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城环学院生态研究中心在《美国科学院院刊(PNAS)》同期发表两篇论文,报道理论生态学与遥感生态学领域新进展

2022-09-14 来源:

      

2022年9月6日《美国科学院院刊》(PNAS)杂志同期刊发了北京大学生态研究中心王少鹏研究组和陶胜利研究组的两项重要研究成果,分别以“Multispecies coexistence in fragmented landscapes”和“Increasing and widespread vulnerability of intact tropical rainforests to repeated droughts”为题发表,揭示了破碎化生境中的物种共存条件和热带雨林1992-2018年间的连续干旱响应。

1.王少鹏研究组发展了破碎化生境中的物种共存理论

在自然界中,具有相似资源需求的物种何以长期共存?这是困扰生态学家和?;ど镅Ъ业囊桓鼍湮侍?。自1960年代以来,生态学家提出了多种理论假说,逐渐形成了基于生态位差异和适合度差异的物种共存理论。然而,这一共存理论主要关注局域群落中的物种共存,忽略了空间过程对生物多样性维持的影响。在全球变化背景下,人类活动引起的生境丧失和破碎化,被认为是生物多样性丧失的首要原因,因此亟需扩展物种共存理论以定量预测生境变化对多样性的影响。

针对这一问题,北京大学城市与环境学院王少鹏研究组与欧美科学家合作,构建了一个破碎化生境下的竞争模型,来理解和预测生境变化对物种共存的影响。该研究推导出了空间显性景观中多个竞争物种共存的判定准则。这一准则为评估气候变化和生境变化下的物种共存和多样性维持提供了新的理论工具?;谡庖焕砺劭蚣?,分析了一个水蚤集合群落中的物种共存。该群落包含三种水蚤,生活于波罗的海岛屿的岩池生态系统中,记录了自1980年代以来三种水蚤在500多个岩池中的种群动态(图1)。该研究利用贝叶斯统计学方法拟合了模型参数,揭示了不同水蚤物种的扩散和生存能力与生境斑块大小和空间距离的关系,以及物种间的竞争作用,发现三个物种满足共存准则(图2)。进一步地利用本文提出的共存准则,评估了环境变化对物种共存的可能影响,发现相比于增温,生境恶化(生境斑块的数量和质量下降)将引起物种丧失。

图1. 波罗的海岛屿上的岩池生态系统,其中长期生活着三种水蚤。照片由合作者瑞士巴塞尔大学Dieter Ebert提供。

图2. (a)三种水蚤的种间竞争强度随温度的变化;(b)水蚤群落中物种间的生态位差异和适合度差异(灰色区域表示可共存的参数值)。

北京大学城市与环境学院博士研究生罗明宇为论文第一作者,王少鹏研究员为通讯作者,合作者来自美国麻省理工学院、瑞士巴塞尔大学和苏黎世大学。该成果得到了国家自然科学基金委基础科学中心(31988102)和优秀青年基金(32122053)等项目资助。文章链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201503119

2. 陶胜利研究组开发全新遥感数据揭示热带雨林1992-2018年间的连续干旱响应

在《巴黎协定》等气候政策背景下,全球热带雨林因其巨大的碳储量而备受关注。近几十年来,全球大面积雨林被砍伐。但祸不单行的是,未被砍伐的热带雨林频繁遭遇严重干旱,威胁着雨林的完整性、固碳能力以及生物多样性。 雨林对过去的干旱如何响应?是否能够抵御未来的干旱?以往的研究较多在样地尺度进行,或者通过传统光学遥感数据NDVI等进行研究,缺少长期、连续的观测,因此问题的答案充满争议。

北京大学城市与环境学院生态研究中心陶胜利课题组开发了全球首套C-波段、长时间序列卫星雷达信号数据集,首次研究了未被砍伐热带雨林在过去30年里的连续干旱响应。C-波段雷达信号与传统光学信号不同,能够穿透雨林上空浓厚的云层。研究发现,截至2018年,全球未被砍伐热带雨林的雷达反射信号在持续降低,且超强干旱事件造成了至今未恢复的信号突降。信号降低的程度在美洲雨林最为严重。这样的持续降低趋势并未被传统光学遥感数据所捕捉。进一步,该研究从雷达信号中提取了雨林对每次干旱事件的抵抗力(resistance)与恢复力(resilience),发现大多数雨林对干旱的抵抗力在降低,恢复力降低或者没有明显变化。因此,如果未来发生强干旱事件,雨林的雷达信号很可能继续下降。这些结果表明全球未被砍伐热带雨林抵御未来干旱的能力是有限的,同时间接表明,如果要完成巴黎协定的目标,不能仅依赖基于自然的气候解决方案(nature-based climate solution)。

图1. 全球现存雨林(截至2018年)的雷达信号与水分亏缺序列。图上部的灰色线代表水分亏缺状态,图中部的彩色线代表雷达信号。圆圈标出了因极端干旱事件而导致的信号突降。

陶胜利研究员为第一兼通讯作者,法国科学研究中心Jeorme Chave教授为共同通讯作者,其他合作者来自美国NASA、法国航天局、瑞士GAMMA遥感中心等。该研究受到了法国 Agence Nationale de la Recherche、欧空局BIOMASS碳卫星、法国航天局博士后项目、国家自然科学基金委基础科学中心项目(31988102)等的资助。文章链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2116626119

北京大学生态研究中心简介

北京大学生态研究中心(Institute of Ecology, Peking University)于 2018年6月正式成立,是北京大学生态学科双一流建设的依托单位。中心成立以来,在科研与平台、学科与人才队伍建设、人才培养、社会服务等方面取得了显著的进展。在科研方面,中心成员在生态系统碳氮循环、植被动态及其对气候变化和人类活动的响应、生物多样性的维持机制与?;?、物种分化及适应性演化的分子机制、极端环境下微生物群落功能及其适应机制等方面取得多项突破性进展,在Science、Nature及其子刊、PNAS、Ecology Letters、Ecology等高水平杂志发表800余篇文章;近5年主持基金委基础科学中心项目1项、重点研发专项2项、创新群体第3期资助、杰出青年基金2项、优秀青年基金4项、重点基金6项。在人才队伍建设方面,中心着力探索人才成长的保障机制,打造和谐包容的中心文化,建立了一支具有北大特色、“小而精”的优秀师资队伍。中心现有PI教员29人,其中院士3人,海外高层次人才计划1人,长江特聘教授4人、杰青8人,优青5人,海外高层次人才青年计划及海外优青5人。在平台建设方面,中心初步形成了“四站六网”的野外观测研究平台,其中,塞罕坝生态站于2021年入选国家野外科学观测研究站,实现了北大国家站零的突破,为中心的科研和野外教学提供了有力的保障。

 

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