Phase-separation physics underlies new theory for the resilience of patchy ecosystems

生态系统 非生物成分 生态学 空间生态学 弹性(材料科学) 环境科学 生物 物理 热力学
作者
Koen Siteur,Quan‐Xing Liu,Vivi Rottschäfer,Tjisse van der Heide,Max Rietkerk,Arjen Doelman,Christoffer Boström,Johan van de Koppel
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (2) 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2202683120
摘要

Spatial self-organization of ecosystems into large-scale (from micron to meters) patterns is an important phenomenon in ecology, enabling organisms to cope with harsh environmental conditions and buffering ecosystem degradation. Scale-dependent feedbacks provide the predominant conceptual framework for self-organized spatial patterns, explaining regular patterns observed in, e.g., arid ecosystems or mussel beds. Here, we highlight an alternative mechanism for self-organized patterns, based on the aggregation of a biotic or abiotic species, such as herbivores, sediment, or nutrients. Using a generalized mathematical model, we demonstrate that ecosystems with aggregation-driven patterns have fundamentally different dynamics and resilience properties than ecosystems with patterns that formed through scale-dependent feedbacks. Building on the physics theory for phase-separation dynamics, we show that patchy ecosystems with aggregation patterns are more vulnerable than systems with patterns formed through scale-dependent feedbacks, especially at small spatial scales. This is because local disturbances can trigger large-scale redistribution of resources, amplifying local degradation. Finally, we show that insights from physics, by providing mechanistic understanding of the initiation of aggregation patterns and their tendency to coarsen, provide a new indicator framework to signal proximity to ecological tipping points and subsequent ecosystem degradation for this class of patchy ecosystems.

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