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复杂生态系统中的空间秩序
数学科学学院刘权兴科研团队揭示空间斑图缓冲环境胁迫的新机制
2026年10月08日
复杂生态系统如何在持续的环境胁迫下维持功能？答案不仅在于获取更多资源，也在于如何在空间上重新分配压力。 近日，上海交通大学数学科学学院刘权兴科研团队联合荷兰皇家海洋研究所、荷兰格罗宁根大学等国际合作团队在生态系统空间自组织研究方面取得重要进展。
研究发现，沿海草甸中的空间自组织斑图能够重新分配景观中的盐胁迫，使植物生长区域维持相对低盐环境，从而增强整个草甸生态系统应对土壤盐渍化的能力。 相关成果于2026年9月30日发表于国际期刊《Science Advances》。该研究综合运用数学建模、野外观测、控制实验和遥感监测等研究方法，为理解生态系统如何借助空间自组织斑图提升气候变化背景下的适应性，提供了新的机制解释和原位实证。
图1：该研究成果发表于《Science Advances》，并被选为期刊官网首页Featured Image。 空间斑图如何塑造生态系统整体功能 研究团队长期关注极端环境与土壤盐渍化胁迫下的草甸生态系统。这里的植被并非均匀分布，而是自然形成了鲜明的草丘-低洼地（hummock-hollow）空间结构：植物主要生长在隆起的草丘上，而相邻的低洼区通常没有植被覆盖。 偏微分方程动力学模型和控制实验结果表明，降雨能够促进盐分从较高的草丘向低洼地迁移，驱动了自组织草丘-低洼地周期性斑图的形成。
低洼地通过动态积聚盐分，使植物生长的草丘保持相对较低的盐度，为植被生长区提供避难所。这种空间分异的斑图模式，增强了整个生态系统在盐渍化胁迫下的生产力。 这一发现也改变了对“裸地”或“低生产力”的传统认识。
在空间自组织系统中，一个局部区域的价值并不只取决于它自身产生多少生物量，不同空间单元之间的相互作用决定了整个系统最终能够发挥多大的功能。
图2：研究区景观对照图。草丘-低洼地斑图草甸（下方）与相邻均质草甸区（上方）的季节性差异。
2022年夏季（左），研究区植被整体保持绿色；进入秋季（右）后，相邻较均一的非斑图区已明显变黄，而草丘-低洼地斑图区的植物仍保持较高的绿色活性。研究表明，这种空间自组织格局使植被保持绿色和活跃状态的时间延长约2-3周，直观体现了空间格局带来的生态功能差异。 从“集中资源”到“压力重分配” 生态系统空间自组织斑图的研究非常广泛。
过去二十余年的大量研究已经表明，生物集聚的斑块可以通过集中水分、养分等限制性资源，为植物创造更有利的生长条件。此次研究进一步揭示了另一种机制：自组织空间结构不仅能够重新分配限制性资源，也能够重新配置环境压力。 在盐生草甸中，空间结构发挥作用的关键，并不是把更多“有利资源”集中到植物周围，而是将更多盐胁迫从植物生长区域转移出去。
由此，原本看似只是景观形态的草丘-低洼地结构，实际上成为了调节环境条件的一部分。这种联系也赋予了空间自组织更广泛的意义：生态系统可能并非只是被动承受环境变化，而能够通过调整自身空间结构，在一定程度上改变压力在系统中的分布。 论文第一作者吴铭轩表示：“生态系统应对气候变化压力的能力，可能比我们过去认识到的更强。
关键在于给这些生态系统留下自然变化的空间，使它们能够调整自身的空间结构。在盐生草甸中，这意味着允许草丘结构自然形成和发展。
” 从一个草丘斑图系统，寻找复杂系统中的共同规律 对于复杂系统研究而言，自然界中形态各异的空间斑图不仅是需要描述的自然景观现象，更为理解生态系统如何形成秩序、维持功能提供了重要窗口。 刘权兴教授表示：“数学模型的魅力，在于它能够从复杂而具体的自然现象中抽象出背后的共同机理。这项研究把野外观测、实验实证与数学模型联系起来，也是将数学方法用于理解真实生态与环境问题的一次成功实践。
面对气候变化带来的复杂挑战，我们希望进一步发挥数学在连接不同尺度、不同过程和不同系统中的作用。” 沿海草甸中的草丘-低洼地斑图结构不仅是典型的生态学案例，也为理解复杂系统中空间结构、环境过程与系统功能涌现之间的关系，提供了天然实验场。
图3：世界不同区域和生态系统中的草丘空间斑图。展示了不同自然环境中具有代表性的草丘景观。
尽管其尺度、形态和植被组成各异，但都呈现出明显的隆起植被斑块与低洼区域相间的空间结构。这种跨区域出现的相似空间秩序，为从复杂系统视角寻找不同自然系统背后的共同机制提供了重要线索。 上海交通大学数学科学学院吴铭轩博士后为论文第一作者和共同通讯作者，刘权兴教授为重要合作者。
该研究受到国家留学基金委与教育部复杂生态系统突破先导项目资助。 论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec0903
作者： 数学科学学院
供稿单位： 数学科学学院
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