Экологические последствия биоразнообразия - Ecological effects of biodiversity
Разнообразие видов и генов в экологических сообществах влияет на функционирование этих сообществ. Эти экологические последствия биоразнообразия в своей очереди, влияет как изменение климата посредством расширения парниковых газов , аэрозолей и потерь растительного покрова и биологического разнообразия, вызывая быструю потерю биоразнообразия и вымирание из видов и местного населения. Текущая скорость вымирания иногда считается массовым вымиранием , при этом текущая скорость вымирания видов в 100–1000 раз выше, чем в прошлом.
Двумя основными областями, в которых изучается влияние биоразнообразия на функцию экосистемы, являются взаимосвязь между разнообразием и продуктивностью и взаимосвязь между разнообразием и стабильностью сообщества. Более биологически разнообразные сообщества кажутся более продуктивными (с точки зрения производства биомассы ), чем менее разнообразные сообщества, и они кажутся более стабильными перед лицом возмущений.
Кроме того, животные, населяющие местность, могут изменять условия выживания под воздействием факторов, усваиваемых климатом.
Определения
Чтобы понять влияние, которое изменения в биоразнообразии окажут на функционирование экосистемы, важно определить некоторые термины. Биоразнообразие нелегко определить, но его можно рассматривать как количество и / или равномерность генов , видов и экосистем в регионе . Это определение включает генетическое разнообразие или разнообразие генов внутри вида, видовое разнообразие или разнообразие видов в пределах среды обитания или региона, а также разнообразие экосистем или разнообразие местообитаний в пределах региона.
Две вещи, обычно измеряемые в отношении изменений в разнообразии, - это продуктивность и стабильность . Продуктивность - это мера функции экосистемы. Обычно он измеряется путем взятия общей надземной биомассы всех растений на территории. Многие полагают, что его можно использовать в качестве общего индикатора функции экосистемы и что общее использование ресурсов и другие индикаторы функции экосистемы коррелируют с производительностью.
Стабильность определить гораздо сложнее, но в целом о ней можно думать двояко. Общая стабильность популяции - это показатель, который предполагает, что стабильность выше, если вероятность исчезновения меньше. Этот вид стабильности обычно измеряется путем измерения изменчивости совокупных свойств сообщества, таких как общая биомасса, с течением времени. Другое определение стабильности - это мера устойчивости и сопротивления, когда экосистема, которая быстро возвращается к равновесию после возмущения или сопротивляется вторжению, считается более стабильной, чем экосистема, которая этого не делает.
Продуктивность и стабильность как индикаторы здоровья экосистемы
Важность стабильности в экологии сообщества очевидна. Нестабильная экосистема с большей вероятностью потеряет виды. Таким образом, если действительно существует связь между разнообразием и стабильностью, вполне вероятно, что утрата разнообразия может сказаться на самих себе, вызывая еще большую потерю видов. С другой стороны, продуктивность играет менее важную роль в экологии сообщества. На управляемых территориях, таких как пахотные земли , а также в районах, где выращивают или ловят животных, повышение продуктивности увеличивает экономический успех района и подразумевает, что площадь стала более эффективной, что приведет к возможной долгосрочной устойчивости ресурсов . Сложнее понять важность продуктивности природных экосистем.
Помимо ценности, которую биоразнообразие имеет для регулирования и стабилизации экосистемных процессов, есть прямые экономические последствия утраты разнообразия в определенных экосистемах и в мире в целом. Потеря видов означает потерю потенциальных продуктов питания , лекарств , промышленных товаров и туризма , которые имеют прямое экономическое влияние на жизнь людей.
Влияние на продуктивность сообщества
- Комплементарность Сосуществование видов растений считается результатом разделения ниш или различий в потребностях в ресурсах между видами. За счет взаимодополняемости более разнообразное растительное сообщество должно иметь возможность более полно использовать ресурсы и, следовательно, быть более продуктивным. Этот механизм, также называемый нишевой дифференциацией, является центральным принципом в подходе функциональных групп , который разбивает видовое разнообразие на функциональные компоненты.
- Содействие Содействие - это механизм, с помощью которого определенные виды помогают или позволяют другим видам расти, изменяя окружающую среду таким образом, чтобы это было благоприятным для сосуществующих видов. Растения могут взаимодействовать через посредников, таких как азот, вода, температура, пространство или взаимодействие с сорняками или травоядными, среди прочего. Некоторые примеры облегчения включают большие пустынные многолетние растения, выступающие в качестве питательных растений, способствующие созданию молодых соседей других видов за счет снижения водного и температурного стресса, а также обогащение питательными веществами азотфиксаторами, такими как бобовые.
- Эффект выборки Эффект разнообразия выборки можно рассматривать как имеющий больше шансов включить виды с наибольшей собственной продуктивностью на более разнообразный участок. Это обеспечивает влияние композиции на продуктивность, а не разнообразие, являющееся прямой причиной. Однако на самом деле эффект выборки может быть совокупностью различных эффектов. Эффект отбора проб можно разделить на большую вероятность выбора вида, который 1) хорошо адаптирован к конкретным условиям участка или 2) обладает большей собственной продуктивностью. Кроме того, можно добавить к эффекту выборки большую вероятность включения 3) пары видов, которые в значительной степени дополняют друг друга, или 4) определенного вида с большим стимулирующим влиянием на других членов сообщества.
Обзор данных
Полевые эксперименты для проверки степени, в которой разнообразие влияет на продуктивность сообществ, дали разные результаты, но многие долгосрочные исследования пастбищных экосистем показали, что разнообразие действительно увеличивает продуктивность экосистем. Кроме того, доказательства этой взаимосвязи также были обнаружены в микрокосмах пастбищ. Различия в результатах между исследованиями могут частично объясняться их зависимостью от образцов с одинаковым видовым разнообразием, а не видового разнообразия, которое отражает наблюдаемое в окружающей среде. Эксперимент 2006 года, в котором использовались реалистичные вариации видового состава для образцов пастбищ, обнаружил положительную корреляцию между увеличением разнообразия и увеличением производства.
Однако эти исследования пришли к разным выводам относительно того, была ли причина больше в разнообразии или в составе видов. В частности, разнообразие функциональных ролей видов может быть более важным качеством для прогнозирования продуктивности, чем разнообразие видов. Последние математические модели подчеркнули важность экологического контекста в решении этой проблемы. Некоторые модели указали на важность интенсивности нарушений и пространственной неоднородности окружающей среды, другие указали, что время, прошедшее с момента нарушения, и пропускная способность среды обитания могут вызывать различные отношения. Каждый экологический контекст должен давать не только разные отношения, но и различный вклад в отношения из-за разнообразия и состава. Текущий консенсус придерживается мнения, что определенные комбинации видов обеспечивают повышенную продуктивность сообщества.
Будущие исследования
Чтобы правильно определить последствия разнообразия для продуктивности и других экосистемных процессов, должно произойти многое. Во-первых, необходимо, чтобы ученые перестали искать единственную связь. Теперь из моделей, данных и теории очевидно, что нет единого всеобъемлющего влияния разнообразия на продуктивность. Ученые должны попытаться количественно оценить различия между эффектом состава и эффектами разнообразия, поскольку многие эксперименты никогда не дают количественной оценки окончательного реализованного видового разнообразия (вместо этого подсчитывается только количество посаженных видов семян) и смешивают эффект выборки для фасилитаторов (фактор состава) с эффектами разнообразия. .
Следует использовать относительное количество избыточного выращивания (или насколько больше вид растет при выращивании с другими видами, чем в монокультуре), а не абсолютное количество, поскольку относительное избыточное выращивание может дать ключ к разгадке механизма, посредством которого разнообразие влияет на продуктивность, однако если экспериментально протоколы неполны, можно указать на наличие дополнительного или стимулирующего эффекта в эксперименте, но не в состоянии распознать его причину. Экспериментаторы должны знать, какова цель их эксперимента, то есть, предназначен ли он для информирования естественных или управляемых экосистем, поскольку эффект выборки может быть только реальным эффектом разнообразия в естественных экосистемах (управляемые экосистемы составлены таким образом, чтобы максимизировать взаимодополняемость и облегчение независимо от численности видов). Зная это, они должны иметь возможность выбирать пространственные и временные масштабы, подходящие для их эксперимента. Наконец, чтобы разрешить дискуссию о функции разнообразия, рекомендуется проводить эксперименты с большим количеством пространственной неоднородности и неоднородности ресурсов и флуктуаций окружающей среды во времени, поскольку эти типы экспериментов должны быть в состоянии более легко продемонстрировать взаимосвязь функции разнообразия.
Влияние на стабильность сообщества
- Эффект усреднения. Если все виды по-разному реагируют на изменения в экосистеме с течением времени, то усреднение этих реакций приведет к более стабильной во времени экосистеме, если в экосистеме присутствует больше видов. Этот эффект является статистическим из-за суммирования случайных величин .
- Отрицательный эффект ковариации. Если одни виды преуспевают, когда другие виды не преуспевают, тогда, когда в экосистеме больше видов, их общая дисперсия будет ниже, чем если бы в системе было меньше видов. Эта более низкая дисперсия указывает на более высокую стабильность. Этот эффект является следствием конкуренции, поскольку высококонкурентные виды будут отрицательно коварировать .
- Страховой эффект. Если экосистема содержит больше видов, то у нее будет большая вероятность наличия избыточных стабилизирующих видов, и в ней будет большее количество видов, которые по-разному реагируют на возмущения. Это повысит способность экосистемы сдерживать возмущения.
- Сопротивление вторжению. Разнообразные сообщества могут использовать ресурсы более полно, чем простые сообщества, из-за эффекта разнообразия для взаимодополняемости. Таким образом, захватчики могут иметь меньший успех в различных экосистемах, или может быть уменьшена вероятность того, что вторгшиеся виды привнесут новое свойство или процесс в разнообразную экосистему.
- Устойчивость к болезням Уменьшение количества конкурирующих видов растений может привести к увеличению численности других видов, способствуя распространению болезней этих видов.
Обзор данных временной стабильности
Модели предсказали, что эмпирические взаимосвязи между временными вариациями продуктивности сообществ и видовым разнообразием действительно реальны, и что они почти должны быть таковыми. Некоторые данные временной стабильности можно почти полностью объяснить эффектом усреднения путем построения нулевых моделей для проверки данных. Конкуренция, порождающая отрицательные ковариации, только укрепляет эти отношения.
Обзор данных устойчивости и устойчивости к восстановлению
Эта область является более спорной, чем область временной стабильности, в основном потому, что некоторые пытались обобщить результаты моделей и теории временной стабильности на стабильность в целом. Хотя взаимосвязь между временными вариациями продуктивности и разнообразием имеет математическую причину, которая позволит видеть взаимосвязь гораздо чаще, чем нет, это не относится к стабильности сопротивления / устойчивости. Некоторые экспериментаторы наблюдали корреляцию между разнообразием и уменьшенной инвазивностью, хотя многие видели и обратное. Корреляция между разнообразием и болезнями также незначительна, хотя теория и данные, кажется, подтверждают это.
Будущие исследования
Чтобы более полно понять влияние разнообразия на временную стабильность экосистем, необходимо признать, что они неизбежны. Создавая нулевые модели для проверки данных (как в Doak et al. 1998), становится возможным находить ситуации и экологические контексты, в которых экосистемы становятся более или менее стабильными, чем они должны быть. Обнаружение этих контекстов позволит механистическим исследованиям того, почему эти экосистемы более стабильны, что может позволить применять их в управлении сохранением .
Что еще более важно, более полные эксперименты по выяснению того, действительно ли различные экосистемы противостоят вторжению и болезням лучше, чем их менее разнообразные эквиваленты, такие как вторжение и болезнь, являются двумя важными факторами, которые приводят к исчезновению видов в наши дни.
Теория и предварительные эффекты от изучения пищевых сетей
Одна из основных проблем обсуждавшихся до сих пор дискуссий как о разнообразии-продуктивности, так и о стабильности-разнообразии заключается в том, что оба они сосредоточены на взаимодействиях только на одном трофическом уровне . То есть они имеют дело только с одним уровнем пищевой сети , а именно с растениями. Другое исследование, не связанное с влиянием разнообразия, продемонстрировало сильное воздействие на экосистемы сверху вниз (см. Ключевые виды ). Имеется очень мало фактических данных о влиянии различных пищевых сетей, но теория помогает нам в этой области. Во-первых, если трофическая сеть в экосистеме имеет множество слабых взаимодействий между различными видами, тогда у нее должны быть более стабильные популяции, а сообщество в целом должно быть более стабильным. Если верхние уровни сети более разнообразны, то на нижних уровнях будет меньше биомассы, а если более низкие уровни более разнообразны, они смогут лучше противостоять потреблению и будут более стабильными перед лицом потребления. Кроме того, необходимо уменьшить воздействие сверху вниз в менее разнообразных экосистемах из-за предвзятости к тому, что виды на более высоких трофических уровнях вымирают первыми. Наконец, недавно было показано, что потребители могут резко изменить взаимосвязь между биоразнообразием, продуктивностью и стабильностью, которая подразумевается только растениями. Таким образом, в будущем будет важно включить теорию трофических сетей в будущие исследования воздействия биоразнообразия. Кроме того, эту сложность необходимо будет решить при разработке планов управления биоразнообразием.