Ecology Letters

Sự lo ngại đang gia tăng về những hậu quả của việc mất đa dạng sinh học đối với chức năng hệ sinh thái, đối với việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái và đối với sự phúc lợi của con người. Bằng chứng thực nghiệm cho mối quan hệ giữa đa dạng sinh học và tốc độ quá trình hệ sinh thái là rất thuyết phục, nhưng vấn đề vẫn còn gây tranh cãi. Tại đây, chúng tôi trình bày đánh giá định lượng nghiêm ngặt đầu tiên về mối quan hệ này thông qua phân tích tổng hợp các công trình thực nghiệm kéo dài 50 năm tính đến tháng 6 năm 2004. Chúng tôi đã phân tích 446 thước đo về hiệu ứng của đa dạng sinh học (252 trong các đồng cỏ), trong đó 319 thước đo liên quan đến các thao tác hoặc đo lường của nhà sản xuất sơ cấp. Phân tích của chúng tôi cho thấy: hiệu ứng của đa dạng sinh học yếu hơn nếu các thao tác về đa dạng sinh học ít được kiểm soát; các hiệu ứng của sự thay đổi đa dạng sinh học đối với các quá trình yếu hơn ở cấp hệ sinh thái so với cấp cộng đồng và là tiêu cực ở cấp độ quần thể; các hiệu ứng liên quan đến năng suất giảm khi số lượng các liên kết dinh dưỡng giữa các yếu tố bị thao tác và các yếu tố được đo lường tăng lên; các hiệu ứng của đa dạng sinh học đối với các thước đo sự ổn định (‘hiệu ứng bảo hiểm’) không mạnh hơn các hiệu ứng của đa dạng sinh học đối với các thước đo hiệu suất. Đối với những dịch vụ hệ sinh thái có thể được đánh giá ở đây, có bằng chứng rõ ràng rằng đa dạng sinh học có những tác động tích cực đến hầu hết. Mặc dù những mẫu hình như vậy cần được xác nhận thêm, một cách tiếp cận phòng ngừa đối với quản lý đa dạng sinh học có lẽ sẽ là khôn ngoan trong thời gian này.

Tốc độ phân hủy trên toàn cầu phụ thuộc vào cả khí hậu và di sản của các đặc điểm chức năng của thực vật dưới dạng chất thải. Để định lượng mức độ mà sự khác biệt chức năng giữa các loài ảnh hưởng đến tỷ lệ phân hủy chất thải của chúng, chúng tôi đã tập hợp dữ liệu về đặc điểm lá và mất khối lượng chất thải cho 818 loài từ 66 thí nghiệm phân hủy trên sáu lục địa. Chúng tôi cho thấy rằng: (i) quy mô của sự khác biệt do loài được thúc đẩy lớn hơn nhiều so với những gì được cho là trước đây và lớn hơn sự khác biệt do khí hậu; (ii) khả năng phân hủy của chất thải từ một loài có sự tương quan nhất quán với chiến lược sinh thái của loài đó trong các hệ sinh thái khác nhau trên toàn cầu, đại diện cho một kết nối mới giữa chiến lược carbon toàn bộ của thực vật và chu trình sinh địa hóa. Kết nối này giữa các chiến lược thực vật và khả năng phân hủy là rất quan trọng cho cả việc hiểu phản hồi giữa thực vật và đất, cũng như cải thiện dự báo về chu trình carbon toàn cầu.

Các nghiên cứu về thích nghi địa phương cung cấp những hiểu biết quan trọng về sức mạnh của chọn lọc tự nhiên liên quan đến sự lưu thông gen và các lực lượng tiến hóa khác. Chúng là một hình mẫu để kiểm tra các giả thuyết tiến hóa về các đặc điểm được ưa chuộng bởi các yếu tố môi trường cụ thể. Bài báo này là một nỗ lực nhằm tóm tắt khung khái niệm cho các nghiên cứu về thích nghi địa phương. Đầu tiên, chúng tôi xem xét các công trình lý thuyết liên quan đến thích nghi địa phương. Sau đó, chúng tôi thảo luận về các thí nghiệm chuyển giao qua lại và vườn chung nhằm phát hiện thích nghi địa phương trong mẫu tương tác giữa quần thể và môi trường sống đối với khả năng sinh sản. Cuối cùng, chúng tôi xem xét các câu hỏi nghiên cứu và cách tiếp cận để nghiên cứu các quá trình của thích nghi địa phương - chọn lọc tự nhiên khác biệt, phân tán và lưu thông gen, và các quá trình khác ảnh hưởng đến sự phân hóa thích nghi của các quần thể địa phương. Chúng tôi khuyến nghị các phương pháp đa diện trong nghiên cứu về thích nghi địa phương, và nhấn mạnh sự cần thiết của các thí nghiệm mà rõ ràng giải quyết các giả thuyết về vai trò của các yếu tố sinh thái và di truyền cụ thể thúc đẩy hoặc cản trở thích nghi địa phương. Sự tiến hóa thực nghiệm của các quần thể được nhân bản trong các môi trường không gian biến đổi có kiểm soát cho phép kiểm tra trực tiếp những giả thuyết này, và do đó sẽ là một cách giá trị để bổ sung cho các nghiên cứu về các quần thể tự nhiên.

Chu trình của các nguyên tố dinh dưỡng chính nitơ (N) và phốt pho (P) đã bị thay đổi một cách mạnh mẽ bởi các hoạt động của con người. Do đó, điều cần thiết là phải hiểu cách mà sản xuất quang hợp trong các hệ sinh thái đa dạng bị giới hạn, hoặc không bị giới hạn, bởi N và P. Thông qua một phân tích tổng hợp quy mô lớn các thí nghiệm làm giàu, chúng tôi cho thấy sự giới hạn bởi P là mạnh mẽ tương tự trong các môi trường chính này và rằng sự giới hạn bởi N và P là tương đương trong cả hệ thống trên cạn và nước ngọt. Hơn nữa, việc làm giàu đồng thời N và P tạo ra những phản ứng tích cực mạnh mẽ trong cả ba môi trường. Do đó, trái ngược với một số lý thuyết đang thịnh hành, các hệ sinh thái nước ngọt, biển và trên cạn lại tương đối giống nhau về mặt sự giới hạn bởi N và P.

Vi sinh vật là đại đa số không thể nhìn thấy trong đất và cấu thành một phần lớn của sự đa dạng di truyền của sự sống. Mặc dù sự phong phú của chúng, tác động của vi sinh vật trong đất đối với các quá trình sinh thái vẫn chưa được hiểu rõ. Ở đây, chúng tôi khám phá các vai trò khác nhau mà vi sinh vật trong đất đóng trong các hệ sinh thái trên cạn, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào sự đóng góp của chúng đối với năng suất và sự đa dạng của thực vật. Vi sinh vật trong đất là những điều chỉnh viên quan trọng của năng suất thực vật, đặc biệt là ở các hệ sinh thái nghèo dinh dưỡng, nơi mà các symbion của thực vật chịu trách nhiệm cho việc tiếp nhận các chất dinh dưỡng hạn chế. Nấm mycorrhiza và vi khuẩn cố định nitơ chịu trách nhiệm cho khoảng c.5–20% (đồng cỏ và savanna) đến 80% (rừng ôn đới và boreal) của toàn bộ nitơ, và lên đến 75% photpho, mà thực vật thu nhận hàng năm. Vi sinh vật sống tự do cũng điều chỉnh mạnh mẽ năng suất thực vật, thông qua quá trình khoáng hóa và sự cạnh tranh về chất dinh dưỡng mà hỗ trợ năng suất thực vật. Vi sinh vật trong đất, bao gồm cả các tác nhân gây bệnh vi sinh, cũng là những điều chỉnh viên quan trọng của động lực cộng đồng thực vật và sự đa dạng thực vật, quyết định độ phong phú của thực vật và, trong một số trường hợp, tạo điều kiện cho việc xâm nhập của các loài thực vật ngoại lai. Các ước tính bảo thủ cho thấy khoảng c.20.000 loài thực vật hoàn toàn phụ thuộc vào các symbion vi sinh vật để phát triển và sinh tồn, chỉ ra tầm quan trọng của vi sinh vật trong đất như là những điều chỉnh viên của sự phong phú các loài thực vật trên Trái đất. Tổng thể, bài đánh giá này cho thấy vi sinh vật trong đất cần được xem xét như là những yếu tố thúc đẩy quan trọng của sự đa dạng và năng suất thực vật trong các hệ sinh thái trên cạn.

Khái niệm metacommunity là một cách quan trọng để suy nghĩ về các liên kết giữa các quy mô không gian khác nhau trong sinh thái học. Ở đây, chúng tôi xem xét những hiểu biết hiện tại về khái niệm này. Đầu tiên, chúng tôi nghiên cứu các vấn đề liên quan đến định nghĩa của nó như một tập hợp các cộng đồng địa phương được liên kết bởi sự phân tán của nhiều loài có khả năng tương tác với nhau. Sau đó, chúng tôi xác định bốn mô hình cho metacommunity: cái nhìn động mảnh ghép, cái nhìn phân loại loài, cái nhìn hiệu ứng đại trà và cái nhìn trung lập, mỗi cái đều nhấn mạnh các quá trình khác nhau có thể quan trọng trong metacommunity. Những mô hình này có lịch sử tri thức khá khác nhau và chúng tôi thảo luận về các yếu tố liên quan đến sự tổng hợp tiềm năng trong tương lai của chúng. Chúng tôi sau đó sử dụng khuôn khổ này để thảo luận về lý do khái niệm này hữu ích trong việc điều chỉnh những suy nghĩ sinh thái hiện có và minh họa điều này bằng một số ví dụ lý thuyết và thực nghiệm. Khi các nhà sinh thái cố gắng hiểu các cơ chế ngày càng phức tạp và nỗ lực làm việc trên nhiều quy mô tổ chức không gian-thời gian, những khái niệm như metacommunity có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng mà thường trái ngược với những gì có thể đạt được từ các phương pháp thông thường hơn chỉ dựa trên các cộng đồng địa phương.

Trong hai thập kỷ qua, sự quan tâm đến các mô hình phân bố loài (SDMs) của thực vật và động vật đã tăng lên đáng kể. Những tiến bộ gần đây trong các mô hình SDM cho phép chúng ta dự đoán khả năng tác động của con người lên các mô hình đa dạng sinh học ở nhiều quy mô không gian khác nhau. Tuy nhiên, một số hạn chế vẫn cản trở việc sử dụng các mô hình SDM trong nhiều ứng dụng lý thuyết và thực tiễn. Ở đây, chúng tôi cung cấp tổng quan về những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này, thảo luận về các nguyên tắc sinh thái và giả định nền tảng của SDMs, và làm nổi bật các hạn chế và quyết định quan trọng trong việc xây dựng và đánh giá các mô hình SDM. Đặc biệt chú trọng đến việc sử dụng SDMs để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và các vấn đề quản lý bảo tồn. Chúng tôi đề xuất các hướng đi mới cho việc tích hợp di cư loài, động thái quần thể, tương tác sinh học và sinh thái cộng đồng vào SDMs ở nhiều quy mô không gian khác nhau. Giải quyết tất cả những vấn đề này đòi hỏi phải tích hợp tốt hơn các mô hình SDM với lý thuyết sinh thái.

Độ phong phú loài là một chỉ số cơ bản của sự đa dạng cộng đồng và khu vực, và nó là nền tảng cho nhiều mô hình sinh thái và chiến lược bảo tồn. Mặc dù có tầm quan trọng như vậy, nhưng các nhà sinh thái học không phải lúc nào cũng đánh giá đúng ảnh hưởng của độ phong phú và nỗ lực lấy mẫu đối với các biện pháp và so sánh độ phong phú. Chúng tôi khảo sát một loạt cạm bẫy phổ biến trong việc định lượng và so sánh độ phong phú của thuế. Những cạm bẫy này có thể được tránh phần lớn bằng cách sử dụng các đường tích lũy và giảm thiểu, có thể dựa trên cá thể hoặc mẫu. Những đường lấy mẫu thuế này chứa thông tin cơ bản cho các so sánh độ phong phú hợp lệ, bao gồm tỷ lệ thể loại - tiểu thể loại (tỷ lệ loài trên giống và tỷ lệ loài trên cá thể). Các phương pháp giảm thiểu – cả dựa trên mẫu và dựa trên cá thể – cho phép tiêu chuẩn hóa và so sánh các tập dữ liệu một cách có ý nghĩa. Việc chuẩn hóa các tập dữ liệu theo diện tích hoặc nỗ lực lấy mẫu có thể tạo ra những kết quả rất khác biệt so với việc chuẩn hóa bằng số lượng cá thể đã thu thập, và không phải lúc nào cũng rõ ràng biện pháp đa dạng nào là phù hợp hơn. Các ước lượng độ phong phú tiệm cận cung cấp các ước lượng giới hạn dưới cho các nhóm phong phú thuế như các loài chân khớp nhiệt đới, trong đó độ phong phú quan sát được hiếm khi đạt được tiệm cận, mặc dù đã thu thập nhiều mẫu. Những ví dụ gần đây về các nghiên cứu đa dạng của cây nhiệt đới, động vật không xương sống dưới nước và thực vật thảo mộc nhấn mạnh tầm quan trọng của việc định lượng chính xác độ phong phú loài bằng cách sử dụng các đường lấy mẫu thuế.

Sự biến đổi quy mô lớn trong độ phong phú về thuế tộc có mối tương quan mạnh mẽ với khí hậu. Nhiều cơ chế đã được giả thuyết để giải thích những mô hình này; tuy nhiên, các dự đoán có thể kiểm chứng để phân biệt giữa chúng hiếm khi được đưa ra. Tại đây, chúng tôi xem xét một số giả thuyết nổi bật về mối quan hệ giữa khí hậu và độ phong phú, trước tiên là đưa ra và kiểm nghiệm các dự đoán dựa trên các cơ chế giả thuyết của chúng. Giả thuyết ‘độ phong phú của năng lượng’ (còn gọi là ‘giả thuyết nhiều cá thể’) cho rằng những vùng năng suất cao hơn thì có nhiều cá thể hơn và do đó có nhiều loài hơn. Những vùng có năng suất cao hơn thường có nhiều loài hơn, nhưng dữ liệu hiện tại không nhất quán với mối quan hệ nguyên nhân được mong đợi từ năng lượng đến số lượng cá thể đến số lượng loài. Chúng tôi bác bỏ giả thuyết ‘độ phong phú của năng lượng’ ở dạng tiêu chuẩn của nó và xem xét một số sửa đổi được đề xuất. Giả thuyết ‘tolerance sinh lý’ cho rằng độ phong phú thay đổi theo sự dung nạp của các loài cá thể đối với các tập hợp điều kiện khí hậu khác nhau. Giả thuyết này dự đoán rằng nhiều tổ hợp thông số sinh lý hơn có thể tồn tại trong điều kiện ấm và ẩm hơn so với lạnh hoặc khô. Dữ liệu nhất quán về mặt định tính với dự đoán này, nhưng không phù hợp với dự đoán rằng các loài nên lấp đầy các khu vực có điều kiện khí hậu thích hợp. Cuối cùng, giả thuyết ‘tốc độ hình thành loài’ cho rằng tốc độ hình thành loài nên thay đổi theo khí hậu, do tốc độ tiến hóa nhanh hơn hoặc các tương tác sinh học mạnh mẽ hơn tăng cơ hội cho sự đa dạng tiến hóa ở một số khu vực. Cơ chế tương tác sinh học cũng có khả năng khuếch đại các gradient nông hơn, bên dưới trong sự phong phú. Số lượng thử nghiệm cho các giả thuyết về tốc độ hình thành loài là ít (cho đến nay), và kết quả của chúng cũng đa dạng.