生物多样性减少致植物分解速度放慢


生物多样性减少致植物分解速度放慢

最近出版的英国杂志《自然》上发表的一项生态学研究评估了植物残留物的多样性和分解植物残留物的生物多样性,这两者都影响植物残留物的分解速率。调查发现,在所有生态系统中,植物残体和腐生生物多样性的减少将减缓植物残体的碳循环、氮循环和分解速率。

未降解的死植物组织及其部分分解产物是植物残留物。由于释放到大气中的垃圾量是全球预算的重要组成部分,植物残体的分解速率不仅影响生态系统生产力,还影响全球碳预算。了解生物多样性和分解速率之间的关系及其背后的机制也成为生态学的一个重要目标,特别是考虑到全球物种的迅速丧失。

法国国家科学研究中心的斯蒂芬赫斯基韦勒和他的研究小组在从亚低温到热带地区的五个陆地和水生地点进行了植物残留物分解实验。在所有研究的生态系统中,他们发现植物残留物和腐生生物(分解植物残留物的无脊椎动物和微生物)多样性的减少将导致植物残留物的碳循环、氮循环和分解速率的降低。然而,生物多样性减少导致的分解减缓将限制初级生产者的氮供应。

研究小组还提出了一个可能促进这种效应的潜在机制。他们报告了氮从固氮植物的植物残基转移到快速分解植物的证据,这突出了混合植物残基中的特定相互作用,并可以控制分解过程中的碳循环和氮循环。

新闻拓展:

“倾听”生物多样性声音景观生态学的兴衰

迈克尔谢勒-洛伦岑是向德国科学基金会申请资助的80多名科学家之一。2013年11月,他在波茨坦一次审查会议上的讲话被记录在案。录音只持续了几秒钟,显示出他刺耳沙哑的声音,但这是弗莱堡大学的研究人员煞费苦心收集的数据。由300个麦克风组成的庞大网络覆盖了整个德国,lorenzen指出,该网络每年总共可以录制44,000小时的录音。回报是这些详细的“声音景观”将帮助研究人员将鸟类、昆虫和其他动物与德国森林和草原的土地管理模型联系起来。洛伦岑说:“我们用声音来评估生物多样性是令人惊讶的。”

lorenzen只是被新的声音生态学吸引的众多科学家之一。廉价耐用的自动记录仪和功能强大的声音分析软件鼓励科学家花费大量精力基于声音分析生态系统。许多传统的生物声学项目一次只关注一种或多种生物的声音,而声音和景观生态学家放弃这种方法,试图描绘整个景观中的噪音,包括非生物声音,如流水声、雷声、开车声和飞机起飞声。

研究人员希望找到更有效的方法来表征生态系统。他们计划寻找隐藏在声场背后的独特模式,跟踪生态系统如何应对紧急情况,如越来越多的航空运输和建筑项目、外来物种的入侵以及气候变化的逐渐影响。印第安纳州普渡大学西拉斐特校区的声音和景观生态学家布莱恩皮雅诺斯基说:“研究人员想量化我们一天内所经历和听到的。”

研究完整的声景面临着重大的技术和概念挑战。研究人员正试图找到实用的方法,将收集到的大量数字记录转换成可用的数据。很难将复杂的声音场景转换成反映生物多样性的相对简单的数值指数。视听生态学家认为,大规模麦克风网络可以呈现一个有意义的故事。皮雅诺斯基说:“不久前,生物声学领域的一些科学家不相信这种方法的可行性。事实上,这种方法已经存在很长时间了。”

Solid Foundation

科学家们长期以来一直观察动物如何制造和感知声音,并分析它们的交流模式。一个世纪前,第一首记录在案的鸟鸣诞生了。然而,在大多数情况下,生物声学研究只关注单一物种。

伯尼克劳斯是一家研究现代声景生态学的工作室的主任。他说,这种停留在物种层面的方法“只看到树,不看到森林”。"从一个独立的、支离破碎的角度看待世界是不合逻辑的。"

相反,克劳斯提出了一个叫做“声学分区”的理论,该理论首次发表在1987年的杂志《全球评论》上。克劳斯的灵感来自他在肯尼亚听到的复杂的声音场景。当他在一个科学博物馆的展览上收集声音数据时,他发现大自然的声音可以被视为声音生物共享的资源,就像鸟巢或食物供应一样。他指出,任何种类的动物都必须形成自己独特的辨别声音的方法,以避免干扰其他声音。

krause认为一个健康的生态系统可以根据频率或时间被清晰地划分为生态单元。当外来入侵者或人类的声音出现在一个生态单元中时,现有的模式将会改变。

许多科学家对克劳斯的理论表示怀疑。克劳斯回忆道:“当时,我真的没有找到用科学和系统的语言来表达这一理论的方法。许多人认为这只是一个美丽的愿景。”

krause的理论已经引起了一些研究者的注意,包括斯图亚特盖奇,他是东兰辛密歇根州立大学的名誉教授和视听生态学家。早在21世纪初,盖奇和克劳斯就研究了“声音分类”。通过分析录音中的频率分布,他们认为声音场景由三部分组成:“生物声音”,即野生动物的声音;“地球声音”是指地球物理声音,例如风、雨和流水;“人类恐惧症”是人类发出的声音。

gage开发了一个计算机程序来量化某一频率范围内的声能,然后他和krause着手比较某一地区自然声音和人工声音之间的差异。这项工作耗费了大量的人力和物力。在加州红杉国家公园,他们使用的录音设备大约有5公里长,他们必须在公园里密切观察。

gage回忆道:“一天晚上,我们发现这种方法有明显的缺点。那时,我独自站在草原上,等待一只黑熊经过我们的设备。结果,黑熊找到了录音设备,并用力砸了一下。”幸运的是,黑熊没有完全损坏录音设备,它深深的愤怒被清晰地记录下来。

gage和其他同事一直想设计一种不容易吸引动物注意力的小型设备。它可以在野外隐藏几周甚至几个月,收集数小时的高保真声音,不需要工作人员的实时护理。盖奇开始开发这种自动装置,将记录装置与笔记本电脑连接起来。结果,他发现这种方法消耗大量的电力,故障率很高。

Magic Number

法国巴黎国家自然历史博物馆的生态学家jeromesueur是首批使用防风雨录音设备songmeter证明声音是生物多样性缩影的研究人员之一。苏厄和他的同事对区分每种声音的来源不感兴趣。相反,他们想对录制的声音进行全面分析。为此,他们采用了一种独特的计算方法,它只需要简单的数字来表示持续几个小时的声音。随着时间的推移,苏尔用这个来描述生态系统中的声能在频谱中是如何分布的。

这个想法借鉴了香农指数,该指数根据在特定区域可以观察到的生物数量来估计物种多样性。苏尔的研究小组称这种新的测量方法为声熵指数,它将不同频率的声音与物种多样性联系起来。例如,如果是单一纯音,声音熵指数将接近0,表示声音多样性极低。如果声音频率变化且非常嘈杂,声音熵指数将接近1,这代表极高的声音多样性。

2007年,苏厄的研究小组在坦桑尼亚开始了第一次实地测试,,记录了相隔50公里的两个古老的沿海森林中几天的黎明和黄昏的声音。其中一片森林几十年前就被砍伐了,而另一片直到今年才被砍伐。2008年,该小组在一篇发表的论文中报告说,代表声音场景多样性的声音熵指数越高,预计砍伐的森林越少。

从那以后,声景生态学发展了许多由不同声景信息划分的指标。意大利乌尔比诺大学的阿尔莫法里娜开发了一套基于声音质量的声音复杂性指数,用于区分动物叫声和人为噪音。这种动物的叫声既快又尖锐,比如突然响起逐渐增加或减少的鸟鸣声。人类发出的噪音(如嗡嗡作响的发动机)非常单调和柔和。

sueur的研究团队还开发了一套基于时间和声音频率差异的声音相异指数来比较两种不同的生态系统。在野外试验中,某个有机体可能存在于一个生态系统中,但不存在于另一个生态系统中。声音相异指数特别适用于这种情况下的物种数估计,这是最方便的方法。

Technical Deadhesions

aaronrice,康奈尔大学生物声学研究项目主任,认为这些声学测量方法是非常有用的工具,但仍然存在许多操作上的困难。例如,许多指数假设生物发出的声音比人类发出的声音持续时间短。然而,在以赖斯为首的海洋声学研究中,海洋地震勘探中的气枪经常会对其造成干扰。这项技术经常用于石油和天然气勘探,因此是一个主要的干扰因素。赖斯的结论是,当研究人员非常了解声音的来源时,这些指标是非常有用的参考。然而,当研究人员不知道声音的来源时,该指数可能不起任何作用。

sueur提出的声熵指数也很难避免类似的限制。该指数对人工声音非常敏感。事实上,苏尔本人不再相信他可以通过声学测量来推断生物多样性的程度。他说:“指数不是一切。用一个单一的值来总结所有的数据是非常愚蠢的。”

但苏厄仍然相信声学指数将有助于描述完整的生态系统特征,尤其是当它补充其他指标时。例如,pijanowski发现了生物多样性和植被结构之间的某种联系。他的团队在哥斯达黎加雨林的14个地方安装了记录设备,并将记录的声景特征与通过光探测获得的植被数据进行了比较。研究发现,大多数发出声音的植物远离树冠上部或树叶茂密的地区。研究人员在2012年的一篇论文中公布了这一结果。

这个结果让皮雅诺斯基对声景生态学的前景感到乐观。他认为这项技术可以改变未来的管理决策,因为它不仅可以突出哪一个区域是各种生物的栖息地,而且有助于解释哪一个地形可以培育特殊的物种。皮雅诺斯基说,去年出现了很多人希望对健康生态有更全面的理解。西弗吉尼亚州亨廷顿马歇尔大学的安纳克索就是其中之一。她利用这项技术来预测阿巴拉契亚山脉顶端的废弃矿井是否是生物的潜在栖息地。

非随机森林破碎化导致的生物多样性下降

生境破碎化是生物多样性下降的重要原因,这将导致物种多样性、功能多样性和系统发育多样性的急剧下降,从而促进生态系统功能的下降。其中,斑块大小、边缘效应和栖息地破碎化导致的栖息地隔离被认为是导致这一变化的主要因素。然而,许多研究也表明,生境破碎化不一定会减少生物多样性。这可能与以前的大多数研究都是基于环境条件相同的森林这一事实有关。在实际的森林生境丧失和破碎化过程中,剩余的森林片断往往位于环境条件差的地区,由此产生的森林片断的空间分布格局对生境破碎化的结果有很大影响。

基于这一现象,中国科学院西双版纳热带植物园群落生态与保护研究组的刘佳佳博士和他的导师费里斯克研究员在西双版纳建立了以植物园为中心、半径10公里的生境破碎化研究网络。选择50个森林片断中的树木(其中两个已经被砍伐)作为研究对象,以进一步探索其余森林片断的结构和功能。通过gis对比剩余林和橡胶林,发现海拔低、地势平坦、阳光充足的地区优先转化为橡胶林,而石灰山区、高海拔地区等环境条件较差的地区仍有一些森林片断。通过样方调查,发现物种多样性高的地区是优先转化的地区,物种组成趋于原始森林。其中,土壤基质(石灰山与否)、地形和海拔高度等环境因素解释了大多数物种丰度、物种组成和稀有物种的变化,而斑块大小和边缘效应等传统因素对树木多样性影响不大。这些结果表明,由于人为的非随机破碎过程,我们正在失去最好的土地。热带森林的保护不仅要注重保护区,还要注重森林质量。环境梯度应作为优先考虑的因素,许多小森林片断(如程子龙山片断)具有很高的保护价值。