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(jī)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(lán)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(xué)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(chǔ)。
圖靈格局是一種通過局部尺度依賴的反饋機(jī)制自組織形的成全局特殊空間格局。正反饋機(jī)制會(huì)放大斑塊的規(guī)模優(yōu)勢，維持更大斑塊形成的幾率；而負(fù)反饋機(jī)制則會(huì)限制大斑塊的擴(kuò)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(shè)，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在生物結(jié)皮斑塊發(fā)展過程中，正負(fù)反饋在不同階段分別起主導(dǎo)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(duì)利用生物結(jié)皮進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和防沙治沙具有重要理論指導(dǎo)意義。
研究團(tuán)隊(duì)采用了計(jì)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。理論建模基于概率的元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular automaton)模型的開發(fā)，模擬了地衣和蘚類斑塊的動(dòng)態(tài)變化。野外觀測在中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗(yàn)研究站進(jìn)行，通過在不同演替階段的人工固沙植被帶中設(shè)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(duì)冪律分布的擬合，從全局尺度檢測主導(dǎo)生物結(jié)皮動(dòng)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(yàn)證局部自組織過程。對(duì)比模擬結(jié)果最終揭示生物結(jié)皮自組織機(jī)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(dòng)態(tài)變化，還強(qiáng)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(xué)院院刊》（PNAS）上。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士后孫靖堯?yàn)檎撐牡谝蛔髡?。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所余開亮研究員和中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持與荒漠化整治全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)Max Rietkerk 教授、蘭州大學(xué)陳寧教授、中國科學(xué)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(xué)宋光博士。研究得到了國家自然科學(xué)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
附件下載：
在線留言
聯(lián)系我們
所長信箱