研究人员首次在中国旱区发现“精灵圈”
近日，中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞院士团队联合兰州大学、甘肃农业大学等高校及研究机构，首次在我国北方旱区记录并确认了“精灵圈”现象，并创新性地引入统计物理中的相变理论，揭示了其形成机制。相关成果于美国当地时间11月11日在线发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊》。
据介绍，在非洲纳米比亚和澳大利亚的干旱大地上，植被常排列成一个个神奇的空心圆环。圆圈周围的野草生长茂盛，但圈内却是植被难生，这种现象被称为“精灵圈”。此前，国内关于“精灵圈”的研究多集中于滨海盐沼湿地地带，而在中国干旱半干旱区，它的存在尚未被证实。
图为研究团队在内蒙古自治区阿拉善左旗附近拍摄的“精灵圈”现象。
研究团队沿着中国北方沙地和沙漠边缘的降水变化梯度，用无人机拍摄高分辨率影像，并结合野外实地调查，在灌丛和草地交界的地方，发现了这种由空心灌木环围成的图案。
论文第一作者、中国科学院地理科学与资源研究所博士孙靖尧介绍，“这是首次在中国旱区记录到‘精灵圈’现象。更关键的是，我们还弄清了它是怎么来的。”传统观点往往将这种现象归因于白蚁等昆虫活动或单一的水分反馈，而这项新研究将相变理论引入生态学，提出“精灵圈”其实是生态系统处于临界状态时的一种必然反应。
孙靖尧告诉记者，相变是物质从一种相转变为另一种相的过程，是普遍存在于自然界中的一类突变现象。相变理论是研究物质相变现象及其临界行为的物理理论。
“我们用模型演绎证明，‘精灵圈’是灌草在剧烈的资源竞争中达成的一种空间分割的‘亚稳态’。”孙靖尧解释说，当降水增加、草本竞争加剧时，灌木斑块中心因缺水空心化，而空心环恰好能汇聚水分维持灌木存活。这种极其脆弱的共存，在相变理论中被称作一级相变临界点附近的“亚稳态构型”。
图为面对风沙干扰，植被形成斑块扩张并加速崩溃的“边界现象”。
借助相变理论，研究人员不仅能解释“精灵圈”现象，而且能推演可能发生在沙漠边缘的生态危机。甘肃农业大学博士王艳莉表示，通过区分不同类型的突变，如降水变化下植被景观的“断崖式”突变，以及风沙侵扰下植被盖度的加速崩塌，可为沙漠边缘的生态预警提供新标尺。
论文通讯作者、中国科学院地理科学与资源研究所研究员余开亮表示，过去，“精灵圈”、斑块扩张等现象往往被当作孤立的地理奇观或个案来分别研究。此研究用物理规则将它们串联，证明看似不同的生态突变，都是同一底层组织逻辑在不同临界条件下的产物，也为预测生态系统崩溃前的空间异常信号提供了可推演、可检验的分析工具。