生物結皮是由非維管植物和光自養生物，如地衣、蘚類和藍藻，以及各種異養微生物組成，構成了旱區主要的土壤表層覆蓋物，在旱區生態、水文和土壤過程，以及生物地球化學循環過程中發揮著重要作用。生物結皮自然分布常呈現出斑塊狀鑲嵌分布的“圖靈格局”，其空間格局是生態系統穩定與功能發揮的基礎。
近日，中國科學院西北生態環境資源研究院李新榮研究員團隊認為在生物結皮斑塊發展過程中，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，最終形成穩定的分布圖靈格局，從理論解釋了旱區生物結皮的分布規律，其對利用生物結皮進行生態修復和防沙治沙具有重要理論指導意義。相關論文發表于《美國科學院院刊》。
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模優勢，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，產生斑塊大小的收斂。這兩種反饋模式作用于斑塊大小分布，形成重尾分布和具有特征尺度的分布。
以此為假設，研究團隊采用了計算建模與全局-局部耦合的野外調查相結合的研究方法。理論建模基于概率的元胞自動機(Cellular automaton)模型的開發，模擬了地衣和蘚類斑塊的動態變化。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皮動態的反饋模式。通過不同演替階段和不同斑塊大小下生物結皮斑塊中心與邊緣之間的生長差異比較，從斑塊尺度驗證局部自組織過程，對比模擬結果揭示了生物結皮自組織機理及其生態意義。
該研究不僅揭示了生物結皮的自組織空間模式及其動態變化，還強調了生物結皮在干旱地區生態系統功能和穩定性中的重要作用。研究結果還為理解生物結皮在不同演替階段的生態角色提供了新的視角。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2424836122
本文鏈接：旱區生物結皮動態自組織機制研究獲新進展http://www.sq15.cn/show-11-24154-0.html
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