生物多樣性如何決定生態系統功能水平是生態學領域長期以來的核心議題之一。物種多樣性概念由多維度的特徵組成，除物種數量（豐富度）以外，還包括群落組成、系統發育進化及相互作用關係等諸多方面。目前，生態學家面臨的一個主要挑戰是如何從多維度的角度來預測生物多樣性下降對生態系統多功能性（multifunctionality）的影響，因為不同層面的多樣性特徵對生態系統的影響可能相互疊加或者相互抵消。這個問題限制了基於生物多樣性理論指導生態修復等實踐的努力與成效。中國科學院水生生物研究所等機構研究人員利用我國西北乾旱地區生物結皮（biocrusts）中以陸生藍藻為主的光合自養功能群為研究對象，揭示了乾旱土壤生態系統中藍藻多維度多樣性特徵與生態系統多功能水平的潛在關聯。研究結果近期在線發表於生態學領域國際著名期刊 Molecular Ecology (doi: 10.1111/mec.15424)。 通過對生物結皮中光合細菌豐富種（abundant species）與稀有種（rare species）的區分識別，水生所研究團隊利用高通量擴增子測序數據對各類群物種豐富度、均勻度和系統發育差異性進行了量化，通過網絡分析測量物種相互作用關係的拓撲結構特徵，提出了新的綜合指數來衡量群落中物種相互作用強度。同時，通過生物結皮中潛在初級生產力、土壤微生物數量、氮磷含量、植物有效養分濃度、土壤碳儲量及潛在持水能力等七個關鍵特徵變量來評估土壤多功能性水平。研究人員發現，在以往相關研究中關注度較高的物種豐富度並不足以解釋生物結皮中藍藻對土壤生態系統多維功能的貢獻。雖然種間促進關係及群落組成特徵能更好的預期生態系統的多功能性，但這些多樣性特徵常常被人們忽視了。此外，研究人員還發現，物種功能重要性係數與其在共現網絡中的拓撲特徵指數之間呈現顯著的正相關性，並分析了物種互作拓撲結構潛在的功能信號，預測了種間相互作用如何促進生態系統功能的作用機制。研究結果表明光合自養各亞類群對生物結皮功能性的影響是通過不同機制實現的，豐富種趨向於影響生態系統的恢復力（resilience），而稀有種則側重維持穩定性（stability）。該研究對乾旱生境中的建群種如何驅動生態系統功能提供了綜合視野，為運用生物多樣性-生態系統功能關係理論服務生態修復的決策過程給出了建議。 該項研究得到了國家自然科學基金面上項目（41877419）和青年基金項目（31400368）的資助，同時也得到了中科院水生所分析測試中心及中科院超算中心武漢分部的技術協助。中國科學院武漢植物園等單位科研人員參與了部分研究工作，中國科學院水生生物研究所為該論文第一完成單位，李華副研究員為本文第一作者和通訊作者，李仁輝研究員為共同通訊聯繫人。
圖1.研究地點分布、土壤功能特徵及光合自養各亞類群識別
圖2. 藍藻多樣性特徵對生態系統多功能性的影響