研究揭示驅動生態系統結構演變“無形之手”

“長距離相互作用”是存在於複雜系統中的基本特徵和規律。華東師範大學、南京大學、復旦大學以及荷蘭皇家海洋研究所、美國布朗大學等機構的科學家合作，以我國黃海典型濱海濕地景觀為研究對象，率先識別了濱海濕地生態系統中“長距離相互作用”的具體形式，構建了該規律的偏微分方程理論模型，並基於一般性規律回答了“什麼決定了物種分佈格局”這一生態學核心問題。6月27日，論文發表于美國《國家科學院院刊》。

論文通訊作者之一、華東師範大學教授劉權興向《中國科學報》介紹：“‘長距離相互作用’正成為生態學研究的新方向，但其在塑造生態系統結構等方面的作用尚有待研究。”

該跨學科團隊通過分析江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區40年的遙感、生物化學以及動力地貌等多源數據，建立了生物種群—動力沉積系統耦合的生態地貌綜合模型，研究了外來物種互花米草定殖擴張過程中，本地物種蘆葦和鹼蓬空間分佈的變化規律，揭示了“長距離相互作用”是驅動系統空間層次結構演變的“無形之手”。

研究人員發現互花米草定殖並佔據低潮位區域5年後，中潮位的鹼蓬群落面積出現快速萎縮趨勢。有趣的是，鹼蓬的生境並非被入侵物種互花米草侵佔，而是被高潮位的蘆葦佔據。研究團隊進一步通過數據驅動的建模方法將“長距離相互作用”納入經典的“反應—擴散”，構建了新型的“反應—擴散—對流—長距離相互作用”偏微分方程模型。

“該模型描述了系統的種群增長、空間擴散、種間競爭和生物—地貌反饋等基本生態地貌過程，揭示了鹽分介導‘長距離相互作用’是導致近年來鹼蓬紅海灘快速萎縮的‘兇手’。”論文共同第一作者、南京大學博士生王博解釋説，“這種作用的長期積累導致原鹼蓬生境鹽分下降到適合蘆葦生長的臨界閾值，從而打破蘆葦和鹼蓬之間的原本生態平衡，並最終導致鹼蓬紅海灘的喪失。”

研究發現，這種作用的空間尺度能夠達到10公里，是目前報道最長距離之一。更重要的是，該研究提出了用數學描述“長距離相互作用”的方法，為研究其他複雜系統的“長距離相互作用”開闢了道路。