中国农大杨高文团队Trends in Ecology & Evolution丨多因子复合干扰下生态系统抵抗力的多过程缓冲假说

生命科学

Life science

自上世纪50年代起，生态学家一直致力于解析生态系统的稳定性机制，其中生态系统对干扰的缓冲（抵抗力）是稳定性的重要组成部分。多数研究聚焦于单个（或少数几个）胁迫因子干扰下生态系统复杂度或生物多样性等单个缓冲过程的作用机制。随着人类活动影响加剧，生态系统逐渐受到多个干扰因子的胁迫，形成多因子复合干扰，对生态系统组成和功能造成巨大的威胁。但是，在多因子复合干扰下生态系统如何维持相对稳定？还知之甚少。

近日，中国农业大学草业科学与技术学院杨高文教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Ecology & Evolution发表题为“Ecosystems have multiple interacting processes that buffer against co-occurring stressors”的观点文章，提出了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。

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生态系统中的多因子复合干扰

人类活动的不断加剧导致生物栖息地丧失、生态系统退化、生物入侵、过度开发、气候变化以及污染加剧等一系列问题，进而对全球生态系统产生了深远的影响。以农田生态系统为例，机械作业造成的土壤压实叠加农药残留、微塑料和重金属污染，以及气候变暖、干旱事件、二氧化碳浓度升高等多个干扰因子，形成了多因子复合干扰，对生态系统的生产力和稳定性造成了巨大的威胁。在海洋和淡水生态系统中，热浪、化学污染和微塑料等多因子复合干扰的现象普遍存在，这些干扰因子通过协同作用显著加剧生态系统退化风险。因此，如何缓冲多因子复合干扰的压力是当前生态学领域亟需突破的核心科学问题。

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

总结

已有研究重点关注单个过程如何缓冲单个干扰因子（或少数几个）对生态系统稳定性的影响。然而很少有研究探究多个缓冲过程如何抵抗多因子复合干扰对生态系统功能和组成的影响。本研究提出了复合干扰下生态系统抵抗力的研究框架，多个缓冲过程在生态尺度上共同发生以及多个缓冲过程在时间尺度上异步发生可能更有效地维持生态系统的功能和组成，重点阐明了多个缓冲过程之间的协同作用是提高生态系统抵抗力的关键。这对于多因子复合干扰背景下生态系统的可持续管理实践和生态恢复具有重要意义。

本文参考文献（上下划动查看）

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论文作者介绍

杨高文

教授

杨高文（通讯作者），中国农业大学草业科学与技术学院教授，博士生导师。2014年在中国农业大学获得农学博士学位；2017年到柏林自由大学做博士后，主持完成德国科学基金1项；2021年底以杰出人才引进到中国农业大学草业科学与技术学院。主要研究方向为退化草地功能提升和维持。学术成果如下：（1）建立土壤生物驱动生态系统稳定性的研究框架，阐明了丛枝菌根真菌（AMF）和土壤微生物多样性对草地植物群落组成及其生产力稳定性维持的作用机制；（2）提出了多因子复合干扰背景下生态系统稳定性维持的多过程理论假说，揭示了复合干扰削弱土壤微生物多样性功能的作用机制；（3）揭示了退化草地恢复豆科植物促进其它植物补偿性生长的哺育作用，阐明了蘑菇圈真菌增强氮矿化提高禾草生长的促生机制。在Science, Trends in Plant Science, Trends in Ecology & Evolution, Nature Communications, Ecology Letters, New Phytologist, Soil Biology and Biochemistry, Agronomy for Sustainable Development等国内外期刊上，累计发表学术论文80余篇。Google Scholar统计的引用次数为3600余次，h-index值为25。

孔祥

博士后

孔祥（第一作者），中国农业大学草业科学与技术学院博士后。2023年在中国农业大学获得理学博士学位。主要围绕作物遗传多样性和多因子复合干扰开展研究，主要学术成果如下：（1）明确了单一干扰因子下，增加农田生态系统作物遗传多样性可通过降低作物的倒伏率、提高资源利用效率和多样性效应来增强作物生产力及其时间稳定性；（2）聚焦于多因子复合干扰下生态系统稳定性维持的生物与非生物过程，提出了生态系统应对复合干扰的多过程假说，如多个缓冲过程可以通过跨生态和时间尺度的共同作用以及多过程间的协同作用，增强生态系统对多因子复合干扰的抵抗力。在Trends in Ecology & Evolution, Field Crops Research, European Journal of Agronomy, Basic and Applied Ecology等国内外期刊上，累计发表学术论文11余篇，参与多项科研合作项目。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

Trends in Ecology & Evolution,

▌论文标题：

Ecosystems have multiple interacting processes that buffer against co-occurring stressors

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169534725000576

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tree.2025.03.002