While biodiversity is recognized as crucial for ecosystem stability, the mechanisms governing its dual role in collapse and restoration dynamics remain unclear. By analyzing ten empirical plant–pollinator mutualistic networks, we uncover a biodiversity paradox: increased biodiversity lowers the collapse threshold while enhancing restoration potential. This counterintuitive phenomenon is quantitatively linked to a significant negative correlation between biodiversity levels and hysteresis loop width. To understand this paradox, we develop a refined degree-weighted mean-field framework, reducing high-dimensional dynamics to a tractable two-dimensional system. By integrating potential landscape theory from nonequilibrium statistical mechanics, we uncover the physical basis of biodiversity-driven threshold shifts. Systematic modulation of mutualistic interaction degrees across stochastic networks further confirms the universal regulatory role of reduced biodiversity in collapse–restoration tipping points. Our findings provide a quantitative framework for predicting ecosystem resilience and optimizing restoration strategies across biodiversity gradients.

1.
P.
Balvanera
,
A. B.
Pfisterer
,
N.
Buchmann
,
J. S.
He
,
T.
Nakashizuka
,
D.
Raffaelli
, and
B.
Schmid
,
Ecol. Lett.
9
(
10
),
1146
1156
(
2006
).
2.
Y.
Hautier
,
D.
Tilman
,
F.
Isbell
,
E. W.
Seabloom
,
E. T.
Borer
, and
P. B.
Reich
,
Science
348
(
6232
),
336
340
(
2015
).
3.
A. R.
Ives
and
S. R.
Carpenter
,
Science
317
(
5834
),
58
62
(
2007
).
4.
K. L.
Cottingham
,
B. L.
Brown
, and
J. T.
Lennon
,
Ecol. Lett.
4
(
1
),
72
85
(
2001
).
5.
A. B.
Pfisterer
and
B.
Schmid
,
Nature
416
(
6876
),
84
86
(
2002
).
6.
F.
Isbell
,
D.
Craven
,
J.
Connolly
,
M.
Loreau
,
B.
Schmid
,
C.
Beierkuhnlein
,
T. M.
Bezemer
,
C.
Bonin
,
H.
Bruelheide
,
E.
de Luca
,
A.
Ebeling
,
J. N.
Griffin
,
Q. F.
Guo
,
Y.
Hautier
,
A.
Hector
,
A.
Jentsch
,
J.
Kreyling
,
V.
Lanta
,
P.
Manning
,
S. T.
Meyer
,
A. S.
Mori
,
S.
Naeem
,
P. A.
Niklaus
,
H. W.
Polley
,
P. B.
Reich
,
C.
Roscher
,
E. W.
Seabloom
,
M. D.
Smith
,
M. P.
Thakur
,
D.
Tilman
,
B. F.
Tracy
,
W. H.
van der Putten
,
J.
van Ruijven
,
A.
Weigelt
,
W. W.
Weisser
,
B.
Wilsey
, and
N.
Eisenhauer
,
Nature
526
(
7574
),
574
577
(
2015
).
7.
F.
Pennekamp
,
M.
Pontarp
,
A.
Tabi
,
F.
Altermatt
,
R.
Alther
,
Y.
Choffat
,
E. A.
Fronhofer
,
P.
Ganesanandamoorthy
,
A.
Garnier
,
J. I.
Griffiths
,
S.
Greene
,
K.
Horgan
,
T. M.
Massie
,
E.
Mächler
,
G. M.
Palamara
,
M.
Seymour
, and
O. L.
Petchey
,
Nature
563
(
7729
),
109
112
(
2018
).
8.
T. P.
Curtis
,
I. M.
Head
, and
D. W.
Graham
,
Environ. Sci. Technol.
37
(
3
),
64A
70A
(
2003
).
9.
A. A.
Berryman
,
Ecology
73
(
5
),
1530
1535
(
1992
).
10.
U.
Bastolla
,
M. A.
Fortuna
,
A.
Pascual-García
,
A.
Ferrera
,
B.
Luque
, and
J.
Bascompte
,
Nature
458
(
7241
),
1018
1020
(
2009
).
11.
J. J.
Lever
,
E. H.
van Nes
,
M.
Scheffer
, and
J.
Bascompte
,
Ecol. Lett.
17
(
3
),
350
359
(
2014
).
12.
R. P.
Rohr
,
S.
Saavedra
, and
J.
Bascompte
,
Science
345
(
6195
),
1253497
(
2014
).
13.
J. X.
Gao
,
B.
Barzel
, and
A. L.
Barabási
,
Nature
530
(
7590
),
307
312
(
2016
).
14.
J. J.
Jiang
,
Z. G.
Huang
,
T. P.
Seager
,
W.
Lin
,
C.
Grebogi
,
A.
Hastings
, and
Y. C.
Lai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
115
(
4
),
E639
E647
(
2018
).
15.
H. X.
Zhang
,
Q.
Wang
,
W. D.
Zhang
,
S.
Havlin
, and
J. X.
Gao
,
Nat. Ecol. Evol.
6
(
10
),
1524
1536
(
2022
).
16.
V.
Dakos
,
B.
Matthews
,
A. P.
Hendry
,
J.
Levine
,
N.
Loeuille
,
J.
Norberg
,
P.
Nosil
,
M.
Scheffer
, and
L.
De Meester
,
Nat. Ecol. Evol.
3
(
3
),
355
362
(
2019
).
17.
M.
Scheffer
,
J.
Bascompte
,
W. A.
Brock
,
V.
Brovkin
,
S. R.
Carpenter
,
V.
Dakos
,
H.
Held
,
E. H.
van Nes
,
M.
Rietkerk
, and
G.
Sugihara
,
Nature
461
(
7260
),
53
59
(
2009
).
18.
M.
Scheffer
,
S.
Carpenter
,
J. A.
Foley
,
C.
Folke
, and
B.
Walker
,
Nature
413
(
6856
),
591
596
(
2001
).
19.
P. J.
Mumby
,
A.
Hastings
, and
H. J.
Edwards
,
Nature
450
(
7166
),
98
101
(
2007
).
20.
S. D.
Ling
,
R. E.
Scheibling
,
A.
Rassweiler
,
C. R.
Johnson
,
N.
Shears
,
S. D.
Connell
,
A. K.
Salomon
,
K. M.
Norderhaug
,
A.
Perez-Matus
,
J. C.
Hernandez
,
S.
Clemente
,
L. K.
Blamey
,
B.
Hereu
,
E.
Ballesteros
,
E.
Sala
,
J.
Garrabou
,
E.
Cebrian
,
M.
Zabala
,
D.
Fujita
, and
L. E.
Johnson
,
Philos. Trans. R. Soc. B
370
(1659), 20130269 (2015).
21.
M. P.
Marzloff
,
L. R.
Little
, and
C. R.
Johnson
,
Ecosystems
19
(
1
),
1
15
(
2016
).
22.
R. M.
May
,
S. A.
Levin
, and
G.
Sugihara
,
Nature
451
(
7181
),
893
894
(
2008
).
23.
N.
Wunderling
,
M.
Gelbrecht
,
R.
Winkelmann
,
J.
Kurths
, and
J. F.
Donges
,
New J. Phys.
22
(
12
),
123031
(
2020
).
24.
O. E.
Sala
,
F.
Stuart Chapin
III
,
J. J.
Armesto
,
E.
Berlow
,
J.
Bloomfield
,
R.
Dirzo
,
E.
Huber-Sanwald
,
L. F.
Huenneke
,
R. B.
Jackson
,
A.
Kinzig
,
R.
Leemans
,
D. M.
Lodge
,
H. A.
Mooney
,
M.
Oesterheld
,
N. L.
Poff
,
M. T.
Sykes
,
B. H.
Walker
,
M.
Walker
, and
D. H.
Wall
,
Science
287
(
5459
),
1770
1774
(
2000
).
25.
L.
Xu
,
D.
Patterson
,
A. C.
Staver
,
S. A.
Levin
, and
J.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
118
(
24
),
e2103779118
(
2021
).
26.
L.
Xu
,
D.
Patterson
,
S. A.
Levin
, and
J.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
120
(
5
),
e2218663120
(
2023
).
27.
D. H.
Wright
,
Am. Nat.
134
(
4
),
664
667
(
1989
).
28.
J.
Bascompte
,
P.
Jordano
, and
J. M.
Olesen
,
Science
312
(
5772
),
431
433
(
2006
).
29.
P. B.
Adler
,
D.
Smull
,
K. H.
Beard
,
R. T.
Choi
,
T.
Furniss
,
A.
Kulmatiski
,
J. M.
Meiners
,
A. T.
Tredennick
, and
K. E.
Veblen
,
Ecol. Lett.
21
(
9
),
1319
1329
(
2018
).
30.
M.
Jin
,
F.
Xu
,
C. S.
Shen
,
J. Q.
Zhang
, and
C. Y.
Wang
,
Commun. Theor. Phys.
71
(
1
),
127
131
(
2019
).
31.
Y. L.
Dupont
,
D. M.
Hansen
, and
J. M.
Olesen
,
Ecography
26
(
3
),
301
310
(
2003
).
32.
V.
Dakos
,
M.
Scheffer
,
E. H.
van Nes
,
V.
Brovkin
,
V.
Petoukhov
, and
H.
Held
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
(
38
),
14308
14312
(
2008
).
33.
M.
Scheffer
,
S. R.
Carpenter
,
T. M.
Lenton
,
J.
Bascompte
,
W.
Brock
,
V.
Dakos
,
J.
van de Koppel
,
I. A.
van de Leemput
,
S. A.
Levin
,
E. H.
van Nes
,
M.
Pascual
, and
J.
Vandermeer
,
Science
338
(
6105
),
344
348
(
2012
).
34.
A.
Staal
,
I.
Fetzer
,
L.
Wang-Erlandsson
,
J. H. C.
Bosmans
,
S. C.
Dekker
,
E. H.
van Nes
,
J.
Rockström
, and
O. A.
Tuinenburg
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
4978
(
2020
).
35.
S.
Garland
and
H. A.
Curry
,
PLoS Biol.
20
(
7
),
e3001716
(
2022
).
36.
F.
Xu
,
X.
Li
,
R.
Wu
,
H.
Qi
,
J.
Jin
,
Z.
Liu
,
Y.
Wu
,
H.
Lin
,
C.
Shen
, and
J.
Shuai
,
Fundam. Res.
(published online
2024
).
37.
E. H.
van Nes
and
M.
Scheffer
,
Ecology
86
(
7
),
1797
1807
(
2005
).
38.
J.
Vandermeer
and
I.
Perfecto
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
116
(
30
),
15074
15079
(
2019
).
39.
M.
Scheffer
and
S. R.
Carpenter
,
Trends Ecol. Evol.
18
(
12
),
648
656
(
2003
).
40.
Y.
Meng
,
J. J.
Jiang
,
C.
Grebogi
, and
Y. C.
Lai
,
Phys. Rev. E
101
(
1
),
012206
(
2020
).
41.
H.
Qi
,
Z. C.
Li
,
S. M.
Wang
,
L.
Wu
,
F.
Xu
,
Z. L.
Liu
,
X.
Li
, and
J. Z.
Wang
,
Chaos
31
(
12
),
123108
(
2021
).
42.
L. G.
Zhu
,
X.
Li
,
F.
Xu
,
Z. Y.
Yin
,
J.
Jin
,
Z. L.
Liu
,
H.
Qi
, and
J. W.
Shuai
,
Chaos, Solitons Fractals
155
,
111724
(
2022
).
43.
Y. B.
Zhang
,
N.
Liu
,
W.
Lin
, and
C. H.
Li
,
New J. Phys.
21
(
10
),
103042
(
2019
).
44.
S. W.
McDonald
,
C.
Grebogi
,
E.
Ott
, and
J. A.
Yorke
,
Phys. D
17
(
2
),
125
153
(
1985
).
45.
C.
Ma
,
G.
Korniss
,
B. K.
Szymanski
, and
J. X.
Gao
,
Commun. Phys.
4
(
1
),
262
(
2021
).
46.
Xiamen University
(
2025
). “Plant pollinator mutualistic network model,” GitHub. https://github.com/XMU-Xu/plant-pollinator-mutualistic-network-model.git
You do not currently have access to this content.