生态系统是复杂的动态平衡系统。一方面，植物个体一直处在生长变化中，个体间差异巨大，且邻近个体间具有复杂的相互作用（主要表现为资源竞争）；另一方面，由大量个体组成的植物群落一般具有稳定的结构特征（如林冠高度分布、分层结构等）。如何准确刻画生态系统不同尺度的结构特征及其演变是生态学研究的核心问题之一，也是生态理论模型乃至地球系统模式建模的难点。中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心研究员曾晓东、副研究员宋翔和博士高小斐，从生态系统个体特征演变的基本方程出发，建立了包含足够数量的个体并可显式描述植物个体间资源竞争的生态动力学模型。为了探讨植物资源竞争与群体结构特性的一般性规律，该工作根据资源竞争的数学表达特性，抽象出两种极端竞争形式（完全非对称性和完全对称性），分别设计数值模拟试验，分析研究了不同竞争形式、不同群体竞争度下个体资源分配及群体结构特征的共性特征和本质差异。结果表明，两种极端竞争形式下生态系统的空间分布特征（图1）及群体结构（图2）具有显著差异，且与经典竞争排除原理不同。该研究提出了探索植被群体结构随竞争变化的理论框架，可为生态系统复杂资源竞争研究奠定重要的数学理论基础，并应用于地球系统模式的陆表过程模式及植被动力学模式的多尺度建模框架设计，使其能更好地刻画生态系统不同尺度的结构特征及其演变。相关研究成果发表在《科学通报》上。研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院前沿科学重点研究计划、国家自然科学基金面上项目、国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”的支持。论文链接图1. 模拟的生态系统顶层冠层高度的空间分布（局部）。横纵坐标为模型网格（网格距25cm），不同颜色表示不同高度（单位：m）。其中（a）完全非对称性竞争试验具有相对较多的高大个体，且不同个体间高度差异较大；而（b）完全对称性竞争试验中个体间高度差异相对较小，但冠层间重叠度更大。图2. （a）完全非对称性竞争试验组和（b）完全对称性竞争试验组模拟的植被覆盖区域顶层冠层覆盖度（CAI）随冠层高度（H）的变化。不同曲线对应不同竞争度（由萌发率控制）。两种竞争形式下群体结构的显著差异，而随着竞争度降低逐渐趋同于无竞争试验结果（图中红色曲线）。