气候变暖和人类活动导致的湖泊营养水平提升对全球范围内的湖泊生态系统产生了普遍影响，多重因素作用下湖泊生物多样性正面临前所未有的威胁，生物多样性动态及其演变机制的研究已成为水生生态学的关键问题。然而现有的生物多样性监测数据覆盖时间尺度较短，难以区分气候变化与人类活动等复杂因素对不同生物多样性的贡献。依托新建设的兰州大学湖泊沉积物DNA实验室，本研究选择中国北方四个受人类活动影响程度不同的较高海拔封闭湖泊，利用沉积物古DNA重建了近200年来藻类群落及多样性演变，探究了较长时间尺度下不同湖泊中自然因素(气候)和人为因素(营养水平)对藻类群落生物多样性的不同贡献，并对其驱动机制进行讨论（图1）。
图1 研究湖泊地理位置及沉积物DNA实验步骤及部分结果. a. 研究湖泊地理位置及人口密度、交通分布图. b. DNA实验及分析流程. c. 沉积物DNA的PCR扩增产物. d. DNA测序样品稀释曲线. e. DNA比对提供的湖泊中藻类物种丰度信息.
本研究聚焦于一个关键的生态学问题：气候变化和营养水平提升如何影响藻类群落两种生物多样性（α多样性和β多样性）的长期变化？α多样性是衡量群落物种丰富度和均匀度的综合指标；β多样性则为群落结构异质程度的衡量指标，用于追踪群落组成和物种更替等动态过程，本研究选择的时间序列β多样性反映了群落异质程度演变，追踪群落结构和物种更替等动态过程。两者结合能够为研究者提供全面的多样性演变信息，以了解群落如何应对外界干扰和压力。基于湖泊沉积物DNA的重建结果显示，四个湖泊的藻类群落在人类世以来均存在α多样性的上升与时间序列β多样性的下降（图2）。藻类DNA记录与重建/观测气候数据、重建营养元素数据的对比分析显示，气候变暖与湖泊营养水平提升促进了藻类群落α多样性增加，而环境异质性的减少造成了时间序列β多样性的降低。
图2 近两百年以来四个湖泊α多样性(Shannon指数)和时间序列β多样性(TBI)的演变
（黄色阴影表示人类世以来群落结构经历了显著转变，与群落物种丰富度和均匀度的转变一致）
进一步地，我们利用结构方程模型（SEM）揭示了这四个受人类活动影响程度不同的湖泊中藻类群落多样性的驱动因素与贡献模式（图3）。尽管它们均表现出相同的α多样性上升与β多样性下降趋势，但在人类影响较弱、处于较原始自然状态的湖泊（月亮湖和双湖）中，藻类群落多样性演变主要受到气候因素控制；与之相对，受人类影响较强的湖泊（公海和岱海），其藻类群落结构转变更早，人类活动导致的富营养化对多样性演变发挥了主导作用（图4）。
图3 不同人类活动影响的湖泊多样性驱动因素及贡献
图4 受不同程度人类影响的湖泊中藻类多样性演变模式
本研究表明，在全球变暖与湖泊营养水平提升的背景下，原本生产力较低且气候较寒冷的湖泊可能成为水生生物群落的“避难所”。另一方面，群落丰富度与均匀度的增加却又伴随着群落结构的同质化，导致生态系统恢复力减弱，使水生生物群落与生态系统更难承受未来的环境变化。因此，需要根据不同的生物多样性保护目标制定措施，特别是针对那些海拔较高、贫营养、但面临不断升级的气候和人类活动压力的偏远水生生态系统。湖泊沉积物 DNA可为化石难以捕捉的水生群落提供新的视角，帮助研究者更深入的理解群落演变长期动态与生物多样性在不同主控因素下的变化机制。
以上结果近期以“Temporal dynamics of alpha and beta diversity of lake algae: Opposing patterns and influencing factors over the past 200 years”为题在淡水生态学一区期刊《Freshwater Biology》上在线发表。兰州大学博士生马睿为论文第一作者，陈建徽教授为通讯作者，赫尔辛基大学Janne Soininen教授、兰州大学周爱锋教授等为论文合作作者。本项工作得到了国家自然科学基金(No. 41822102)、高等学校学科创新引智计划(No. BP0618001)及国家留学基金委等资助。
原文出处：Ma, R., Soininen, J., Zhou, A., Ji, P., Jiang, T., Martín-Devasa, R., & Chen, J. (2024). Temporal dynamics of alpha and beta diversity of lake algae: Opposing patterns and influencing factors over the past 200 years. Freshwater Biology, doi: 10.1111/fwb.14349. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/fwb.14349
