澳大利亚礁石鱼类对气候和栖息地变化的响应

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生命科学

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2022年第三十一期（总第116期）专栏文章，由华南师范大学生命科学学院特聘研究员何杰坤，就Current Biology中的论文发表述评。

生物多样性对全球气候变暖和土地退化的响应机制是全球变化生态学和保护生物学研究的热点问题。在海洋中，海水变暖、海洋热浪和栖息地退化是当前海洋生物面临的主要威胁，尤其在礁石生态系统中，这些威胁正变得越来越普遍和严重。然而，以往的研究偏向于关注热带、环境变化大的海域以及珊瑚礁生态系统。由于抽样和发表偏倚，科学家难以从各式各样的研究中总结出礁石生态系统对海洋环境变化响应的模式和规律。以海水变暖对礁石鱼类的影响为例，在热带地区的研究往往关注珊瑚白化导致的栖息地丧失（即间接效应），而在温度地区则更关注物种分布范围的变化（即直接效应）。近年来的研究发现，礁石鱼类对气候变化响应的这两种机制（直接和间接）并不受纬度的制约，但尚未有研究揭示它们在热带和温带地区的响应途径和机制。

针对这一问题，Rick D. Stuart-Smith博士领导的研究团队，整合了澳大利亚3个基于潜水项目的18个长期监测站共1251个观测点在2008-2020年期间的监测数据，在大陆尺度研究了不同气候带（热带、亚热带、温带）、不同栖息地（珊瑚礁和海藻床）的礁石鱼类群落对海水温度和栖息地变化的响应。

研究发现，长达12年的监测期间，礁石鱼类群落热指数（RFTI）变化的地理格局在温带及亚热带与海表温度（SST）变化格局呈显著正相关（p<0.01；图1；图2）。在澳大利亚东南部RFTI和SST均呈现上升趋势，而在西南部则呈现一致的下降趋势。但在热带地区，如大堡礁和珊瑚海的大部分观测点，RFTI与SST的变化趋势并不一致（图1；图2）。研究还发现，礁石鱼类RFTI指数的变化对海表温度变化的响应具有滞后性。例如，2011年和2016年澳大利亚东南部的RFTI峰值分别与2010年（滞后1年）和2016年（无滞后）的SST峰值相关（图2E, F, K, L, Q, R），这是厄尔尼诺-南方涛动影响澳大利亚东部洋流而导致的。在澳大利亚西南部，2011年海洋热浪对鱼类群落的影响在滞后2至3年内达到峰值（图2G, J）。虽然礁石鱼类群落变化的滞后期长短与不同的热异常事件相关，但整体滞后期约为2年（p<0.001）。

此外，本研究量化了礁石鱼类的群落综合指数（CGI），CGI值越高代表群落加权平均的物种栖息地生态位越宽。他们发现礁石鱼类CGI值上升的区域与珊瑚礁和海藻床覆盖度下降的区域基本一致（图1）。在栖息地覆盖度下降的年份，栖息地泛化物种的优势度增加。尤其在热带地区，礁石鱼类的CGI值与珊瑚礁覆盖度的变化趋势呈现显著的负相关（p<0.001）。在栖息地覆盖度和CGI均发生变化的7个监测站，全部都显示出负相关（图1A, G, H, I, N, P, R）。这些证据都表明了栖息地退化导致了群落中生态位泛化鱼类的增加。

综上所述，礁石鱼类群落对海水温度和栖息地覆盖变化的响应是广泛且动态的，同时也存在区域性的差异。鱼类群落的物种组成和丰度变化通常发生在温度或栖息地变化的2年内，而且这两种气候影响机制的相对重要性在热带和温带之间存在差异。本研究通过对礁石生态系统的实证研究，强调了大空间尺度和长时间序列科学监测的重要性，并建议决策者需要关注除珊瑚礁以外的海洋生物多样的变化，确保气候变化对生物多样性的影响纳入2020年后全球生物多样性框架作为重要的评估指标。上述工作于9月22日发表在Cell Press旗下旗舰刊Current Biology上（https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.07.067）。

▲图1 过去10年澳大利亚礁石鱼类群落对海水温度和栖息地覆盖度变化的响应。左边的地图显示了环境变化的地理格局，右边的地图显示了生物多样性变化的地理格局。每个礁石调查点向外延伸150 km的缓冲区并对调查点之间的区域进行插值。A和B中的红色分别表示海表温度（SST）和礁石鱼类群落热指数（RFTI）的上升，而蓝色则表示下降。C、D和E中的绿色分别表示珊瑚礁覆盖度（热带地区，C）或海藻床覆盖度（温带地区，E）以及礁石鱼类的群落综合指数（CGI；D）的上升，而紫色则表示下降。地图中的字母对应图2和图3中18个监测站的环境和鱼类群落的年际变化。

▲图2 澳大利亚18个长期监测站的694个观测点的海表温度（SST，℃；红色线）和礁石鱼类群落热指数（RFTI，℃；紫色线）的年际变化趋势。趋势线为广义加性混合模型预测的平均值，阴影带表示标准误差。每个图右上角的箭头表示随着时间推移，SST和RFTI呈显著变化的方向（p<0.05；线性混合效应模型）。RFTI的上升反映了礁石鱼类群落中喜暖性物种优势度的增加。图上的字母代表其在图1中地图上的位置。

▲图3 澳大利亚18个长期监测站的293个观测点的造礁珊瑚（橙色线）和海藻床（绿色线）的覆盖度与礁石鱼类的群落综合指数（CGI；紫色线）的年际变化趋势。趋势线为广义加性混合模型预测的平均值，阴影带表示标准误差。每个图右上角的箭头表示随着时间推移，栖息地覆盖度和CGI呈显著变化的方向（p<0.05；线性混合效应模型）。CGI的上升反映了礁石鱼类群落生态化泛化物种优势度的增加。图上的字母代表其在图1中地图上的位置。

论文摘要

海洋变暖、海洋热浪和栖息地退化等现象愈发广泛地影响着当今海洋生物多样性。然而，科学界仍然主要依靠整合独立分散的局域研究来理解这些现象造成的影响。系统和大尺度监测网络的不足，不仅限制了科学界理解这些影响的真实程度，也使决策者在制定国家政策以及国际条约与协定时难以掌握这些影响的动向。基于澳大利亚礁石鱼类群落及其栖息地长达12年的监测数据，我们发现，礁石鱼类群落对温度和栖息地变化的响应是动态的、广泛的，但也存在区域的差异。鱼类群落的组成和丰度对环境或栖息地变化的响应通常会滞后2年，尽管这两种气候影响机制的相对重要性在热带和温带之间存在差异。在温带和亚热带，群落热指数表明了喜暖性鱼类优势度的增加，反映了温带和亚热带礁石鱼类群落对海水温度的响应最为敏感。在热带的珊瑚礁海域，群落综合指数随珊瑚礁覆盖度的下降而下降，表明珊瑚礁退化导致了生态化泛化物种优势度的增加。我们的结果强调，为国家政策和全球生物多样性目标提供信息时，将局域生态监测数据整合到大尺度数据集是十分必要的。未来需要进一步扩大生态监测网络，以解析影响大尺度生物多样性变化的驱动因素，并更好地连接目前尚在脱节的生物多样性观测、监测指标研究和政策制定管理的各个系统。

Warming seas, marine heatwaves, and habitat degradation are increasingly widespread phenomena affecting marine biodiversity, yet our understanding of their broader impacts is largely derived from collective insights from independent localized studies. Insufficient systematic broadscale monitoring limits our understanding of the true extent of these impacts and our capacity to track these at scales relevant to national policies and international agreements. Using an extensive time series of co-located reef fish community structure and habitat data spanning 12 years and the entire Australian continent, we found that reef fish community responses to changing temperatures and habitats are dynamic and widespread but regionally patchy. Shifts in composition and abundance of the fish community often occurred within 2 years of environmental or habitat change, although the relative importance of these two mechanisms of climate impact tended to differ between tropical and temperate zones. The clearest of these changes on temperate and subtropical reefs were temperature related, with responses measured by the reef fish thermal index indicating reshuffling according to the thermal affinities of species present. On low latitude coral reefs, the community generalization index indicated shifting dominance of habitat generalist fishes through time, concurrent with changing coral cover. Our results emphasize the importance of maintaining local ecological detail when scaling up datasets to inform national policies and global biodiversity targets. Scaled-up ecological monitoring is needed to discriminate among increasingly diverse drivers of large-scale biodiversity change and better connect presently disjointed systems of biodiversity observation, indicator research, and governance.

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述评人简介

何杰坤

华南师范大学生命科学学院 特聘研究员

何杰坤，博士，华南师范大学生命科学学院特聘研究员。主要从事生物地理学研究，研究兴趣包括陆栖脊椎动物区系以及生物多样性分布梯度的形成与维持机制。目前在Global Ecology and Biogeography，Journal of Biogeography，Communications Biology和Science of the Total Environment等生物地理学和生态学期刊上发表论文20余篇。2022年起担任《Integrative Zoology》青年编委。

Jiekun He, Ph.D., Associate Research in School of Life Sciences, South China Normal University. His major research interests include biogeography, with current focus on distribution patterns of terrestrial vertebrate and gradients of biodiversity. He has published more than 20 papers on Global Ecology and Biogeography, Journal of Biogeography, Communications Biology, Science of the Total Environment, etc. He has been selected as one of the young editorial board members of Integrative Zoology.

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