《Environmental Challenges》：Spatially divergent impacts of global nutrient emission scenarios on freshwater community intactness
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本研究针对全球淡水系统富营养化持续威胁生物多样性的问题，评估了共享社会经济路径（SSP）框架下三种未来情景（SSP1、SSP3、SSP5）中氮（N）、磷（P）浓度变化对淡水无脊椎动物和大型植物群落完整性（以平均物种丰度MSA表征）的影响。通过建立MSA与营养盐浓度的响应关系并结合IMAGE-GNM模型模拟，发现所有情景下全球平均MSA均进一步下降，其中SSP3下降最显著；非洲（尼罗河、刚果河）流域未来群落完整性衰退突出，而欧洲（莱茵河、第聂伯河）、北美（密西西比河）和东亚（恒河、长江）部分流域在SSP1下呈现改善。结果表明，遏制淡水生物多样性丧失需加强科学与社会协同努力以减少富营养化，尤其在当前完整性高但未来衰退风险大的流域。
在全球范围内，淡水生态系统正面临着一个持久且严峻的挑战——富营养化。随着工业革命以来化肥使用的急剧增加，大量的氮（N）和磷（P）被排放到环境中，其规模甚至被认为已经超出了地球系统的安全边界。这些过量的营养盐进入淡水水体，不仅可能引发有害藻华和缺氧，更会侵蚀生态系统的生物完整性，导致生物多样性丧失。生物圈完整性是维持地球系统稳定和生态系统生产力的关键组成部分，其丧失构成了重大的社会挑战。因此，量化不同社会经济发展路径下富营养化对淡水生态系统完整性的影响，对于制定具有成本效益的环境政策至关重要。
尽管基于共享社会经济路径（SSP）框架的未来淡水营养盐浓度预测已有研究，但尚未有研究系统评估这些情景下由富营养化导致的生物圈完整性损失。为了解决这一知识空白，发表在《Environmental Challenges》上的这项研究，首次将SSP框架下的未来营养盐浓度情景与实验推导的营养盐-群落完整性响应关系相结合，揭示了未来营养盐污染如何影响淡水生物多样性完整性。
研究人员首先基于新近发表的营养盐添加实验数据库，建立了淡水无脊椎动物和大型植物的群落完整性指标——平均物种丰度（MSA，范围从0到1，1代表完全完整）与氮、磷浓度之间的定量响应关系。他们采用了能够处理0到1范围数据的Beta回归模型，并针对数据中存在大量值为1的情况（即群落未受干扰），使用了单点膨胀Beta回归（one-inflated beta regression）来建立更准确的响应函数。随后，他们将这些响应函数与全球环境评估模型（IMAGE-GNM）提供的三种SSP情景（可持续发展路径SSP1、区域竞争路径SSP3、化石燃料驱动发展路径SSP5）下1900年（作为参考基线）、2010年和2070年的全球淡水氮、磷浓度栅格地图进行整合，计算并比较了不同时期和情景下的全球MSA空间分布和变化趋势。研究还进行了敏感性分析，通过使用满足吉尔里法则（Geary’s rule）的数据子集和基于至少两个丰度测量值计算MSA的数据子集，来检验响应关系的稳健性。
MSA响应关系
研究结果显示，无论是无脊椎动物还是大型植物，其MSA值总体上随着氮、磷浓度的升高而下降，但具体的响应模式取决于实验对照组的营养盐本底浓度。对于大型植物而言，MSA在低营养盐处理浓度下接近1，但在高浓度下急剧下降至接近0，尤其是在低本底浓度下，MSA对磷浓度增加的反应尤为敏感。无脊椎动物的MSA响应相对复杂，在低本底浓度下，MSA随磷浓度增加呈现先降后升的非单调变化，这可能与数据局限或生态系统反馈有关；而在中、高本底浓度下，MSA主要随氮浓度增加而下降。
全球MSA预测
对2010年全球MSA的估算显示，无脊椎动物MSA低值区出现在北欧、中亚和中非部分地区，而大型植物MSA低值区则集中在欧洲、北美和东亚。对未来变化的预测表明，所有SSP情景下，全球平均MSA均呈现进一步下降趋势，其中SSP3情景下的下降幅度最大，SSP1情景下的下降幅度最小。空间上，中非、阿拉伯半岛和中亚地区的MSA下降最为显著，而欧洲、北美、南非和东亚的部分地区则显示出MSA的增加，这种改善在SSP1和SSP5情景下更为明显。
流域尺度结果
对全球500个最大流域的分析揭示了显著的流域间差异。非洲（如刚果河、尼罗河）和中东（如幼发拉底河）的流域在所有情景下都表现出未来的MSA下降，尤其是刚果河流域，由于其当前受人为营养盐影响相对较小，对未来营养盐增加的敏感性更高。相反，美洲（如密西西比河、亚马逊河）、欧洲（如莱茵河、第聂伯河）和东亚（如长江）的一些流域则显示出MSA的轻微改善，特别是在SSP1情景下，这反映了这些地区可能实施营养盐减排措施的效果。研究还发现，流域内的MSA空间变异通常大于不同情景间的差异。
敏感性分析
基于不同数据子集建立的响应关系与基于完整数据集得到的结果大体相似，表明主要的响应模式是稳健的，尽管大型植物基于更严格数据子集的响应曲线有所差异，提示未来需要更多数据来完善模型。
研究的讨论部分深入分析了这些发现的意义。MSA随营养盐浓度增加而下降的总体趋势与已有研究一致。大型植物MSA的剧烈响应支持了淡水生态系统存在替代稳态的理论，即高营养盐负荷会导致系统从以沉水植物为主的状态转向以浮游植物或漂浮植物为主的状态。无脊椎动物相对温和的响应可能源于不同类群对富营养化耐受性的差异，一些耐受类群数量的增加可能部分抵消了敏感类群的减少。研究强调，同时考虑氮和磷对于准确预测富营养化效应至关重要，体现了营养盐共同限制的作用。
未来全球平均MSA的持续下降，即使在相对乐观的SSP1情景下也未能逆转，这凸显了实现全球生物多样性保护目标（如“昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架”提出的到2030年减少一半营养盐流失）所面临的严峻挑战。区域差异则与人口变化、农业发展、政策实施力度以及营养盐滞留效应等因素密切相关。例如，非洲和中东地区未来MSA的显著下降与预期的人口增长和高强度农业活动相关，而欧洲和北美部分地区的改善则可能与人口结构变化和更严格的环境规制有关。
在政策与管理启示方面，研究指出，减少营养盐污染需要采取综合措施，包括改进农业实践（如精准施肥、选育高效作物品种）、提升污水处理效率、以及可能引入营养盐排放权交易机制等。特别需要关注那些当前生物完整性较高但未来衰退风险巨大的流域（如非洲的刚果河流域），采取预防性保护措施。同时，政策制定需考虑氮、磷污染的不同特点，并加强跨部门、跨污染源的协同治理。此外，淡水生物多样性的恢复还需综合考虑水流改变、其他污染物压力等多种因素。
综上所述，这项研究首次在全球尺度上量化了不同社会经济路径下营养盐排放对淡水群落完整性的潜在影响。结果表明，尽管可持续发展路径（SSP1）能最大程度地缓解生物多样性丧失，但要真正遏制并逆转这一趋势，仍需额外的、更有力的干预措施，尤其是在未来营养盐影响预计最为严重的非洲和亚洲流域。未来的研究应致力于厘清营养盐浓度与生物响应关系中的调节因素（如温度），并将预测的完整性损失与具体的营养盐减排干预措施联系起来，以识别最有效的保护策略。
