海洋所揭示氣候變暖與人類活動協(xié)同驅(qū)動珊瑚礁食物網(wǎng)重構(gòu)機制
近日,中國科學(xué)院海洋研究所甲殼動物和棘皮動物系統(tǒng)分類與進化研究組在南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制研究方面取得重要進展,首次揭示了海洋溫度升高與初級生產(chǎn)力增強在塑造珊瑚礁食物網(wǎng)復(fù)雜性與穩(wěn)定性方面的非線性協(xié)同作用。該系列研究成果發(fā)表于Nature旗下地學(xué)領(lǐng)域Top期刊Communications Earth & Environment和環(huán)境領(lǐng)域國際期刊Environmental Research。
珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是地球上海洋生物多樣性最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一,在維持海洋生物多樣性和保護海岸帶等方面具有不可替代的生態(tài)功能。然而,全球氣候變暖與人類活動強度持續(xù)上升,使珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)正承受前所未有的多重脅迫。以往研究多側(cè)重單一環(huán)境因子或單一營養(yǎng)級尺度,難以揭示氣候變暖與營養(yǎng)增強交互作用下珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的內(nèi)在機制。尤其對于具有顯著垂向結(jié)構(gòu)和高度耦合能量通道的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng),傳統(tǒng)研究范式已難以滿足整體認知需求。
針對上述問題,研究團隊在南海多個代表性島礁開展系統(tǒng)調(diào)查,覆蓋表層水體、底層水體及表層沉積物等關(guān)鍵生境,利用環(huán)境DNA(eDNA)宏條形碼技術(shù)和傳統(tǒng)形態(tài)分類,同步獲取多營養(yǎng)級生物多樣性信息,首次在區(qū)域尺度上系統(tǒng)重建了涵蓋水體與沉積物的珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
在方法學(xué)上,本研究構(gòu)建了eDNA生物多樣性信息與功能攝食關(guān)系相結(jié)合的宏食物網(wǎng)分析框架。基于該框架,系統(tǒng)揭示了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在自然溫度與營養(yǎng)梯度下的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。結(jié)果表明,南海珊瑚礁食物網(wǎng)在垂向上呈現(xiàn)顯著分異:水體食物網(wǎng)具有較高的連通性和嵌套性,主要受捕食者多樣性驅(qū)動的自上而下調(diào)控;而沉積物食物網(wǎng)則表現(xiàn)出更強的模塊化特征,其穩(wěn)定性主要由資源供給的自下而上過程控制(圖1)。

圖1 南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與受控機制的垂向差異
進一步分析發(fā)現(xiàn),氣候變暖與營養(yǎng)增強在水體食物網(wǎng)中產(chǎn)生顯著的非線性交互效應(yīng),并沿水深梯度呈現(xiàn)清晰的差異化響應(yīng)。在表層水體中,高營養(yǎng)水平可緩沖升溫對食物網(wǎng)連通性的負面影響,使食物網(wǎng)形成結(jié)構(gòu)緊湊但食物鏈較短的狀態(tài);而在較深水體中,適宜的溫度和營養(yǎng)條件有利于維持較長食物鏈,但在極端條件下食物網(wǎng)穩(wěn)定性顯著下降(圖2)。上述結(jié)果表明,變暖與營養(yǎng)富集在不同水深共同塑造了顯著差異的食物網(wǎng)穩(wěn)定格局。

圖2 沿溫度和生產(chǎn)力梯度珊瑚礁食物網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)
該研究系統(tǒng)揭示了自然溫度與生產(chǎn)力梯度下珊瑚礁食物網(wǎng)的非線性響應(yīng)機制,為理解氣候變化與人類活動疊加背景下珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重組與穩(wěn)定性演變提供了新的理論框架(圖3),也為珊瑚礁保護與管理策略的制定提供了重要科學(xué)依據(jù)。

圖3 變暖與營養(yǎng)富集重塑南海珊瑚礁食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所特別研究助理張政,通訊作者為沙忠利研究員。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金杰出青年項目等資助。
論文信息:
Zhang, Z., Hui, M., Cheng, J., Sha, Z.L*. (2025). Warming and resource enhancement shape food webs in South China Sea coral reef system. Communications Earth & Environment. https://doi.org/10.1038/s43247-025-03147-7.
Zhang, Z., Hui, M., Cheng, J., Yuan, Z.M., Sha, Z.L*. (2025). Warming and anthropogenic variables interact to impact dominant animal communities in coral reef ecosystems. Environmental Research, 285, 122579.
Zhang, Z., Cheng, J., Yuan, Z.M., Wang, Y.R., Xiao, N., Zhang, S.Q., Hui, M., Zhang, J.L., Sha, Z.L*. (2025). Integrating eDNA and morphology reveals arsenic-associated assembly processes of benthic invertebrates in coral reef ecosystems. Environmental Research, 285, 122647.
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