^ а б Mitchell, C.E .; Tilman, D .; Грот, Дж. В. (2002). «Влияние разнообразия видов, численности и состава пастбищных растений на грибковые заболевания листьев». Экология. 83 (6): 1713–1726. Дои:10.1890 / 0012-9658 (2002) 083 [1713: EOGPSD] 2.0.CO; 2.
  24. ^ Герцоги, Дж. С. (2001). «Биоразнообразие и невидимость в микромире пастбищ». Oecologia. 126 (4): 563–568. Дои:10.1007 / s004420000549. PMID  28547241.
  25. ^ Даффи, Дж. Э. (2002). «Биоразнообразие и функция экосистемы: связь с потребителями». Ойкос. 99 (2): 201–219. Дои:10.1034 / j.1600-0706.2002.990201.x.
  26. ^ Червь, В .; Даффи, Дж. Э. (2003). «Биоразнообразие, продуктивность и стабильность в настоящих пищевых сетях». Тенденции в экологии и эволюции. 18 (12): 628–632. CiteSeerX  10.1.1.322.7255. Дои:10.1016 / j.tree.2003.09.003.