Hệ sinh thái là gì? Các công bố khoa học về Hệ sinh thái

Từ nguồn nước đến cửa sông, các biến số vật lý trong một hệ thống sông ngòi tạo ra một gradient liên tục của các điều kiện vật lý. Gradient này sẽ kích thích một loạt các phản ứng trong các quần thể thành phần, dẫn đến một chuỗi các điều chỉnh sinh học và các mẫu thống nhất về tải, vận chuyển, sử dụng và lưu trữ chất hữu cơ dọc theo chiều dài của một dòng sông. Dựa trên lý thuyết cân bằng năng lượng của các nhà địa hình học dòng chảy, chúng tôi giả thuyết rằng các đặc điểm cấu trúc và chức năng của cộng đồng dòng chảy đã thích nghi để phù hợp với vị trí có khả năng xảy ra nhất hoặc trạng thái trung bình của hệ thống vật lý. Chúng tôi cho rằng các cộng đồng sản xuất và tiêu thụ đặc trưng của một đoạn sông nhất định được thiết lập một cách hài hòa với các điều kiện vật lý động của lòng sông. Trong các hệ thống dòng chảy tự nhiên, các cộng đồng sinh học có thể được đặc trưng là hình thành một liên tục tạm thời của các sự thay thế loài đồng bộ. Sự thay thế liên tục này hoạt động để phân phối việc sử dụng các đầu vào năng lượng theo thời gian. Do đó, hệ sinh học tiến gần đến một cân bằng giữa xu hướng sử dụng hiệu quả các đầu vào năng lượng thông qua phân bổ tài nguyên (thức ăn, nền, v.v.) và một xu hướng đối lập cho tốc độ xử lý năng lượng đồng nhất trong suốt cả năm. Chúng tôi lý thuyết rằng các cộng đồng sinh học phát triển trong các dòng sông tự nhiên giả định các chiến lược xử lý liên quan đến việc giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các cộng đồng hạ lưu được hình thành để tận dụng những bất cập trong xử lý ở thượng lưu. Cả sự bất cập ở thượng lưu (rò rỉ) và các điều chỉnh ở hạ lưu dường như có thể dự đoán trước. Chúng tôi đề xuất rằng Khái Niệm Liên Tục Sông Ngòi cung cấp một khung cho việc tích hợp các đặc điểm sinh học có thể dự đoán và quan sát được của các hệ thống chảy. Các tác động của khái niệm này trong các lĩnh vực cấu trúc, chức năng và sự ổn định của các hệ sinh thái sông ngòi được thảo luận.

▪ Tóm tắt: Chúng tôi nghiên cứu khía cạnh xã hội tạo điều kiện cho quản lý hệ sinh thái thích ứng. Bài tổng quan tập trung vào các kinh nghiệm về quản trị thích ứng của các hệ thống xã hội-sinh thái trong những giai đoạn thay đổi đột ngột (khủng hoảng) và điều tra các nguồn tái tạo và tái cơ cấu xã hội. Hình thức quản trị này kết nối các cá nhân, tổ chức, cơ quan và thể chế tại nhiều cấp bậc tổ chức khác nhau. Những người chủ chốt đóng vai trò lãnh đạo, gây dựng niềm tin, tạo ra tầm nhìn, ý nghĩa, và giúp chuyển đổi các tổ chức quản lý thành một môi trường học tập. Hệ thống quản trị thích ứng thường tự tổ chức như các mạng lưới xã hội với các nhóm làm việc và nhóm diễn viên dựa vào nhiều hệ thống tri thức và kinh nghiệm khác nhau để phát triển hiểu biết chung và chính sách. Sự xuất hiện của "các tổ chức cầu nối" dường như giảm nhẹ chi phí hợp tác và giải quyết xung đột, và các quy định pháp lý và chính sách chính phủ phù hợp có thể hỗ trợ tự tổ chức trong khi hình thành sự sáng tạo cho nỗ lực quản lý đồng quản lý thích ứng. Một hệ thống xã hội-sinh thái kiên cường có thể tận dụng khủng hoảng như một cơ hội để chuyển đổi thành trạng thái mong muốn hơn.

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.

Các hệ thống phân loại tham chiếu là rất quan trọng để cung cấp một khung phân loại cho việc giải thích các khảo sát gene đánh dấu và metagenomic, vốn đang tiếp tục phát hiện ra các loài mới với tốc độ đáng kể. Greengenes là một cơ sở dữ liệu gene 16S rRNA toàn bộ chuyên dụng, cung cấp cho người dùng một hệ thống phân loại được chỉnh sửa dựa trên việc suy diễn cây kiểu de novo. Chúng tôi đã phát triển một phương pháp 'phân loại thành cây' để chuyển giao các tên nhóm từ một hệ thống phân loại hiện có sang một hình thái cây, và đã sử dụng nó để áp dụng các hệ thống phân loại Greengenes, Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia (NCBI) và cyanoDB (chỉ dành cho vi khuẩn lam) vào một cây de novo bao gồm 408.315 chuỗi. Chúng tôi cũng đã bao gồm thông tin cấp bậc rõ ràng do hệ thống phân loại NCBI cung cấp cho các tên nhóm (bằng cách tiền tố các chỉ định cấp bậc) nhằm cải thiện định hướng người dùng và tính nhất quán trong phân loại. Hệ thống phân loại hợp nhất mà chúng tôi tạo ra đã cải thiện phân loại của 75% các chuỗi theo một hoặc nhiều cấp bậc so với hệ thống phân loại NCBI gốc, với những cải tiến rõ ràng nhất xảy ra ở các chuỗi môi trường bị phân loại thấp. Chúng tôi cũng đã đánh giá các bộ phận (nhóm) ứng cử viên hiện được xác định bởi NCBI và trình bày các khuyến nghị để hợp nhất 34 nhóm có tên gọi trùng lặp. Tất cả các kết quả trung gian từ quy trình, bao gồm suy diễn cây, jackknifing và chuyển giao một hệ thống phân loại cho một cây nhận (tax2tree) đều có sẵn để tải xuống. Hệ thống phân loại Greengenes được cải thiện này nên cung cấp cơ sở hạ tầng quan trọng cho nhiều dự án megasequencing nghiên cứu các hệ sinh thái trên các quy mô từ cơ thể của chúng ta (Dự án Vi sinh vật Người) đến toàn bộ hành tinh (Dự án Vi sinh vật Địa cầu). Việc triển khai phần mềm có thể được lấy từ http://sourceforge.net/projects/tax2tree/.

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.

Bài báo này nghiên cứu các tác động tiêu cực và tích cực của việc sử dụng đất nông nghiệp đối với bảo tồn đa dạng sinh học và mối quan hệ của nó với các dịch vụ hệ sinh thái từ quan điểm cảnh quan. Nông nghiệp có thể đóng góp vào việc bảo tồn các hệ thống có độ đa dạng sinh học cao, có thể cung cấp các dịch vụ hệ sinh thái quan trọng như thụ phấn và kiểm soát sinh học thông qua các hiệu ứng bổ sung và khảo sát. Quản lý sử dụng đất thường tập trung vào một số loài và các quy trình địa phương, nhưng trong các cảnh quan nông nghiệp động, chỉ một sự đa dạng của các loài bảo hiểm mới có thể đảm bảo khả năng phục hồi (khả năng tái tổ chức sau sự cố). Các loài tương tác trải nghiệm cảnh quan xung quanh ở những quy mô không gian khác nhau, ảnh hưởng đến các tương tác dinh dưỡng. Cảnh quan có cấu trúc phức tạp nâng cao đa dạng địa phương trong các hệ sinh thái nông nghiệp, có thể bù đắp cho quản lý cường độ cao tại địa phương. Các sinh vật có khả năng phân tán cao dường như là nguyên nhân chính điều khiển các mô hình đa dạng sinh học và các dịch vụ hệ sinh thái, nhờ vào khả năng tái định cư và việc trải nghiệm các nguồn lực lớn hơn. Các chương trình môi trường nông nghiệp (khuyến khích cho nông dân để cải thiện môi trường) cần mở rộng cái nhìn và tính đến các phản ứng khác nhau đối với các chương trình trong các cảnh quan nông nghiệp đơn giản (tác động cao) và phức tạp (tác động thấp). Trong các cảnh quan đơn giản, việc phân bổ nơi sống địa phương quan trọng hơn trong các cảnh quan phức tạp, vốn toàn bộ có nguy cơ. Tuy nhiên, hiểu biết hạn chế về tầm quan trọng tương đối của quản lý địa phương và cảnh quan đối với đa dạng sinh học và mối quan hệ của nó với các dịch vụ hệ sinh thái làm cho việc đưa ra các khuyến nghị đáng tin cậy trở nên khó khăn.

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.

Chúng tôi chỉ ra rằng độ nhạy nhiệt độ của R_eco, được suy ra từ các bộ dữ liệu dài hạn (hàng năm), không phản ánh độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn có hiệu lực khi ngoại suy từ ban đêm sang ban ngày. Cụ thể, trong các hệ sinh thái hoạt động vào mùa hè, độ nhạy nhiệt độ dài hạn vượt quá độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn. Do đó, trong những hệ sinh thái này, việc áp dụng một độ nhạy nhiệt độ dài hạn cho việc ngoại suy hô hấp từ ban đêm sang ban ngày dẫn đến việc đánh giá quá cao hô hấp của hệ sinh thái từ quy mô thời gian nửa giờ đến hàng năm, có thể đạt hơn 25% cho ngân sách hàng năm và do đó ảnh hưởng đến ước tính của GEP. Ngược lại, trong các hệ sinh thái thụ động vào mùa hè (Địa Trung Hải), độ nhạy nhiệt độ dài hạn thấp hơn độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn dẫn đến việc đánh giá thấp tổng hô hấp hàng năm.

Chúng tôi giới thiệu một thuật toán tổng quát mới cho phép suy ra độ nhạy nhiệt độ ngắn hạn của R_eco từ dữ liệu đo đạc covarian rối, áp dụng cho việc ngoại suy từ ban đêm sang ban ngày, và thêm vào đó thực hiện việc điền các khoảng trống dữ liệu dựa trên cả sự tương quan giữa các dòng chảy và các yếu tố khí tượng, cũng như cấu trúc tạm thời của các dòng chảy. Mặc dù thuật toán này nên cung cấp các ước tính ít thiên lệch hơn về GEP và R_eco, chúng tôi thảo luận về những thiên lệch còn lại và khuyến nghị rằng các phép đo covarian rối vẫn cần được hỗ trợ bởi các phép đo dòng chảy phụ trợ nhằm giảm thiểu sự không chắc chắn vốn có trong dữ liệu covarian rối.