近期，中国科学院昆明植物研究所蒋子涵研究员团队及合作者创新性地提出并验证了“尺度匹配”（Scale matching）理论模型，破解了长期以来关于能量可用性如何驱动山地生物多样性海拔分布格局的生态学争议。

能量可用性一直被普遍认为是驱动海拔等大尺度环境梯度下生物多样性变化的主要机制。经典的生态学假说认为，环境中可用的能量越多，能够存活和共存的个体就越多，从而提升生物多样性。然而，这一法则在实际自然观测中并不总是适用。例如，鸟类和蚂蚁的海拔丰富度格局与代表能量的净初级生产力（NPP）高度一致，但微生物的关联性往往较弱，而树木的“能量－丰富度”关系在不同山脉之间更是差异巨大。

图1 能量-多样性关系的“同因异效”现象

为了解开这一谜团，研究团队提出，理解生物多样性分布的关键在于明确生物的“特征尺度”与科学家的“观测尺度”之间是否匹配。自然界中的能量分布在空间上具有极强的异质性，并呈现出跨尺度的分形几何特征。由于代谢需求和所处营养级的不同，不同类群感知环境能量的响应尺度存在巨大差异。当人类选取的观测尺度偏离物种真实的特征尺度时，所测得的指标将无法真实反映驱动群落多样性的实际能量，从而导致能量与多样性之间的相关性被严重削弱。

图2 能量-多样性关系的尺度依赖理论

团队构建了一个定量化的尺度依赖模型，并利用全球41个山地生态系统、132条海拔样带、涵盖14个分类群共计27772个物种的庞大数据集进行了全面验证。全球尺度的分析有力地证明，尺度匹配度决定了能量－丰富度关系的可探测性。为了进一步验证这一规律，研究团队以中国东灵山的三大类群为研究对象进行了实证分析。研究发现，能量与生物多样性的关系强度高度依赖于尺度效应：当观测尺度接近或等于目标类群的特征尺度时，两者的关系最佳。具体而言，树木的丰富度最好由林冠层上方1×1 km²的大尺度能量指标解释；草本植物在林冠层下方10×10 m²的尺度下拟合度最高；而凋落物动物的多样性则在3 m²的微观尺度下受能量驱动最为显著。这些结果精准对应了各类群的特征尺度。

图3 研究山脉及类群分布图

图4 尺度依赖模型预测结果

图5 不同尺度上能量-多样性关系强度变化

该研究通过证明“尺度匹配”的核心作用，极大地推进了学术界对山地生物多样性分布机制的理解。这一发现不仅为预测山地生态系统跨空间尺度的生物多样性变化奠定了坚实的机制基础，更有望广泛应用于其他存在多尺度能量变化的生态系统。在人类活动日益改变全球生态系统能量流动的今天，理解这种尺度依赖性，对于我们更准确地探测和预测全球变化下的生物多样性危机具有极高的指导价值。

近日，该研究成果在宏观生态学顶级期刊Global Ecology and Biogeography以Scaling Laws Reveal a Unified Species-Energy Relationship for Mountain Biodiversity为题发表。昆明植物研究所蒋子涵研究员为该论文的第一作者，彭长辉教授为通讯作者。核心合作团队涵盖了德里大学、苏黎世大学、北京大学、加拿大魁北克大学等多家国内外顶尖科研机构。该研究得到了国家自然科学基金、云南省重点研发计划等多项基金的联合资助。

文章链接