[论文解读] Persistence of complex food webs in metacommunities

Gesa A. Böhme, Thilo Groß|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Plant and animal studies参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文提出一个通用的解析框架，用于计算在集合群落中复杂食物网的持久性条件，其中局部斑块仅支持简单的食物链，但景观尺度的连通性使得杂食性和共存成为可能。关键发现是，当杂食性动物摄食于低营养级或相近营养级的猎物时，其持久性最高，持久性范围由斑块网络连通性和相互作用网络结构决定。

ABSTRACT

Metacommunity theory is considered a promising approach for explaining species diversity and food web complexity. Recently Pillai et al. proposed a simple modeling framework for the dynamics of food webs at the metacommunity level. Here, we employ this framework to compute general conditions for the persistence of complex food webs in metacommunities. The persistence conditions found depend on the connectivity of the resource patches and the structure of the assembled food web, thus linking the underlying spatial patch-network and the species interaction network. We find that the persistence of omnivores is more likely when it is feeding on (a) prey on low trophic levels, and (b) prey on similar trophic levels.

研究动机与目标

• 确定在局部食物链简单的情况下，复杂食物网在集合群落中持久存在的普遍条件。
• 研究空间网络结构（地理网络）与物种相互作用网络如何共同影响食物网持久性。
• 确定杂食性在稳定跨斑块网络的复杂食物网中的作用。
• 开发一种可扩展的数学形式化方法，用于计算集合群落中任意食物网配置的持久性范围。

提出的方法

• 采用二元状态模型，其中每个斑块被物种占据或为空，其动态由局部灭绝和定殖过程决定。
• 将灭绝率建模为基于营养级的累积和：营养级较高的物种在其猎物灭绝时随之灭绝。
• 应用定殖规则，要求目标斑块可到达、未被更强的竞争者占据，且含有猎物。
• 引入转移矩阵形式化（S*）以描述在无目标杂食性动物情况下的斑块动态。
• 调整转移矩阵（Sx）以考虑杂食性动物存在时的斑块可利用性，采用修正的矩阵减法。
• 通过对推导出的矩阵（M̂ 和 M̂）进行特征值分析，基于最大特征值计算持久性阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 当局部斑块仅支持简单食物链时，杂食性动物在集合群落中于何种条件下能够持久存在？
• RQ2 杂食性动物猎物之间的营养级差异如何影响共存范围的大小和位置？
• RQ3 地理网络的连通性（平均度⟨k⟩）如何影响杂食性动物和特化捕食者的持久性？
• RQ4 相互作用网络的结构与集合群落尺度上复杂食物网的稳定性之间存在何种关系？

主要发现

• 摄食于低营养级猎物（例如营养级1和3）的杂食性动物，其共存范围大于摄食于远距离营养级猎物的杂食性动物。
• 对于摄食于非相邻营养级猎物的杂食性动物，其持久性范围较小，且向较低的定殖率z值方向偏移，而摄食于相邻营养级猎物的杂食性动物则相反。
• 在包含4个营养级的链式食物网中，若杂食性动物摄食于营养级1和3，则解析共存范围为 2/(13+√97) < z < 1/(5+√13)，该结果与模拟结果一致。
• 矩阵 M̂ = s₂ · (−s₁⁻¹) 的最大特征值决定了上界持久性阈值，而 M̂ 决定了下界阈值。
• 模拟结果证实，解析阈值能准确预测物种在集合群落中出现与消失的时机。
• 该方法成功预测了集合群落中最大食物网的出现，如在非相邻营养级杂食性作用下的4营养级链式食物网示例所示。