滨海湿地空间自组织格局形成机理及其生态功能研究

Costal wetland are important for flood protection and ecosystem conservation, but undergo sudden shifts in area cover and distribution all over the world. The causes for such shifts are still unclear underlying the ecological mechanisms. Drivers may be environmental (hydrology, sediment supply, etc.), biological (vegetation cover, biodiversity, etc.) or anthropogenic (construction, grazing, etc.), with factors operating and interacting at different scales to shape marshes and coastal patterning. This proposal is to investigate how coastal wetland self-organization patterns are shaped by interactions of biological facilitation with physical/environmental change. We will combine the field experimental setup and theoretical models with aerial-survey data to examine marsh resilience to environmental change, and to forecast shifts in marsh spatial patterns. Furthermore, we will explore the emergent properties and ecosystem functioning of the spatially self-organization patterning in salt marches ecosystem (in terms of biodiversity, productivity, and ecological resilience). Our researches will provide a new application of self-organization in ecosystems, and pose a new ecological mechanism for implication the biodiversity. It will help us to manage the coastal wetland using a novel strategy.

滨海(盐沼)湿地生态系统是沿海地区生态安全和生态系统保护的重要屏障，调查发现覆盖面积与生态功能在全球大规模的丧失和退化，可持续性堪忧，然而迄今科学家依然不完全清楚导致退化发生的生态过程和机理。环境的恶化、人类的生产活动和海平面上升等诸多因素在不同空间尺度的相互作用均可能引起该生态系统退化。本项目以长江口崇明盐沼湿地为对象，基于空间尺度依赖反馈过程、沉积层高度的变化和潮浪波的动力过程，建立数学模型研究来研究植被空间自组织格局形成机理、生态恢复力、初级生物量和生物多样性等生态系统功能。从理论角度研究滨海湿地的空间自组织格局对其生态系统脆弱性的影响，以及关于环境参数变化的敏感性；通过收集生物多样性数据，借助理论模型来研究空间自组织格局对生态系统群落和生物多样性的影响。研究成果将丰富空间自组织理论在生态系统功能方面的应用，阐述生态多样性的新机制; 同时为滨海湿地保育和管理提出理论依据。

从20世纪90年代以来，生态系统的自组织理论开始蓬勃发展，其间出现了可解释生态系统空间格局的大量理论模型研究和少量相关系统的实验研究。从岩石基质海岸的藤壶系统到淤泥质海岸的贻贝、牡蛎和潮间带植被生态系统都充满着空间自组织现象。该项目以滨海湿地植被生态系统为模型，研究了三方面内容：1）空间生态学中尺度依赖机理是否能够解释滨海湿地生态系统中不规则的空间格局形；2）探索滨海湿地生态系统中的‘精灵圈’格局形成机制，以及它们的生态弹性；3）自组织过程蕴含的局部促进过程能否有效增强滨海生态系统修复效率。通过该项目资助，我们进行了野外原位控制实验和理论模型研究，澄清了前两个科学问题，并获得可靠的结论；对第三个科学问题获得了一些新认识，但仍然不够完善需要后期继续研究。获得主要结论如下：1）用来解释空间规则格局（图灵斑图）的尺度依赖机制也是导致空间不规则格局（幂律斑图）的基本机制之一，并且不规则自组织格局能够有效塑造潮间带底栖生物多样性。2）硫化物毒素积累效应和营养消耗过程均是滨海湿地‘精灵圈’自组织格局形成的生态学机制，并且精灵圈格局的形成揭示了生态系统具有良好的生态弹性。3）基于空间自组织过程范式的生态系统修复策略，需要结合具体物种修复的性状特征。研究代表性结果分别以科研论文和论著形式发表于《Science Advances》，《Proc. Roy. Soc. B》，《生物多样性》，《中国近海生态系统研究与管理》一书章节。