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研究揭示驱动生态系统结构演变“无形之手”

来源:中国科学报2022-07-01 09:28

  “长距离相互作用”是存在于复杂系统中的基本特征和规律。华东师范大学、南京大学、复旦大学以及荷兰皇家海洋研究所、美国布朗大学等机构的科学家合作,以我国黄海典型滨海湿地景观为研究对象,率先识别了滨海湿地生态系统中“长距离相互作用”的具体形式,构建了该规律的偏微分方程理论模型,并基于一般性规律回答了“什么决定了物种分布格局”这一生态学核心问题。6月27日,论文发表于美国《国家科学院院刊》。

  论文通讯作者之一、华东师范大学教授刘权兴向《中国科学报》介绍:“‘长距离相互作用’正成为生态学研究的新方向,但其在塑造生态系统结构等方面的作用尚有待研究。”

  该跨学科团队通过分析江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区40年的遥感、生物化学以及动力地貌等多源数据,建立了生物种群—动力沉积系统耦合的生态地貌综合模型,研究了外来物种互花米草定殖扩张过程中,本地物种芦苇和碱蓬空间分布的变化规律,揭示了“长距离相互作用”是驱动系统空间层次结构演变的“无形之手”。

  研究人员发现互花米草定殖并占据低潮位区域5年后,中潮位的碱蓬群落面积出现快速萎缩趋势。有趣的是,碱蓬的生境并非被入侵物种互花米草侵占,而是被高潮位的芦苇占据。研究团队进一步通过数据驱动的建模方法将“长距离相互作用”纳入经典的“反应—扩散”,构建了新型的“反应—扩散—对流—长距离相互作用”偏微分方程模型。

  “该模型描述了系统的种群增长、空间扩散、种间竞争和生物—地貌反馈等基本生态地貌过程,揭示了盐分介导‘长距离相互作用’是导致近年来碱蓬红海滩快速萎缩的‘凶手’。”论文共同第一作者、南京大学博士生王博解释说,“这种作用的长期积累导致原碱蓬生境盐分下降到适合芦苇生长的临界阈值,从而打破芦苇和碱蓬之间的原本生态平衡,并最终导致碱蓬红海滩的丧失。”

  研究发现,这种作用的空间尺度能够达到10公里,是目前报道最长距离之一。更重要的是,该研究提出了用数学描述“长距离相互作用”的方法,为研究其他复杂系统的“长距离相互作用”开辟了道路。(张双虎 黄辛)

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