《生物多樣性》| 中國生物多樣性研究的30個核心問題

科學研究是不斷發現問題、提出問題和解決問題的過程, 凝練核心科學問題對一個學科的發展至關重要。2005年, Science在創刊125周年之際發布了125個最具挑戰性的科學問題, 其中不少與生態學和生物多樣性密切相關(Kennedy & Norman, 2005)。2013年, 英國生態學會在學會成立100周年之際篩選了生態學研究的100個基本問題(Sutherland et al, 2013), 為生態學發展提供了重要參考。

1992年6月1日, 《生物多樣性公約》由聯合國環境規劃署發起的政府間談判委員會第七次會議在內羅畢通過, 成為生物多樣性領域的重要里程碑。在過去30年間, 中國生物多樣性科學與保護取得了快速發展, 研究隊伍不斷壯大, 自然保護地體系不斷完善, 新的研究問題也不斷涌現。為梳理中國生物多樣性領域在過去30年的發展, 在《生物多樣性》創刊30周年之際, 編委會組織國內本領域的學者來共同凝練生物多樣性研究的30個核心問題。通過兩輪的問題征集, 共收到來自281名研究人員的763個問題。其中, 來自編委會成員和特約顧問(共72人)的233個, 來自其他研究者(共209人)的530個。這些問題涉及到生物多樣性研究的諸多領域, 從中篩選與歸納出30個核心問題, 并非易事。參考英國生態學會的100個生態學基本問題的分類方式(Sutherland et al, 2013), 并結合所收集問題的一些特點, 我們從演化與生態、種群、群落與多樣性、生態系統與功能、人類影響與全球變化、方法與監測、生物多樣性保護7個方面篩選出30個核心問題。

1  演化與生態

生物學家杜布贊斯基有句名言: “如果不考慮演化, 生物學的一切都沒有意義” (Nothing in biology makes sense except in light of evolution)。生物多樣性的研究當然也不例外。問題1和2在專家推薦的問題中多次出現, 也包括在2005年Science列出的125個問題之中。物種是演化的基本單位(Simpson, 1951), 也是生物多樣性的基本單元。本刊2016年第9期專門組織專題對“什么是物種” (問題1)進行討論, 指出“生物多樣性事業需要科學、可操作的物種概念” (洪德元, 2016)。關于物種形成(問題2)和多樣化機制(問題3)的研究歷時已久, 新的證據和假說不斷涌現(薛成等, 2022)。在我國, 東亞地區生物多樣性的起源和演化問題尤為重要, 季風氣候、地理隔離、生態過程等如何影響并塑造當前的生物多樣性格局仍是生物多樣性研究的一個中心問題。同時, 自然雜交、性選擇、表型可塑性等都會影響物種形成(問題4?6), 其內在的演化機制與生態意義仍待深入探究。

2  種群

作為研究種群生長、存活、繁殖、滅絕等的分支學科, 種群生態學是生態學中最成熟的分支, 這與其堅實的數學根基和聚焦于物種分布和多度這些最基礎的問題密切相關(Krebs, 2015)。生物種群對環境的適應機制(問題7)是種群生態學的核心問題。在極端環境下, 生物可能表現出不同的適應策略(問題8)。厘清種群衰減或滅絕的原因與機制(問題9)是開展物種保護的前提。理解上述問題以及提出切實可行的種群恢復策略都需要對種群生活史的深入了解(問題10)。本刊近年來針對不同生物種群組織了多個專刊來推動種群生態與保護的工作, 如: 2016年第5期“中國脊椎動物紅色名錄” (蔣志剛等, 2016)、2017年第7期“中國高等植物紅色名錄” (覃海寧等, 2017)、2020年第3期“中國極小種群野生植物保護” (許玥和臧潤國, 2022)、2022年第9期“中國貓科動物研究與保護” (李晟和王天明, 2022)。

3  群落與多樣性

自哈欽森在20世紀60年代提出“浮游生物悖論” (Hutchinson, 1961), 群落生態學迎來了持續30多年的百家爭鳴, 新的理論和假說不斷涌現(Vellend, 2016; 王少鵬等, 2022), 但始終缺乏普適性的理論, 以至于英國生態學家John Lawton指出“群落生態學一片混亂” (Community ecology is a mess) (Lawton, 1999)。2001年, Stephen Hubbell的專著《生物多樣性與生物地理學的統一中性理論》(The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography)開啟了一輪新的論戰(Hubbell, 2001), 但關于“生物多樣性是如何維持的” (問題11)目前仍缺少一個統一的理論體系(Vellend, 2016; Leibold & Chase, 2018; 王少鵬等, 2022)。稀有種作為群落物種組成的主體, 理解其在維持多樣性和生態系統功能中的作用(問題12)對于生物多樣性研究和保護都具有重要意義。生物間相互作用是驅動群落過程與動態的關鍵, 但關于同一營養級(種內和種間競爭)和不同營養級之間如何共同作用來影響群落構建尚不明確(問題13)。當前物種共存研究多聚焦在較小的局域群落, 生態學家逐漸認識到局域尺度的多樣性受到區域物種庫、地質歷史等的影響(Ricklefs, 1987); 局域群落的多樣性是否以及如何受到區域群落的調控(問題14)對于理解多尺度的生物多樣性維持至關重要。山地環境的異質性被認為是造成熱帶高生物多樣性形成與維持的重要機制之一(Janzen, 1967), 理解山地區域高的生物多樣性及其成因(問題15)對我國和全球生物多樣性保護都具有重要意義(Mi et al, 2021)。隨著基因組學技術的快速發展, 動植物與微生物共生關系(問題16)成為生物間相互作用研究的熱點話題(高程等, 2022)。由于微型生物在演化策略、擴散方式等方面與大型生物存在較大差異, 宏生態學(macroecology)的格局及其驅動機制在這些類群之間是否存在差異(問題17)? 檢驗這一問題對于尋求生態學的普適性規律有重要意義(Vellend, 2016)。

4  生態系統與功能

生物多樣性與生態系統功能關系是近年來生態學研究的熱點話題。這一主題在我們收集的問題中出現次數也非常多。生物多樣性與生態系統功能關系已通過控制實驗和野外調查數據等進行檢驗, 多數結果發現植物多樣性越高, 群落生產力越高、生態系統穩定性和抗入侵能力等也越強, 但對結果的解釋仍存在諸多爭議, 主要表現在實驗或采樣設計的有效性、多樣性對生態系統功能作用的機理、野外與控制實驗結果的一致性等(徐煒等, 2016)。不同營養級的生物多樣性對生物系統多功能性的影響在很長時期內仍將是生態學的熱點之一(問題18), 尤其是地下生物多樣性(土壤動物、微生物等)對地上生物的反饋機制及其對生態系統功能的影響機制(傅聲雷等, 2022) (問題19)。物種功能性狀因代表了生物多樣性的功能維度, 可能與生態功能存在更強的聯系, 該假說的真實性尚需進一步的檢驗(問題20)。

5  人類影響與全球變化

人類活動極大地改變了地球上大部分地方的自然狀況, 因人類威脅而瀕臨滅絕的物種比任何時候都多(IPBES, 2019)。生物入侵(劉艷杰等, 2022)、氣候變化(井新等, 2022)、人類活動等正在重塑著局域、區域和全球尺度的生物物種組成、群落結構和生態系統功能(問題21), 一些關鍵的生物類群則面臨著大范圍的衰退(問題22)。近年來, 極端氣候事件(如干旱、野火等)發生頻率不斷增加, 這些快速的環境變化對生物群落可能造成極大影響(問題23)。為應對這些急劇變化的環境, 聯合國大會提出了“聯合國生態恢復十年(2021?2030)”倡議, 退化生態系統的恢復需建立在生態學理論基礎之上(問題24)。

6  方法與監測

地球上有多少物種存在(問題25)是生物多樣性研究的最基本問題。我國在物種監測和編目等方面開展了大量基礎性工作, 為了解我國物種多樣性現狀提供了重要資料(Mi et al, 2021), 但這些數據在生物類群(如昆蟲、苔蘚植物、土壤動物等)和地理區域等方面存在較大偏差。近年來, 新監測方法與技術(如紅外相機、遙感、基因組學、公眾科學等)在極大地改變著我們的調查方式(問題26), 也在逐漸減少著在物種名錄、分布、生活史特征、時間動態等方面的知識空缺(Hortal et al, 2015; 張健, 2017)。除了監測手段的革新, 生物多樣性研究也需要在數據分析方法和思維方式上的改變。由于生命系統的復雜性, 生態學家常因研究結果的不可重復性及難以進行尺度推演和預測而備受批評(Currie, 2019), 生物多樣性科學的發展需要通過數據分析方法的創新來提高其預測能力(問題27)。同時, 高質量的生物多樣性研究也需要海量的、高質量的、可發現、可訪問、可互操作和可再用的大數據作為支撐。推動高質量的生物多樣性數據共享對于提升生物多樣性研究深度和廣度、科學制定多樣性保護政策至關重要(問題28)。本刊出版的新物種年度報告(如2021年第8期、2022年第8期)、紅外相機監測(如2014年第6期、2019年第3期、2021年第9期)、遙感監測(如2018年第8期)、數據論文(如2016年第12期、2021年第9期)等都是在這些方面的探索與努力。

30個問題：

(30)生物多樣性如何影響人類精神與生理健康?

8  小結

本文從281名研究人員的763個問題中篩選出生物多樣性研究的30個核心問題。這些問題部分反映了人們當前對生物多樣性研究的認知程度。毋庸置疑, 這些問題的篩選難免存在偏頗。在《生物多樣性》創刊30周年之際, 我們僅希望能夠以此為契機, 促進我國生物多樣性相關的研究人員對本領域核心問題的思考與探討, 并不斷“提出新的問題、新的可能性, 從新的角度來看舊問題” (Einstein & Infeld, 1938), 這樣才標志著生物多樣性科學的真正進步, 并為生物多樣性保護的短期和長遠目標與行動提供依據。

致謝: 感謝281名生物多樣性研究者對調查問卷的反饋。感謝郝占慶教授的建議與討論, 感謝華東師范大學王瀟然、張然、楊賢宇、陳佳樂、王宇卓、田中平、劉鵬程等幫忙整理問卷。