Nature正刊重磅！瑞士联邦森林研究所揭示气候地理学和物种多样性的全球格局

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目前尚不清楚为什么在更温暖、更潮湿的地区观察到更丰富的物种。自1807年亚历山大·冯·洪堡首次描述大规模物种多样性模式以来，热带和温带地区气候条件的差异被认为是全球多样性梯度的合理解释。现在已经确定，物种丰富度通常与气候条件密切相关，即温度、水的可利用性和由此产生的生态系统生产力。尽管有几种因果途径将气候变量与物种多样性联系起来，包括当前生态学和深层次进化过程，但我们对气候地理如何与多样性模式相关缺乏了解。具体而言，尚不清楚温暖和潮湿地区更大的多样性是由气候本身的影响造成的，还是由这些气候条件所占据的地理区域（即气候区域）和相似气候条件之间的空间隔离（即气候隔离）造成的，这两者都可能导致更高的多样性。

瑞士联邦森林研究所Catherine H. Graham研究组于2023年9月27日在国际知名学术期刊《Nature》发表题为“The geography of climate and the global patterns of species diversity”的文章，本研究改变了全球生物多样性研究的共同视角，从地理空间过渡到气候定义的多维空间。该研究使用12个全球尺度气候变量的主成分分析的前两个轴来定义二维正交气候空间（图1a–c），该空间表示物种分布的热和水可用性限制。然后将气候空间的每个轴划分为相等气候间隔的气候单元（图1c）。因此，每个气候单元代表了特定气候区间内的几个地理位置。同样，几个地理位置属于一个独特的气候单元（图1d）。气候和地理空间之间的这种联系，被称为哈钦森对偶（Hutchinson’s duality），可以在气候空间中绘制地理信息，反之亦然。使用这种方法，计算了气候条件的地理范围，我们称之为气候区（图1f），并测量了气候片段之间的平均测地线距离，我们称之为气候隔离（图1e）。最后，对于每个气候独有区，我们计算了属于该气候条件下的物种数量。

图1 从地理空间到气候空间

研究结果表明，更大、更孤立的气候条件往往意味着陆地四足动物的多样性和物种更替率更高，包括30000多个物种。通过考虑气候本身的特征及其地理属性，研究可以解释全球物种丰富度近90%的变化。一半的解释力（45%）可能归因于气候本身或气候地理，这表明它们之间存在微妙的相互作用。该研究改变了传统的观点，即热带等较大的气候区域主要因为其大小而拥有更多的物种。相反，我们强调了地理范围和气候孤立程度的整体作用。这种精细的理解呈现了一幅更复杂的生物多样性分布图，可以指导我们在不断变化的世界中保护生物多样性的方法。在更温暖、更潮湿的地区观察到更丰富的物种不仅取决于气候本身，还取决于气候在地球表面的分布方式。我们证明了气候地理在四足动物的多样性-气候关系中起着关键作用。它的影响可以与气候本身的影响分开，气候地理学的解释量几乎是气候本身影响的两倍。未解释的变化可以清楚地与不同地区之间的历史过程联系在一起，当直接从气候维度分析多样性时，这些历史过程就会被删除。此外，将宏观生态学研究的重点从地理空间转移到气候空间，使我们能够描述气候地理学的基本特性。我们表明，气候区可以准确地捕捉全球气候碎片的数量，但不能很好地代表气候孤立。最后，我们表明，气候孤立性在极地减少，但在热带地区变化很大。本研究使用的模型考虑了气候和气候地理，几乎解释了每个四足动物群物种丰富度的所有变化。尽管外热生物并没有占据地球上所有可用的气候，但外热生物和吸热生物对气候和气候地理的反应是一致的，即使绘制了无法解释的丰富性地图，它们也具有相似的模式。考虑到气候区域和孤立性对物种丰富度的积极影响，以及这些气候地理特性在地球表面的结构，作者建议将解释物种多样性大规模模式的区域假说合并为区域和孤立假说。直接从气候层面探索多样性模式的研究的这种转变，可能会让人们迫切关注正在进行的气候变化如何改变气候条件的地理范围和孤立性。通过揭示气候对全球生物多样性模式先前隐藏的影响，直接在气候空间中描述大分类、空间和时间尺度的模式有望对宏观生态学和生物地理学有实质性的新见解。