Science Advances | 华东理工大学万年峰团队揭示植物多样性差异化影响生态控害机制

近日，华东理工大学药学院万年峰教授课题组联合全球38个国家145家单位178名科研人员在Science Advances上发表了题为Plant diversity modifies multi-trophic interactions in croplands, grasslands and forests研究论文（图1），首次在全球尺度上系统揭示了植物多样性如何通过不同的生态机制（“自上而下”与“自下而上”）调控多营养级相互作用，并指出这种调控机制在不同类型生态系统中存在根本性差异。

图1 Science Advances在线报道万年峰课题组成果

该研究旨在回答一个关键的科学问题：‌植物多样性对生态系统食物网的调控，究竟是主要通过“自上而下”的天敌控害作用，还是“自下而上”的资源供给作用？这两种机制在不同类型的生态系统（农田、草地、森林）中的相对重要性如何？

为系统验证这一机制，万年峰教授发起并主导了一项‌覆盖全球五大洲27个国家149个野外试验站点‌的大规模协同研究（图2）。这项全球性验证试验汇聚了全球合作者提供的大量实地观测数据，涵盖了有机农田、常规农田、草地和森林等多种生态系统，致力于揭示植物多样性调控多营养级互作的普适性规律及其在不同生态系统中的差异化表现。

图2 植物多样性影响上行和下行效应全球试验

（A：试验点；B：不同系统植物物种数；C：五大洲功能群样本量；D：不同区域不同系统的样本量）

研究发现，‌生态控害的核心机制在不同生态系统中存在根本性差异‌：

1）在作物系统中，植物多样性强力驱动“自上而下”的生态控害（图4A, B）。研究数据显示，无论是采用生态管理的有机农田，还是使用化学农药的常规农田，增加植物多样性均能‌极显著地提升天敌（捕食者与寄生蜂）与害虫的数量比‌（有机农田平均增幅高达846%，常规农田为148%）（图3）。这证实了，在农业景观中，通过增加植物多样性（如实施间作套种、种植覆盖作物等生境管理措施），可以有效地‌壮大天敌群落，强化其对害虫种群的自然压制能力‌，从而为减少化学农药依赖、实现可持续的害虫综合治理（IPM）提供了坚实的全球性证据。

2）在草地和森林等自然/半自然生态系统中，植物多样性主要驱动的是“自下而上”的普惠式资源效应（图4C, D）。与农田系统强调“自上而下”的生态控害不同，这里的核心机制在于：‌植物多样性的提升首先显著促进了系统整体植物生产力的增长‌。这一基础的、普惠性的资源增长，为食物网的各个营养级提供了更丰富的资源支持，导致从植食性昆虫到捕食性/寄生性天敌在内的多个营养级生物量出现同步性、整体性的增长。因此，尽管草地和森林中天敌与害虫的丰度比也随植物多样性提升而有所增长（平均增幅分别为+4.73%和+21.2%）（图3），但这主要是因为整个生态系统的“蛋糕”（总资源量）做大了，而非像农田系统那样，是通过植物多样性专门滋养和强化天敌，从而对害虫形成相对特异性的压制。

图3 不同系统中天敌数量增加率（A）、植食性昆虫上升/下降率（B）、益害比（天敌与植食性昆虫数量的比值）（C）、增加的益害比（D）

图4 在常规施药农田（A）和有机农田（B）中，植物多样性引起下行效应而无上行效应；草原（C）和森林（D）中，植物多样性引起上行效应而无下行效应

为进一步检验营养级联作用的方向，该文进行了线性回归分析，以探究标准化植物生产力指标与标准化植食性昆虫指标之间的关系，以及标准化植食性昆虫指标与标准化天敌指标之间的关系。同时引入混合线性回归模型控制实验身份的随机效应，最终分析结果显示：生态系统类型和“植物生产力与植食者”、“植食者与天敌”这两组相关关系均呈现显著交互作用，为本文提出的核心假设提供了进一步实证支持——有机农田与非有机农田中，营养级联以自上而下的调控作用为主，草地和森林生态系统则以自下而上的影响为主。具体来看，植物生产力提升会促进草地、森林系统中植食性昆虫种群规模增长，但在农田系统中反而会导致植食性昆虫丰度下降（图5A）；类似的趋势也出现在植食性昆虫与天敌的相关关系中（图5B）。

图5 标准化植物生产力指标与标准化植食性昆虫指标之间的关系（A），以及标准化植食性昆虫指标与标准化天敌指标之间的关系（B）

这项研究的重大应用价值在于为差异化的生态系统管理提供了清晰策略：‌

1）对于农业生产系统，策略核心是“利用植物多样性强化生态控害”。‌ 应重点通过构建多样化种植模式来增强天敌群落，建立预防性的、基于生物多样性的害虫生态防控体系，保障粮食安全生产与生态环境健康。

2）对于自然保护与恢复系统（如草地、森林），策略核心是“利用植物多样性维持多功能性”。‌重点在于发挥植物多样性的基础支撑作用，在提升生态系统生产力的同时，协同实现生物多样性保护、养分循环等多重生态功能。

华东理工大学为该论文第一完成单位且唯一通讯单位，万年峰为该文通讯作者兼共同第一作者，此外，上海交通大学博士后李牧遥、复旦大学已毕业硕士生申思源、万年峰课题组博士生周俊祥和博士生朱语彤为共同第一作者。其他主要合作者包括：复旦大学胡跃清教授、上海交通大学苏奇副教授、上海市野生动植物和自然保护地研究中心邱士允博士、英国生态和水文中心Ben A. Woodcock高级研究员、加拿大阿尔伯塔大学Shinichi Nakagawa教授，美国科学院院士/英国皇家学会院士David Tilman教授，剑桥大学Andy Hector教授，法国科学院院士/欧洲科学院院士/加拿大皇家科学院院士/北京大学客座教授Michel Loreau博士、美国科学院院士Peter B. Reich教授、意大利维罗纳大学Matteo Dainese博士、明尼苏达大学Forest Isbell博士、瑞士苏黎世大学Bernhard Schmid教授、澳大利亚昆士兰大学Kris A.G. Wyckhuys教授、澳大利亚查尔斯特大学Geoff M. Gurr教授、德国科学院院士/莱比锡大学Nico Eisenhauer教授、荷兰乌特勒支大学Yann Hautier副教授、芬兰奥卢大学Anu Eskelinen教授、英国兰卡斯特大学Richard D. Bardgett教授、瑞典农业科学大学Paul Kardol教授、加拿大汤姆逊大学Lauchlan H. Fraser教授、德国伯恩大学Christoph Scherber教授等。此外，国内外多家机构多位科研工作者为本研究提供了试验数据，为本文共同作者。该成果得到国家自然科学基金面上、上海市农委科委等项目的资助，为全球尺度下协调农林草业生产、生物多样性保护与土地可持续利用的政策制定提供了关键科学依据。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb8680