气候变化下适应性植物-传粉者网络的稳定性与结构

《BioSystems》:Stability and structure of adaptive plant-pollinator networks under climate change

【字体: 时间:2026年03月29日 来源:BioSystems 1.9

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  气候变化通过改变物种生理特征间接影响群落结构,而适应性觅食行为可能调节生态网络对气候变化的响应。本研究发现适应性觅食能通过中介物种生理反应重塑网络稳定性与结构:高温下通用主义者存活更优,专家类在最优温附近存活;极端高温增加连接度、模块性、 niche重叠和专门化;低温响应取决于热性能曲线形态,呈现U型或单调增长;自适应群落中嵌套性随变暖线性下降。这揭示了温度与行为适应共同驱动网络动态的机制,强调行为适应对生态系统弹性的重要性。

  
梁亮亮|马琦|苏敏
合肥工业大学数学学院,中国合肥230009

摘要

气候变化直接影响物种的生理特征,并间接改变群落结构。然而,适应性觅食如何调节生态系统对气候变化的响应是一个重要的问题。在这里,我们研究了温度变化和传粉者适应性觅食对互利网络稳定性和结构的交互影响。我们评估了物种持续性和网络属性(包括群落复杂性、连通性、模块性、嵌套性、生态位重叠和专业化)在温度梯度上的变化。我们的发现表明,适应性觅食可以通过调节物种对温度的生理反应来重塑网络稳定性和结构。在极端温度压力下,适应性觅食增强了通用型传粉者的持续性,而在接近其温度最佳值时则支持了专型传粉者。在适应性和非适应性群落中,温度升高都会改变关键网络指标,极端高温会增加连通性、模块性、生态位重叠和专业化。对极端低温的响应取决于温度性能曲线的形式,在高斯函数下呈现U形模式,在非对称公式下呈现单调增加。无论温度性能曲线形状如何,适应性群落的嵌套性都会随着温度升高而线性下降。这些发现共同揭示了温度和适应性觅食如何共同决定互利网络的稳定性和结构,强调了行为适应在气候变化下维持生态系统韧性方面的重要性。

引言

近几十年来,全球气候变化显著加剧,过去25年的温度上升速度几乎是前150年的四倍(Post, 2013; Bhandary et al., 2023)。因此,准确预测物种对环境变化的响应对于有效的生态系统管理和保护至关重要。研究表明,温度升高深刻影响了消费者-资源系统(Amarasekare, 2015; 2019; Yacine et al., 2021)和植物-传粉者系统(Bhandary et al., 2023; Rusman et al., 2025),改变了种群动态、相互作用强度和群落组成。尽管取得了这些进展,但我们对植物-传粉者相互作用网络如何响应与全球变暖相关的复杂环境变化的理解仍然有限。气候变化可以驱动动物行为的适应性变化,改变相互作用模式并重塑群落结构。这种行为调整在生态动态和相互作用结构之间产生了反馈。虽然已知气候变化会重塑群落多样性、结构和稳定性,但当将适应性行为纳入传粉者群落时,网络结构的响应方式仍不清楚。
气候变化可以深刻改变物种特征和生态系统稳定性(Criddle et al., 1997; Miller-Struttmann et al., 2015; Amarasekare, 2019; Kaur and Dutta, 2020; 2022; Johnson et al., 2023)。例如,一项实证研究记录了过去40年中两种高山大黄蜂(Bombus balteatusB. sylvicola)的舌长显著减少,这是由温度升高引起的(Miller-Struttmann et al., 2015)。生长和衰减率等生理参数也对温度波动非常敏感(Criddle et al., 1997; Kaur and Dutta, 2022; Johnson et al., 2023),这些参数的变化不可避免地会影响生态网络的动态和稳定性(Uszko et al., 2017; Amarasekare, 2019; Kaur and Dutta, 2020; Bhandary et al., 2023)。Bhandary等人(2023)利用来自全球139个植物-传粉者网络的数据表明,在高温条件下,网络崩溃的风险急剧增加。当升温超过某个临界阈值时,生态系统可能会发生突然崩溃——这种现象被称为“升温诱导的临界点”(Kaur and Dutta, 2022)。
生态网络的结构——通过连通性、模块性、嵌套性和相互作用强度的分布等指标来量化——在决定群落稳定性和生态系统功能中起着关键作用。气候变化可以通过改变物种分布、物候、丰度和特征来重塑这些结构,从而改变物种相互作用的身份和强度(Bartomeus et al., 2011)。例如,开花时间和传粉者出现时间的物候不匹配会减少时间重叠,而温度驱动的种群规模变化会改变相互作用的频率和强度。热应力还可以诱导关键功能特征(如体型、物候、觅食范围)的快速可塑性或进化变化,从而影响互利和对抗性群落中相互作用的特征匹配基础。然而,大多数先前的研究将网络结构视为相对静态的,主要关注链接分布和相互作用强度。实证证据表明,温度升高可以增加代谢率和进食率,可能改变相互作用偏好并重塑食物网结构(Zhang et al., 2020)。
在互利网络中,传粉者经常根据植物物种之间成本和收益的变化调整它们的觅食选择(Fowler et al., 2016)。这一过程称为适应性觅食,源于访问偏好的行为可塑性,这是由花卉资源可用性的波动驱动的(Valdovinos et al., 2010; Valdovinos et al., 2013; Yahaya et al., 2024)。理论模型表明,适应性觅食可以强烈影响群落动态、生物多样性和对物种损失的抵抗力(Valdovinos et al., 2010)。实证研究支持这些预测;例如,在资源稀缺的干旱季节,植物-传粉者相互作用变得更加专门化,减少了生态位重叠(Souza et al., 2018)。然而,这些研究往往忽略了温度如何改变植物和传粉者的生理特征(Loveys et al., 2002; McCoy and Gillooly, 2008; Johnson et al., 2023),而这反过来又影响互利伙伴的选择。因此,温度可能通过直接改变种群动态和特征动态,以及间接通过影响资源可用性和行为反应来重塑网络结构。
总体而言,这些研究突显了温度波动对生态网络结构和稳定性的深刻挑战(Amarasekare, 2015; Baruah and Lak?mper, 2024)。在这里,我们重新评估了温度介导的生理变化与适应性觅食如何共同塑造互利网络动态。具体来说,我们探讨了三个问题:(1)温度变化如何影响网络结构属性和稳定性?(2)适应性觅食如何调节网络对温度变化的响应?(3)温度驱动的网络结构变化具有哪些生态学意义?

模型片段

模型

我们构建了一个适应性植物-传粉者网络,追踪了植物物种、传粉者物种及其相关花卉资源的种群动态。为了便于分析互利网络中的适应性觅食,物种动态在广义Lotka–Volterra框架内进行了建模,采用了线性(Holling Type I)功能响应(Valdovinos et al., 2010; Valdovinos et al., 2013; Valdovinos et al., 2016; Valdovinos et al., 2018; Yahaya et al., 2024)。

结果

我们首先研究了温度对互利网络中传粉者持续性的影响,考虑了适应性和非适应性觅食动态(图1)。如图1所示,传粉者的持续性对逐渐变化的温度表现出单峰响应,在传粉者繁殖的最佳温度附近达到峰值。包含适应性觅食的群落显示出比没有适应性动态的群落更高的整体持续性,表明适应性觅食策略

讨论

我们的研究表明,环境温度是植物-传粉者网络中结构动态和物种持续性的关键驱动因素,适应性觅食从根本上调节了这些关系。通过将温度依赖的特征与网络模型中的适应性行为动态结合起来,我们区分了温度对互利生态系统的直接和间接影响。

作者贡献声明

马琦:软件、方法论。梁亮亮:撰写——原始草稿、软件、方法论。苏敏:撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、概念化

未引用参考文献

Barabás and D’Andrea, 2016; Post, 2013.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢编辑和匿名审稿人的有益评论和建议,这些评论和建议提高了我们手稿的质量。MS得到了国家自然科学基金(编号:32371555)、安徽省自然科学基金(编号:2308085MA09)以及中央高校基本科研业务费(编号:JZ2024HGTG0278)的支持。
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