节肢动物物种丧失主导生物量下降：草地生态系统中群落同质化的生态价格方程解析

《Nature Ecology & Evolution》：Arthropod species loss underpins biomass declines

本研究针对全球节肢动物多样性、丰度与生物量下降的生态机制，通过整合欧洲中部草地11年观测数据，运用生态价格方程解析生物量变化驱动因素。研究发现>90%的生物量损失源于物种丰富度下降，物种身份效应随环境梯度与时间动态变化，揭示群落同质化趋势。该研究为理解生物多样性-生态系统功能关系提供了机制性证据，指出提升植物多样性与降低土地利用强度是缓解节肢动物衰退的关键途径。

　　

在全球生物多样性危机背景下，节肢动物作为地球上种类最丰富的动物类群，其数量锐减正引发广泛关注。近年来多项研究报道了节肢动物多样性、丰度和生物量的急剧下降，这种下降可能通过影响能量流动等生态系统功能，进而威胁生态系统的稳定性。然而，我们对于物种丰富度、物种身份和丰度变化如何共同驱动生物量变化的机制理解仍不充分，特别是环境因素如何筛选这些过程尚不明确。

发表在《Nature Ecology & Evolution》的最新研究通过整合两个长达11年的观测数据集——德国耶拿实验站（控制植物多样性梯度）和生物多样性探索平台（真实管理草地）的标准化节肢动物采样数据，运用生态价格方程这一创新性分析方法，揭示了节肢动物生物量下降的主导机制。研究发现，在当地尺度上，节肢动物生物量下降的主要驱动因素（>90%）是物种丰富度丧失，而持续存在物种的丰度下降仅贡献了5-8%的生物量损失。

研究团队采用生态价格方程将生物量变化分解为五个组分：物种丰富度损失/增益（假设物种具有平均生物量）、物种身份损失/增益（校正非平均生物量物种的影响）以及持续存在物种的丰度变化。这种方法首次在长时间序列上系统解析了节肢动物群落（解）组装过程对生物量变化的贡献。

关键技术方法包括：（1）在耶拿实验站（80个5×6米样方）和生物多样性探索平台（150个50×50米样方）进行的标准化节肢动物采样；（2）生态价格方程对群落生物量变化的量化分解；（3）限制移动平均法减少年度波动对趋势分析的干扰；（4）基于体长的生物量估算模型；（5）植物多样性（PSR）和土地利用强度（LUI）梯度的环境效应分析。

物种丰富度丧失主导生物量下降

分析239,690个节肢动物个体（1,572个形态种）显示，两个时间序列均出现生物量和物种丰富度的显著下降。耶拿实验站年下降率约5.1%，生物多样性探索平台为0.5%。7年后，93.5-95.3%的生物量损失与物种丧失直接相关，而持续物种的丰度变化贡献微弱。物种增益随时间停滞，无法补偿损失，表明真实的净物种丧失。

物种身份效应的动态角色

早期年份中，具有低于平均总生物量但高于平均个体生物量（大型稀有物种）的物种对物种周转贡献显著，抵消了高达31.6%的预期生物量变化。但随着时间推移，这种补偿效应减弱至0.4-3.4%，表明稀有物种早期丧失或丰度降至检测阈值以下，群落结构向少数常见物种简化。

环境因子的调节作用

高植物多样性和低土地利用强度促进更高的绝对物种和生物量周转，稀有物种贡献更显著。相反，低植物多样性和高土地利用强度下，群落简化，生物量集中于常见物种。高土地利用强度下获得的物种甚至具有高于平均的生物量，表明广布种数量优势建立。

营养级间的相似模式

草食者和捕食者均呈现相似的时间趋势和对植物多样性的响应。植物多样性通过增强物种身份效应显著促进捕食者中稀有物种周转，可能源于资源多样性和栖息地异质性的双重益处。

该研究结论表明，节肢动物群落正朝着少数常见物种且生物量分布同质化的方向简化，这可能降低其对未来环境变化的适应性。尽管稀有物种在早期周转中作用突出，但随研究时间推移，其贡献减弱反映了这些物种的加速衰退。物种丰富度本身对生物量下降的主导作用证实了基于物种丰富度的生物多样性-生态系统功能关系的有效性。

研究强调，增加植物多样性和降低土地利用强度可缓解节肢动物群落简化趋势。然而，即使在多样化群落中观察到的显著生物量下降表明，这些措施对缓冲生物多样性丧失的作用有限。该研究为理解局部尺度群落过程提供了重要见解，并建议未来研究将生态价格方程应用于更大空间尺度，可能揭示不同的组装机制。