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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

2014年2月18日,中心成员周集中教授所带领的研究组在《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。


生物修复重金属污染的地下水的微生物群落演替过程

 
        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,他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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