孫靖堯、余開亮等在 PNAS 發(fā)文揭示旱區(qū)生物結(jié)皮的空間自組織過程及機理
生物結(jié)皮是由非維管植物和光自養(yǎng)生物，如地衣、蘚類和藍藻，以及各種異養(yǎng)微生物組成，構(gòu)成了旱區(qū)主要的土壤表層覆蓋物，在旱區(qū)生態(tài)、水文和土壤過程，以及生物地球化學循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。生物結(jié)皮自然分布常呈現(xiàn)出斑塊狀鑲嵌分布的“圖靈格局(Turing pattern)”，其空間格局是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與功能發(fā)揮的基礎。
圖靈格局是一種通過局部尺度依賴的反饋機制自組織形的成全局特殊空間格局。正反饋機制會放大斑塊的規(guī)模優(yōu)勢，維持更大斑塊形成的幾率；而負反饋機制則會限制大斑塊的擴張，產(chǎn)生斑塊大小的收斂。這兩種反饋模式作用于斑塊大小分布（Patch Size Distribution），形成重尾分布(Heavy-tailed Distribution)和具有特征尺度的分布(Characteristic with Dominant Scale)。以此為假設，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研究團隊認為在生物結(jié)皮斑塊發(fā)展過程中，正負反饋在不同階段分別起主導作用，形成不同的局部生長過程與全局空間格局，從而最終形成的穩(wěn)定的分布圖靈格局，從而理論解釋了旱區(qū)生物結(jié)皮的分布規(guī)律，其對利用生物結(jié)皮進行生態(tài)修復和防沙治沙具有重要理論指導意義。
研究團隊采用了計算建模與全局-局部耦合的野外調(diào)查相結(jié)合的研究方法。理論建?；诟怕实脑詣訖C(Cellular automaton)模型的開發(fā)，模擬了地衣和蘚類斑塊的動態(tài)變化。野外觀測在中國科學院沙坡頭沙漠試驗研究站進行，通過在不同演替階段的人工固沙植被帶中設置樣線，記錄了生物結(jié)皮的覆蓋度、組成和斑塊大小分布。研究通過對冪律分布的擬合，從全局尺度檢測主導生物結(jié)皮動態(tài)的反饋模式。通過不同演替階段和不同斑塊大小下，生物結(jié)皮斑塊中心與邊緣之間的生長差異的比較，從斑塊尺度驗證局部自組織過程。對比模擬結(jié)果最終揭示生物結(jié)皮自組織機理及其生態(tài)意義。
該研究不僅揭示了生物結(jié)皮的自組織空間模式及其動態(tài)變化，還強調(diào)了生物結(jié)皮在干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定性中的重要作用。研究結(jié)果還為理解生物結(jié)皮在不同演替階段的生態(tài)角色提供了新的視角。
該成果以Spatial and temporal scale–dependent feedbacks govern dynamics of biocrusts in drylands為題于2025年7月21日在線發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。中國科學院地理科學與資源研究所博士后孫靖堯為論文第一作者。中國科學院地理科學與資源研究所余開亮研究員和中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，西北農(nóng)林科技大學水土保持與荒漠化整治全國重點實驗室李新榮研究員為共同通訊作者。其他合作者包括烏得勒支大學Max Rietkerk 教授、蘭州大學陳寧教授、中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院張紅霞博士、西安建筑科技大學宋光博士。研究得到了國家自然科學基金的支持。
論文信息：J. Y. Sun,K. L. Yu,M. Rietkerk,N. Chen,H. X. Zhang,G. Song,?& X. R. Li,?Spatial and temporal scale–dependent feedbacks govern dynamics of biocrusts in drylands,Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (30) e2424836122,https://doi.org/10.1073/pnas.2424836122 (2025).
原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2424836122
生物結(jié)皮組成與斑塊大小分布（PSD）變化
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