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周集中教授研究组在《美国科学院院刊》发文首次提出生态系统演替理论的新框架

上传时间:2014-02-24 15:54:19      作者:      浏览:26

周集中教授研究组在《美国科学院院刊》发文首次提出生态系统演替理论的新框架

 

    2月18日,清华大学分室周集中教授研究组在《美国科学院院刊》(PNAS)在线发表题为《流体生态系统的随机性、演替和环境扰动》(Stochasticity, Succession and Environmental Perturbations in a Fluidic Ecosystem)的研究论文,首次提出了一个关于生态系统演替规律的新型理论框架,并通过实验验证了随机性在生态系统演替过程中的重要性。


    生态系统的形成机制,以及应对环境扰动的演替规律是生态学上的一个重大科学问题。以往的研究认为,确定性和随机性都可能对生态系统的形成有影响。但是它们的相对重要性如何,在生态学界有着两种针锋相对的观点,尚没有普遍认可的理论。
    为了解决这个问题,周集中教授提出生态系统的物理条件对其演替过程有着关键影响。在非流体环境中,物种的扩散受到严重限制,因此与流体环境相比,其随机性较弱。而环境变化的扰动,可以分为营养输入和环境压力两种,前者增加随机性,后者减少随机性。另外,环境变化的持续性也是一个重要因素。由于生态系统对非永久性环境变化具有弹性,其应对变化的响应也是不一致的。综合考虑这几种因素,就可以对确定性和随机性的相对重要性作出理论推导和预测。
    周集中教授进而在实验上验证了这个理论框架。通过对被重金属污染的地下水的生物修复过程的连续269天检测,周集中课题组发现随机性在微生物生态系统演替过程中起着重要作用。在生物修复的早中期,随机性对于生态系统演替的影响高达81.3% - 92.0%之间。在生物修复的后期,随着外界扰动的逐渐消失,确定性开始发生重要作用,使得生态系统逐渐回到扰动之前的状态。因此确定性和随机性的相对重要性是一个动态过程,而不是静态过程。这些数据符合理论预测,但是与以往的认识相反。
    这个生态系统演替的理论框架的建立,对于预测生态系统对环境变化的响应规律和生物多样性的保护,具有重要的指导意义。



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