海洋所揭示氣候變暖與人類(lèi)活動(dòng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)珊瑚礁食物網(wǎng)重構(gòu)機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所甲殼動(dòng)物和棘皮動(dòng)物系統(tǒng)分類(lèi)與進(jìn)化研究組在南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展,首次揭示了海洋溫度升高與初級(jí)生產(chǎn)力增強(qiáng)在塑造珊瑚礁食物網(wǎng)復(fù)雜性與穩(wěn)定性方面的非線性協(xié)同作用。該系列研究成果發(fā)表于Nature旗下地學(xué)領(lǐng)域Top期刊Communications Earth & Environment和環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際期刊Environmental Research。
珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是地球上海洋生物多樣性最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一,在維持海洋生物多樣性和保護(hù)海岸帶等方面具有不可替代的生態(tài)功能。然而,全球氣候變暖與人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度持續(xù)上升,使珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)正承受前所未有的多重脅迫。以往研究多側(cè)重單一環(huán)境因子或單一營(yíng)養(yǎng)級(jí)尺度,難以揭示氣候變暖與營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)交互作用下珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的內(nèi)在機(jī)制。尤其對(duì)于具有顯著垂向結(jié)構(gòu)和高度耦合能量通道的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng),傳統(tǒng)研究范式已難以滿足整體認(rèn)知需求。
針對(duì)上述問(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)在南海多個(gè)代表性島礁開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)查,覆蓋表層水體、底層水體及表層沉積物等關(guān)鍵生境,利用環(huán)境DNA(eDNA)宏條形碼技術(shù)和傳統(tǒng)形態(tài)分類(lèi),同步獲取多營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物多樣性信息,首次在區(qū)域尺度上系統(tǒng)重建了涵蓋水體與沉積物的珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
在方法學(xué)上,本研究構(gòu)建了eDNA生物多樣性信息與功能攝食關(guān)系相結(jié)合的宏食物網(wǎng)分析框架?;谠摽蚣?,系統(tǒng)揭示了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在自然溫度與營(yíng)養(yǎng)梯度下的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。結(jié)果表明,南海珊瑚礁食物網(wǎng)在垂向上呈現(xiàn)顯著分異:水體食物網(wǎng)具有較高的連通性和嵌套性,主要受捕食者多樣性驅(qū)動(dòng)的自上而下調(diào)控;而沉積物食物網(wǎng)則表現(xiàn)出更強(qiáng)的模塊化特征,其穩(wěn)定性主要由資源供給的自下而上過(guò)程控制(圖1)。

圖1 南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與受控機(jī)制的垂向差異
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),氣候變暖與營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)在水體食物網(wǎng)中產(chǎn)生顯著的非線性交互效應(yīng),并沿水深梯度呈現(xiàn)清晰的差異化響應(yīng)。在表層水體中,高營(yíng)養(yǎng)水平可緩沖升溫對(duì)食物網(wǎng)連通性的負(fù)面影響,使食物網(wǎng)形成結(jié)構(gòu)緊湊但食物鏈較短的狀態(tài);而在較深水體中,適宜的溫度和營(yíng)養(yǎng)條件有利于維持較長(zhǎng)食物鏈,但在極端條件下食物網(wǎng)穩(wěn)定性顯著下降(圖2)。上述結(jié)果表明,變暖與營(yíng)養(yǎng)富集在不同水深共同塑造了顯著差異的食物網(wǎng)穩(wěn)定格局。

圖2 沿溫度和生產(chǎn)力梯度珊瑚礁食物網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)
該研究系統(tǒng)揭示了自然溫度與生產(chǎn)力梯度下珊瑚礁食物網(wǎng)的非線性響應(yīng)機(jī)制,為理解氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)疊加背景下珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重組與穩(wěn)定性演變提供了新的理論框架(圖3),也為珊瑚礁保護(hù)與管理策略的制定提供了重要科學(xué)依據(jù)。

圖3 變暖與營(yíng)養(yǎng)富集重塑南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)
論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所特別研究助理張政,通訊作者為沙忠利研究員。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目等資助。
論文信息:
Zhang, Z., Hui, M., Cheng, J., Sha, Z.L*. (2025). Warming and resource enhancement shape food webs in South China Sea coral reef system. Communications Earth & Environment. https://doi.org/10.1038/s43247-025-03147-7.
Zhang, Z., Hui, M., Cheng, J., Yuan, Z.M., Sha, Z.L*. (2025). Warming and anthropogenic variables interact to impact dominant animal communities in coral reef ecosystems. Environmental Research, 285, 122579.
Zhang, Z., Cheng, J., Yuan, Z.M., Wang, Y.R., Xiao, N., Zhang, S.Q., Hui, M., Zhang, J.L., Sha, Z.L*. (2025). Integrating eDNA and morphology reveals arsenic-associated assembly processes of benthic invertebrates in coral reef ecosystems. Environmental Research, 285, 122647.
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