生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的反饋機制會促使其形成非均質(zhì)的空間格局，例如整齊的條紋、斑點和環(huán)狀圖案，稱為空間自組織斑圖（spatial self-organization），具有提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、穩(wěn)定性和韌性等生態(tài)系統(tǒng)功能。面對加速的環(huán)境變化，空間自組織斑圖通過產(chǎn)生不同形狀和大小的穩(wěn)定域，避免生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生臨界突變（Abrupt shifts），從而轉(zhuǎn)為漸變。這可以增強生態(tài)系統(tǒng)的抗性和持久性，這種穩(wěn)定作用被稱為生態(tài)彈性/韌性（Ecological resilience）。然而，學術界仍然缺乏來自現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)的實證證據(jù)，用以驗證上述理論，并探究生態(tài)系統(tǒng)韌性提升的內(nèi)在機制。

圖1.青藏高原東部黃河第一灣區(qū)域高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)退化形成的草丘斑圖（馬妙君攝）

基于以上科學問題，蘭州大學馬妙君教授團隊在青藏高原東部黃河第一灣區(qū)域的高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)進行了共116個采樣點的大尺度野外調(diào)查取樣，包含植物群落組成、氣候及土壤因子，以及空間自組織斑圖特征（圖1），分析了空間斑圖形成是否提升高寒沼澤生態(tài)系統(tǒng)韌性及其機制，并提出空間斑圖形成提升高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)韌性的概念模型（圖2）。其中黃色小球代表生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，綠色山谷表示穩(wěn)定域，紅色箭頭表示外部環(huán)境脅迫。隨著草丘斑圖的形成，高寒沼澤對應的穩(wěn)定域變大，意味著生態(tài)系統(tǒng)韌性增強。

圖2. 草丘斑圖的形成增強高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)韌性的概念模型

研究者發(fā)現(xiàn)草丘斑圖的形成使高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)在退化過程中躍遷至一個以多種形態(tài)和大小草丘斑圖為特征的穩(wěn)態(tài)，使高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)退化過程趨于漸變而非突變（圖3），說明草丘斑圖能夠提升青藏高原高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)韌性。研究者進一步分析發(fā)現(xiàn)，草丘斑圖可以提升環(huán)境異質(zhì)性，從而增大β多樣性；而β多樣性又可提升高寒沼澤生態(tài)系統(tǒng)韌性?？梢?，空間自組織斑圖通過提升環(huán)境異質(zhì)性和β多樣性，增強了高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)面對環(huán)境脅迫下的韌性（圖4）。

圖3. 空間自組織斑圖提升高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)面對環(huán)境脅迫下的韌性。（a）植物群落組成在土壤水分梯度上的二維排序分布，紅色實心圓表示草丘斑圖樣點。（b）空間自組織斑圖的形成降低災難性轉(zhuǎn)變發(fā)生的可能性。虛線表示發(fā)生災難性轉(zhuǎn)折的路徑，而實線路徑表示斑圖形成后提升系統(tǒng)韌性，延遲災難性轉(zhuǎn)變的發(fā)生。

圖4. 草丘斑圖特征、環(huán)境異質(zhì)性和植物α/β多樣性三者的關系

青藏高原東部的黃河第一灣區(qū)域發(fā)育著世界上面積最大、海拔最高的高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)，是黃河的重要水源補給區(qū)，具有碳匯、水源涵養(yǎng)和生物多樣性維持等多種重要的生態(tài)系統(tǒng)功能。本研究提供了空間自組織斑圖提升生態(tài)系統(tǒng)韌性的現(xiàn)實證據(jù)，并闡明其內(nèi)在機制，為青藏高原高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復提供了重要科學依據(jù)。

這項研究結果以“Spatial pattern formation enhances alpine marsh ecological resilience”為題，于2026年2月3日在線發(fā)表在國際生態(tài)學經(jīng)典期刊《Ecology》上。該研究依托甘肅甘南草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站開展，蘭州大學生態(tài)學院馬妙君教授為該論文通訊作者，蘭州大學生態(tài)學院博士后胡國瑞為該論文第一作者，毛赫，白浩楠，趙赟鵬，郭增鵬，陳寧為共同作者。該研究工作獲得國家自然科學基金項目（31922062，32171681），甘肅省基礎研究創(chuàng)新群體項目（22JR5RA390），以及中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（lzujbky-2024-oy07）的資助。

論文鏈接：Spatial pattern formation enhances alpine marsh ecological resilience

編輯：王文樂

責編：彭倩