生态系统空间自组织形成大尺度（从微米到米）斑图是生态学的重要现象，它使生物能够应对恶劣的环境条件，并缓冲生态系统的退化。尺度依赖性反馈为自组织空间斑图提供了主要的理论范式，解释了在干旱生态系统或贻贝床等地方观察到的规律斑图。近日，华东师范大学刘权兴团队与国外科学家合作，基于生物或非生物物种的聚集，如食草动物、沉积物或营养物质，强调了自组织斑图的另一种理论范式。该研究通过使用一个通用的数学模型，证明具有聚集驱动斑图的生态系统与通过尺度依赖性反馈形成斑图的生态系统，有着根本不同的动力学和弹性，并揭示了Ostwald成熟特征能够指示斑块生态系统的转变。研究成果以“Phase-separation physics underlies new theory for the resilience of patchy ecosystems”为题于2023年1月10日发表在美国科学院院刊（PNAS）上。
胁迫环境或退化生态系统中的植被通常呈现与裸土相衬的斑块状态。通常对退化裸露土壤进行修复的策略是人工种植植被，例如我国防沙治沙工程中的草方格或树木幼苗移栽策略。原本空间均匀修复系统在经过一段时间自然演化之后，依然会变成稀疏不规则的团簇状态。这些系统的某些空间团簇会持续变大，则某些区域又变回了裸土。这些局部空间斑块的稳定性关系到了整个生态系统修复的稳定性。最近，华东师范大学刘权兴教授与合作者建立理论模型发现相分离是此类斑块生态系统弹性新理论的基础。此类总量保守系统在非线性反馈作用下呈现物理学相分离的关键特征：空间特征尺度表现出幂律行为的粗化过程，并且空间斑块的消失和增长遵循Ostwald成熟过程（图2）。系统中小尺度斑块将逐渐缩减直至消失，而大尺度的斑块则持续增长。与此相反，非保守系统则表现出持续稳定的特征波长。从实际应用的角度讲，此类粗化动力学行为可以帮助指导并应用于生态修复设计之中。尽管自组织斑块策略有助于整体生态系统的有效修复，但是对于相分离机制的生态系统需要注意初始斑块的尺度大于特定阈值。目前，已有实验和理论研究表明自组织理论确实是一个非常有效的生态系统修复策略，但关于相分离的实验和理论研究依然处于发展初期。
人类活动或自然灾害导致的生态系统退化，通常是导致自然生境的破碎化。无论是物理系统还是生命系统，基于图灵理论的自组织系统被认为是生态系统高弹性的标志性优化结构。然而，该研究发现相分离系统中导致较小的破碎化斑块会永久丧失恢复能力，相反，较大斑块则以更快的速度恢复（图3）。因此，在生态系统修复中，考虑相分离的自组织机理过程，需要修复的单元生境足够大才能够更加快速地达到修复效果。
