[论文解读] Effects of Mixing Interaction Types on Ecological Community Stability

Samir Suweis, Jacopo Grilli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2013

Plant and animal studies参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文挑战了混合互利与对抗相互作用可稳定生态群落的主张。通过重新分析Mougi和Kondoh的理论框架，作者表明，所观察到的复杂性-稳定性正相关关系并非源于相互作用类型的混合，而是源于一种人为的相互作用强度重标度，该重标度与连接度和物种数量呈负相关。研究表明，真实的互利网络并不支持这种重标度，因此复杂性与稳定性的悖论并未因相互作用类型的混合而得到解决。

ABSTRACT

In the last years, a remarkable theoretical effort has been made in order to understand stability and complexity in ecological communities. The non-random structures of real ecological interaction networks has been recognized as one key ingredient contributing to the coexistence between high complexity and stability in real ecosystems. However most of the theoretical studies have considered communities with only one interaction type (either antagonistic, competitive, or mutualistic). Recently it has been proposed a theoretical analysis on multiple interaction types in ecological systems, concluding that: a) Mixture of antagonistic and mutualistic interactions stabilize the system with respect to the less realistic case of only one interaction type; b) Complexity, measured in terms of the number of interactions and the number of species, increases stability in systems with different types of interactions. By introducing new theoretical investigations and analyzing 21 empirical data sets representing mutualistic plant-pollinator networks, we show that that conclusions are incorrect. We will prove that the positive complexity-stability effect observed in systems with different kind of interactions is a mere consequence of a rescaling of the interaction strengths, and thus unrelated to the mixing of interaction types.

研究动机与目标

• 挑战混合互利与对抗相互作用可稳定生态群落的主张。
• 探究混合相互作用系统中复杂性-稳定性正相关关系是否源于相互作用类型混合，或方法学上的人为因素。
• 检验先前理论模型中使用的重标度假设在真实互利网络数据中的有效性。
• 在现实网络结构和相互作用强度重标度条件下，重新评估生态群落的稳定性。

提出的方法

• 将Lotka-Volterra群落动态模型重新表述，为互利和对抗相互作用分别设置独立的相互作用系数。
• 基于互利和捕食性伙伴数量，应用Mougi和Kondoh模型中使用的相互作用强度重标度机制。
• 使用21个互利性植物-传粉者网络的实证数据，检验相互作用强度随伙伴数量增加而减小的假设。
• 通过社区矩阵的特征值分布进行稳定性分析，以评估在不同连接度（C）和物种数量（S）下的系统稳定性。
• 在随机、级联和双部网络结构中，比较重标度与非重标度相互作用强度下的稳定性结果。
• 推导出一个修正的稳定性准则（公式8），表明σ与√(CS)成反比的缩放关系可导致观察到的稳定性提升，且该结果与相互作用类型混合无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合互利与对抗相互作用是否真正稳定了生态群落？
• RQ2 混合相互作用系统中复杂性-稳定性正相关关系是源于相互作用类型混合，还是方法学上的重标度？
• RQ3 真实互利网络是否表现出随着伙伴数量增加，相互作用强度减小的特征，如先前模型所假设的那样？
• RQ4 相互作用强度的重标度如何影响生态网络中的稳定性-复杂性关系？

主要发现

• Mougi和Kondoh研究中报告的复杂性-稳定性正相关关系并非源于相互作用类型的混合，而是源于相互作用强度与连接度和物种数量的反向重标度。
• 对21个互利性植物-传粉者网络的实证分析表明，相互作用强度随互利伙伴数量的增加而增大，与先前模型假设的强度递减特征相矛盾。
• 当相互作用强度不进行重标度时，稳定性随复杂度（S和C）增加而下降，与May原始悖论一致。
• 仅通过重标度机制即可产生与相互作用类型混合相似的稳定性-复杂性关系，即使在纯互利或纯捕食-被捕食网络中亦然。
• 本研究推导出的稳定性准则（公式8）证实，观察到的稳定性提升源于σ ∝ 1/√(CS)，而非相互作用类型多样性。
• 真实生态网络不支持该重标度假设，表明该稳定化效应是模型设计的人为产物，而非自然系统的真实特征。