?

上海南匯邊灘鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)中海三棱藨草自組織形成的“精靈圈”? 劉權(quán)興供圖

生態(tài)學(xué)領(lǐng)域有一種令人嘆為觀止的美麗景觀叫“精靈圈”，但這種美麗景觀的形成機(jī)制卻引發(fā)了學(xué)界曠日持久的爭(zhēng)論，且爭(zhēng)論仍在持續(xù)。

2月5日，《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表了華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授劉權(quán)興團(tuán)隊(duì)與荷蘭科學(xué)家合作的最新研究成果。該研究首次揭示了濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)中“精靈圈”斑圖的形成機(jī)制和它的生態(tài)彈性，并提出了“瞬態(tài)行為 （transient pattern）”這一空間自組織的新概念。而探索生態(tài)系統(tǒng)自組織機(jī)理對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的提升和生態(tài)保育具有重要的參考價(jià)值，對(duì)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)退化、改進(jìn)管理策略具有重要的指導(dǎo)意義。

該研究工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“長(zhǎng)三角典型河口濕地生態(tài)恢復(fù)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”和“應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)型中的河口三角洲”的共同資助。

一場(chǎng)持續(xù)的爭(zhēng)論

納米比亞的海岸線附近曾經(jīng)散布著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的圓圈。令人震驚的是，每個(gè)圓圈周圍的野草長(zhǎng)得非常茂盛，但圈內(nèi)卻是一片沙土，寸草不生?？茖W(xué)家們對(duì)此非常著迷，并稱之為“精靈圈”。更不可思議的是，“精靈圈”甚至幾十年內(nèi)一直保持原樣。

劉權(quán)興告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，生態(tài)系統(tǒng)中個(gè)體單元會(huì)通過(guò)短距離內(nèi)的相互作用自發(fā)地形成比個(gè)體尺度大很多倍的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)，這被稱為空間自組織現(xiàn)象，“精靈圈”就是其中一種。

“精靈圈”是如何形成的？科學(xué)家們沒有停下探索的腳步。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家認(rèn)為白蟻塑造了納米比亞“精靈圈”，生態(tài)學(xué)家肯·廷利在1971年提出“精靈圈”是白蟻丘的化石。這一觀點(diǎn)得到其他諸多科學(xué)家的支持，并提出了“白蟻理論”，即納米比亞“精靈圈”是地下白蟻吃掉棲息地周圍一年生植物同時(shí)留下多年生植物的結(jié)果。

然而，生態(tài)自組織理論給出了不一樣的觀點(diǎn)。該理論認(rèn)為，植被在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下會(huì)通過(guò)圖靈原理自然形成圓圈以便最大限度地利用水分和土壤養(yǎng)分。2004年，該理論首次應(yīng)用于解釋納米比亞“精靈圈”，隨后2016年在澳大利亞無(wú)白蟻地區(qū)發(fā)現(xiàn)的“精靈圈”證實(shí)了自組織理論的正確性。

緊接著，2017年美國(guó)普林斯頓大學(xué)的科瑞娜·塔尼塔將“白蟻理論”與自組織理論相結(jié)合，提出了解釋包含“精靈圈”在內(nèi)的多尺度斑圖的理論模型。目前，這一爭(zhēng)論依然在繼續(xù)。

揭示兩種生態(tài)學(xué)機(jī)制

在20世紀(jì)90年代末，科學(xué)家將“活化子—抑制子”理論（也稱圖靈原理或尺度依賴的反饋）引入生態(tài)學(xué)研究，隨后這一研究領(lǐng)域迎來(lái)了蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)了一大批解釋生態(tài)系統(tǒng)規(guī)則斑圖的自組織理論研究。

然而，時(shí)至今日，直接驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)空間自組織理論的控制實(shí)驗(yàn)證據(jù)依然非常缺乏。

在上海南匯邊灘鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)中，劉權(quán)興團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)多種植物均存在“精靈圈”斑圖。為此，研究團(tuán)隊(duì)便以濱海鹽沼濕地為研究對(duì)象，通過(guò)原位調(diào)查和控制實(shí)驗(yàn)，揭示出形成鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)植被“精靈圈”的兩種生態(tài)學(xué)機(jī)制，即硫化物毒素累積機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)鹽限制機(jī)制。

但研究人員實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，硫化物毒素累積機(jī)制能夠很好地解釋“精靈圈”由“圓形”發(fā)育至“環(huán)形”的過(guò)程，但該機(jī)制不能解釋“同心環(huán)”“精靈圈”的形成。

論文第一作者，華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院博士生趙麗俠介紹，他們通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)鹽的控制實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽限制機(jī)制在塑造此類“精靈圈”自組織斑圖過(guò)程中具有主導(dǎo)性貢獻(xiàn)，進(jìn)而證明營(yíng)養(yǎng)限制機(jī)制能夠很好地解釋“環(huán)形”和“同心環(huán)”類型的斑塊發(fā)育過(guò)程。

值得一提的是，“環(huán)形”和“同心環(huán)”類型的“精靈圈”常常共存于同一區(qū)域的鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)中，所以這兩個(gè)機(jī)制在時(shí)空尺度上可能同時(shí)存在。

在劉權(quán)興看來(lái)，該研究成果不僅回答了鹽沼濕地中“精靈圈”斑圖的形成機(jī)制，而且發(fā)現(xiàn)“精靈圈”這一鹽沼的瞬態(tài)行為對(duì)鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)的彈性具有重要支撐作用。

尋找完善的理論模型

劉權(quán)興表示，目前“精靈圈”形成的理論框架依然是基于納米比亞干旱草原生態(tài)系統(tǒng)模型，該體系的模型是基于尺度依賴的反饋機(jī)制。此類理論模型預(yù)測(cè)的自組織斑塊之間始終存在相互排斥關(guān)系。更為關(guān)鍵的是，“精靈圈”在該理論體系中屬于非平衡擬穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

也就是說(shuō)，該模型體系不能描述鹽沼濕地“精靈圈”所呈現(xiàn)的斑塊碰撞以及快速演變行為。

研究團(tuán)隊(duì)基于硫化物毒素累積機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)鹽限制機(jī)制，建立了鹽沼濕地“瞬態(tài)行為”自組織理論模型——“快慢變量”系統(tǒng)，證實(shí)了它們均能重現(xiàn)鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)中的“精靈圈”結(jié)構(gòu)。

“營(yíng)養(yǎng)鹽因快速消耗導(dǎo)致早期植物克隆形成的點(diǎn)狀斑塊在短時(shí)間尺度上變?yōu)榄h(huán)形斑塊，該機(jī)制循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致了同心環(huán)斑圖的產(chǎn)生?！眲?quán)興說(shuō)。

他進(jìn)一步解釋道，新的理論模型與經(jīng)典的圖靈范式“精靈圈”不同，新模型產(chǎn)生的自組織斑圖不會(huì)相互排斥；相反，鄰近植被斑塊會(huì)因擴(kuò)張相遇而相互融合，最后導(dǎo)致空間均勻植被態(tài)成為全局的最終穩(wěn)態(tài)。因而，此類“瞬態(tài)行為”自組織斑圖現(xiàn)象暗含了更高的生態(tài)系統(tǒng)彈性。

據(jù)介紹，生態(tài)系統(tǒng)空間自組織通常是在環(huán)境脅迫或處于臨界狀態(tài)而呈現(xiàn)的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，通過(guò)自組織能夠提高生態(tài)系統(tǒng)的彈性和抗性，并且最大化利用環(huán)境資源，從而提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

“盡管該研究以鹽沼濕地生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，但是‘精靈圈’屬于瞬態(tài)空間結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵點(diǎn)，啟迪我們?cè)谖磥?lái)更應(yīng)關(guān)注‘瞬態(tài)行為’的自組織現(xiàn)象?！眲?quán)興表示，在遙感手段泛用化的當(dāng)下，研究人員可以獲取更高時(shí)空分辨率的生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，生態(tài)系統(tǒng)的“瞬態(tài)行為”將前所未有地變得重要起來(lái)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abe1100



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)