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Size compartmentalization of energy channeling in terrestrial belowground food webs
Ecology ( IF 4.8 ) Pub Date : 2021-06-04 , DOI: 10.1002/ecy.3421 Anton M Potapov 1, 2 , Oksana L Rozanova 1 , Eugenia E Semenina 1 , Vladislav D Leonov 1 , Olga I Belyakova 3 , Varvara Yu Bogatyreva 1 , Maxim I Degtyarev 1, 4 , Anton S Esaulov 3 , Anastasiya Yu Korotkevich 5 , Alexey A Kudrin 6 , Elena A Malysheva 3 , Yuri A Mazei 1, 4, 7 , Sergey M Tsurikov 1 , Andrey G Zuev 1 , Alexei V Tiunov 1
Ecology ( IF 4.8 ) Pub Date : 2021-06-04 , DOI: 10.1002/ecy.3421 Anton M Potapov 1, 2 , Oksana L Rozanova 1 , Eugenia E Semenina 1 , Vladislav D Leonov 1 , Olga I Belyakova 3 , Varvara Yu Bogatyreva 1 , Maxim I Degtyarev 1, 4 , Anton S Esaulov 3 , Anastasiya Yu Korotkevich 5 , Alexey A Kudrin 6 , Elena A Malysheva 3 , Yuri A Mazei 1, 4, 7 , Sergey M Tsurikov 1 , Andrey G Zuev 1 , Alexei V Tiunov 1
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Size-structured food webs form integrated trophic systems where energy is channeled from small to large consumers. Empirical evidence suggests that size structure prevails in aquatic ecosystems, whereas in terrestrial food webs trophic position is largely independent of body size. Compartmentalization of energy channeling according to size classes of consumers was suggested as a mechanism that underpins functioning and stability of terrestrial food webs including those belowground, but their structure has not been empirically assessed across the whole size spectrum. Here we used stable isotope analysis and metabolic regressions to describe size structure and energy use in eight belowground communities with consumers spanning 12 orders of magnitude in living body mass, from protists to earthworms. We showed a negative correlation between trophic position and body mass in invertebrate communities and a remarkable nonlinearity in community metabolism and trophic positions across all size classes. Specifically, we found that the correlation between body mass and trophic level is positive in the small-sized (protists, nematodes, arthropods below 1 μg in body mass), neutral in the medium-sized (arthropods of 1 μg to 1 mg), and negative in the large-sized consumers (large arthropods, earthworms), suggesting that these groups form compartments with different trophic organization. Based on this pattern, we propose a concept of belowground food webs being composed of (1) size-structured micro-food web driving fast energy channeling and nutrient release, for example in microbial loop; (2) arthropod macro-food web with no clear correlation between body size and trophic level, hosting soil arthropod diversity and subsidizing aboveground predators; and (3) “trophic whales,” sequestering energy in their large bodies and restricting its propagation to higher trophic levels in belowground food webs. The three size compartments are based on a similar set of basal resources, but contribute to different ecosystem-level functions and respond differently to variations in climate, soil characteristics and land use. We suggest that the widely used vision of resource-based energy channeling in belowground food webs can be complemented with size-based energy channeling, where ecosystem multifunctionality, biodiversity, and stability are supported by a balance across individual size compartments.
中文翻译:
陆地地下食物网中能量通道的大小划分
大小结构的食物网形成整合的营养系统,其中能量从小到大的消费者输送。经验证据表明,大小结构在水生生态系统中占主导地位,而在陆地食物网中,营养位置在很大程度上与体型无关。根据消费者的体型等级划分能量通道被认为是一种支持陆地食物网(包括地下食物网)的功能和稳定性的机制,但尚未在整个尺寸范围内对它们的结构进行经验评估。在这里,我们使用稳定同位素分析和代谢回归来描述 8 个地下社区的大小结构和能源使用,其中消费者的活体质量跨越 12 个数量级,从原生生物到蚯蚓。我们显示了无脊椎动物群落中营养位置和体重之间的负相关性,以及所有大小等级的群落代谢和营养位置之间的显着非线性。具体来说,我们发现体重和营养水平之间的相关性在小型(原生生物、线虫、体重低于 1 μg 的节肢动物)中呈正相关,在中型(1 μg 至 1 mg 的节肢动物)中呈中性,而在大型消费者(大型节肢动物、蚯蚓)中则为负,表明这些群体形成了具有不同营养组织的隔室。基于这种模式,我们提出了地下食物网的概念,它由以下部分组成:(1)大小结构的微型食物网驱动快速能量通道和营养释放,例如在微生物循环中;(2) 节肢动物宏观食物网,体型和营养级之间没有明显的相关性,承载土壤节肢动物的多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。承载土壤节肢动物多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。承载土壤节肢动物多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。”在它们庞大的身体中隔离能量并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。”在它们庞大的身体中隔离能量并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。
更新日期:2021-08-03
中文翻译:
陆地地下食物网中能量通道的大小划分
大小结构的食物网形成整合的营养系统,其中能量从小到大的消费者输送。经验证据表明,大小结构在水生生态系统中占主导地位,而在陆地食物网中,营养位置在很大程度上与体型无关。根据消费者的体型等级划分能量通道被认为是一种支持陆地食物网(包括地下食物网)的功能和稳定性的机制,但尚未在整个尺寸范围内对它们的结构进行经验评估。在这里,我们使用稳定同位素分析和代谢回归来描述 8 个地下社区的大小结构和能源使用,其中消费者的活体质量跨越 12 个数量级,从原生生物到蚯蚓。我们显示了无脊椎动物群落中营养位置和体重之间的负相关性,以及所有大小等级的群落代谢和营养位置之间的显着非线性。具体来说,我们发现体重和营养水平之间的相关性在小型(原生生物、线虫、体重低于 1 μg 的节肢动物)中呈正相关,在中型(1 μg 至 1 mg 的节肢动物)中呈中性,而在大型消费者(大型节肢动物、蚯蚓)中则为负,表明这些群体形成了具有不同营养组织的隔室。基于这种模式,我们提出了地下食物网的概念,它由以下部分组成:(1)大小结构的微型食物网驱动快速能量通道和营养释放,例如在微生物循环中;(2) 节肢动物宏观食物网,体型和营养级之间没有明显的相关性,承载土壤节肢动物的多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。承载土壤节肢动物多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。承载土壤节肢动物多样性并资助地上捕食者;(3)“营养鲸鱼”,将能量隔离在它们的大身体中,并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。”在它们庞大的身体中隔离能量并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。”在它们庞大的身体中隔离能量并将其传播限制在地下食物网中更高的营养水平。这三个大小区室基于一组相似的基础资源,但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。但对不同的生态系统功能做出贡献,并对气候、土壤特征和土地利用的变化做出不同的反应。我们建议在地下食物网中广泛使用的基于资源的能量通道的愿景可以与基于大小的能量通道相补充,其中生态系统的多功能性、生物多样性和稳定性得到了各个大小隔间之间的平衡的支持。