中国农业大学草业学院杨高文教授课题组提出多因子复合干扰下生态系统抵抗力的多过程缓冲假说

3月27日，Cell 出版社旗下国际学术期刊《生态学与进化趋势》（ Trends in Ecology & Evolution ）发表了我校草业科学与技术学院杨高文教授课题组的观点文章《生态系统存在多个相互作用的过程来缓冲多因子复合干扰》（Ecosystems have multiple interacting processes that buffer against co-occurring stressors）。该研究提出了多因子复合干扰下生态系统抵抗力的多过程缓冲假说，多个缓冲过程跨生态和时间尺度共同作用，特别是多个缓冲过程之间的协同作用，是增强复合干扰下生态系统抵抗力的主要途径。该研究为生态系统稳定性的维持理论提供了新见解，拓展了该领域的研究方向。

单个或多个缓冲过程跨生态尺度共同作用

缓冲能力强的单个过程可能在一定程度上减少多因子复合干扰的压力（图1）。例如，动物迁徙行为作为一种适应性生存策略，能够有效缓解多因子复合干扰（包括化学毒物残留污染，食物资源匮乏与极端干旱等生态压力）对种群产生的负面效应。在多因子复合干扰背景下，虽然单个缓冲过程提高了生态系统的抵抗力，但缓冲作用有限，需要多个过程并存的缓冲体系来应对复合干扰的不利影响。当生态系统面临高水平的多因子复合干扰时，多个跨生态尺度（如亚个体、个体、种群、群落和生态系统）的生物或非生物缓冲过程共同作用来维持生态系统的稳定（图1）。例如土壤稀释、吸附（生态系统尺度）和生物降解（亚个体尺度）共同作用减少有毒污染物的不利影响。另外，如果多因子复合干扰导致某个缓冲机制失效时，其他缓冲过程可以发挥作用去应对干扰因子，维持生态系统的稳定性。也就是说，多个生物或非生物的缓冲作用可能有冗余，这与生态系统生态学中的功能冗余理论类似。

图1 举例说明跨生态尺度的非生物和生物缓冲过程

多个缓冲过程跨时间尺度发生

根据缓冲过程对复合干扰的反应时间，将缓冲过程分为三类：快速、中间和渐进缓冲过程（图2 A）。在时间尺度上，多个缓冲过程异步发生（类似于稳定性维持的物种异步性），减少多因子复合干扰的负面影响。值得注意的是，生物体可以将时间环境刺激的信息保留为“压力记忆”，这种生态记忆对于缓冲长时间的干扰因子具有重要意义（图2 B）。例如热胁迫下植物通过激活热激因子增强其对未来高温、盐胁迫和干旱事件等多个干扰因子的抵抗力。遭受多因子复合干扰的动物可能通过跨代表观遗传机制提高后代对多个干扰因子（如火灾，森林砍伐，城市扩张，洪水）的抵抗能力。干旱选择耐逆性更强的微生物群落，形成生态记忆，提高其对未来干旱和盐胁迫的抵抗力。

图2 缓冲过程跨时间尺度发生

多个缓冲进程之间的交互作用

多个缓冲过程可以发生相互作用，导致拮抗（多个缓冲过程的综合效应小于基于单独效应累加的预期）或协同效应（多个缓冲过程的综合效应大于基于单独效应累积的的预期）的出现（图3）。例如生物（吸附）和非生物（生物降解和生物多样性）缓冲过程之间的协同作用将进一步增强生态系统对其它多种干扰因子的抵抗力。如果两个过程协同缓冲生态系统对多因子复合干扰的影响，只要移除其中一个缓冲机制，就会导致多因子复合干扰的负面影响大大增加（从Scenario 3到Control的变化），迅速降低生态系统的抵抗力（图3 B）。更需要关注是多个关键缓冲机制的失效可能会产生临界点，从而削弱生态系统抵抗多因子复合干扰的能力，甚至可能引发生态服务功能崩溃（图3 B）。因此，需要深入了解多个缓冲过程之间协同作用的机制，为认识多因子复合干扰下稳定生态系统提供新的视角。

图3 多个缓冲进程之间的相互作用

我校草业科学与技术学院博士后孔祥为该论文的第一作者，杨高文教授为该论文的通讯作者，中国农业大学为通讯单位。合作者包括，德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授及其课题组成员徐佰乐博士和Peter Meidl博士，以及牛津大学James A. Orr博士。文章得到了国家自然科学基金、拼多多-中国农业大学研究基金、中国农业大学引进人才科研启动基金和中国高校科学基金等项目的资助。