Microbiomes and pathogen survival in crop residues, an ecotone between plant and soil
本文重点介绍了与残留物相关的微生物组在其他微生物栖息地的背景下，在谷物生产的农业生态系统，如叶际或根际。我们将残留微生物组与残留真菌植物病原体的生存联系起来，从而结合了微生物生态学和流行病学的知识，这两个学科仍然没有充分联系。我们提供了一个概述的残留物对谷物疾病流行病的影响，以及如何动态的相互作用的微生物群落的非掩埋残留物在其降解过程中，随着土壤和众多的非生物因子，可以有助于创新的疾病管理策略，包括下一代微生物群为基础的生物控制策略。从经典的，但仍然相关的观点，作物残留物作为病原体接种物的来源，我们首先考虑的可能性，限制土壤表面的残留物的量，以减少病原体的压力。然后，我们将残留物描述为一个短暂的半植物/半土壤室，构成一个关键的成熟的微生物生态系统：换句话说，一个生态交错区，值得特别关注。我们专注于微生物群落，这些群落随时间的变化以及影响它们的因素。最后，我们讨论了如何利用微生物群落和残留物上存在的病原体之间的相互作用：识别关键类群和有益组合，然后通过适应的农艺措施或合成群落的发展来保护这些类群，而不是引入单一的外源生防物种作为“治疗产品”。
2019-08-13 q-bio.PE
From scale-dependent feedbacks to long-range competition alone: a short review on pattern-forming mechanisms in arid ecosystems
在干旱和半干旱生态系统中，植被格局丰富，但它们是如何形成的仍不清楚。其中一个最广泛的理论是在植物与植物和植物与水的相互作用中存在尺度依赖反馈（SDF）。短距离主要是促进性的相互作用，而竞争性的相互作用在更大的尺度上占主导地位。这些反馈形成了水的空间不均匀分布，最终推动了植被模式的出现。即使存在的促进和竞争的相互作用是明确的，他们往往很难解开在外地，因此，他们在植被格局形成的相关性仍然是有争议的。在这里，我们回顾了生物过程，已被提出来解释干旱生态系统中的格局形成，以及它们是如何在数学模型中实现的。最后，我们讨论在不同的生物和物理系统中存在类似的结构。
2018-01-04 nlin.PS q-bio.PE
Integrating theory and experiments to link local mechanisms and ecosystem-level consequences of vegetation patterns in drylands
自组织的植被空间格局在旱地很常见，由于格局形状与水的供应相关，因此被认为是生态系统健康的重要指标。然而，模式出现的机制仍不清楚。一些理论假设，模式可能会导致从水介导的规模依赖反馈（SDF），有利于植物生长的相互作用占主导地位，在短距离和生长抑制的相互作用占主导地位，在长距离。然而，我们所知甚少的焦点植物的存在如何影响其邻居的适应性作为个体间距离的函数，这预计是高度依赖于生态系统。这种缺乏经验知识和系统依赖性的挑战SDF作为一个统一的理论植被格局形成的相关性。假设植物的相互作用总是抑制性的，只有它们的强度是尺度依赖的，替代理论也恢复了自然界中观察到的典型植被模式。重要的是，虽然这些替代假设导致视觉上难以区分的模式，但它们预测了对比鲜明的荒漠化动态，这对植被模式作为生态系统状态指标的潜在用途提出了质疑。为了帮助解决这个问题，我们首先回顾现有的理论植被自组织和相互矛盾的预测荒漠化动态。第二，我们讨论了潜在的经验测试，通过操纵实验，以确定模式形成机制，并将其与具体的荒漠化动态。对模型、它们打算捕捉的机制以及在实地对其进行测试的实验的全面看法，将有助于更好地理解模式是如何出现的，并改善对它们形成的生态系统命运的预测。
2022-10-18 cond-mat.stat-mech nlin.PS q-bio.PE
Effects of precipitation intermittency on vegetation patterns in semi-arid landscapes
植被格局是许多半干旱地区的一个特征。这些生态系统中的限制性资源是水，水通过短暂而强烈的降雨事件被添加到系统中，导致植物生长和种子传播等生物过程的脉冲。我们提出了一个基于Klausmeier反应-平流-扩散系统的脉冲模型，分析了降雨不稳定性对模式发生的影响，并通过模型扩展的数值模拟来增强我们的结果。我们的调查集中在参数区域，其中均匀和图案化的植被之间的过渡发生。结果表明，衰减型过程与低频率的降水脉冲抑制发病的模式和间歇性降雨制度下，空间均匀的解决方案是持续在较低的总降水量比连续降雨，如果植物物种不能有效地利用低土壤水分水平。与反应扩散模型的经典设置不同，模式不是由扩散驱动的不稳定性引起的，而是由降水脉冲和水扩散之间足够长的干旱期的组合引起的。我们的研究结果进一步表明，脉冲型种子传播的引入减弱了植物传播核的宽度和形状的变化对模式发生的影响。
2019-12-04 q-bio.PE
The effects of psammophilous plants on sand dune dynamics
沙生植物是一种特殊的植物，生长在流沙环境中。风对这些植物的影响主要有两种机制：（i）流沙暴露根和覆盖枝-暴露的根变成新的植物，被覆盖的枝变成新的根;这两种机制都导致沙丘的沙生植物覆盖物的生长速度加快;（ii）强风，通常伴随着沙的移动，撕裂树枝并在附近的地方播种，导致新的植物和沙丘的沙生植物覆盖物的增长率提高。尽管沙生植物在沙丘动力学中具有重要作用，但据我们所知，沙生植物从未被纳入沙丘的数学模型中。在这里，我们试图模拟这些植物对沙丘动态的影响。我们构造了一组三个常微分方程的分数的表面覆盖的常规植被，生物土壤结皮和沙生植物。后者在（i）特定的流沙或（ii）特定的风力下达到其最佳生长。我们表明，沙生植物丰富的沙丘动态。根据气候条件的不同，有可能获得一个、两个或三个稳定的沙丘状态。沙丘的活动可能与表面覆盖有关-裸露的沙丘是活动的，而有大量植被、生物土壤结皮或沙生植物覆盖的沙丘是固定的。我们的模型表明，在适当的降水率和风力，不同的覆盖类型的动态是符合共同的观点，沙丘最初是稳定的沙生植物，减少沙活动，从而提高了生长的经常植被，最终占主导地位的覆盖沙丘，并决定他们的活动。
2013-08-30 nlin.CD physics.bio-ph q-bio.PE
A new version of the CABLE land surface model, incorporating land-use change, woody vegetation demography and a novel optimisation-based approach to plant coordination of photosynthesis
CABLE是一个陆面模型，可以单独应用，也可以在澳大利亚共同体气候和地球系统模拟器内提供陆面-大气交换。我们描述了关键的新的发展，扩大适用性的CABLE区域和全球碳气候模拟，占植被响应生物物理和人为强迫。根据耦合模型相互比较项目-6（CMIP 6）的需要，实施了一个土地利用和土地覆盖变化模块，该模块由土地利用总变化和木材采伐面积驱动。新颖的方面包括治疗次生木本植被，这得益于土地利用模块和人口订单生理（POP）模块之间的紧密耦合木本人口和干扰介导的景观异质性。土地利用的过渡和收获与次生林瓦片修改每年解决补丁年龄分布内次生植被瓦片，反过来影响生物量的积累和周转率，因此次生林汇的大小。此外，我们实施了一种新的方法来约束建模的GPP符合协调假说，进化理论预测，这表明电子传输和Rubisco限制率调整季节性和跨生物群落是共同限制。我们发现，默认的先验假设-常见的电缆和其他LSMs -一个固定的比例的电子传输羧化能力是在与这个假设不一致，并实现一个替代算法动态优化这个比例，这样的协调是实现作为一个结果的健身最大化。结果有显着的影响，模拟CO2施肥对光合作用的影响的幅度相比，替代估计和观测代理。
2017-11-14 q-bio.PE
Quasi-steady uptake and bacterial community assembly in a mathematical model of soil-phosphorus mobility
我们数学模型的磷的吸收由一个植物和两个细菌群组成的土壤群落：互补营养和寡养。出现了四种平衡状态，一种是每个物种垄断资源并统治社区，另一种是所有物种共存。我们表明，动力学控制的化学吸附细菌死亡的比率允许振荡状态或准稳态摄取。我们展示了一个稳定的状态是如何出现的，土壤和植物养分含量对施肥量的增加没有反应。然而，额外的施肥支持共生体导致社区重组。我们的研究结果表明，在养分吸收实验中的时间序列测量的重要性。
2020-10-26 math.DS q-bio.PE
Minimal mechanisms for vegetation patterns in semiarid regions
在半干旱系统中形成规则植被格局的最低生态要求最近受到质疑。一般认为，结合促进和竞争的相互作用是必要的，最近的理论研究表明，在广泛的条件下，植物之间的非本地竞争可能会导致模式。在本文中，我们沿着这条线，提出了一系列的模型，产生的空间格局时，有限范围的竞争是唯一的驱动力。这种类型的模型从一个更详细的考虑水生物量动态的初步推导也提出。关键词：植被格局，非局部相互作用
2014-09-08 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.PE
Vegetation pattern formation in semiarid systems without facilitative mechanisms
据信，半干旱生态系统中有规律的植被格局产生于长距离竞争和在较小距离上起作用的促进过程之间的相互作用。我们表明，在相当一般的条件下，长期竞争本身可能就足以塑造这些模式。为此，我们提出了一个简单的，一般的植被动态模型，其中只包括植物之间的远程竞争。竞争是通过引入一个非局部项，其中的核函数量化的相互作用的强度。我们恢复的空间结构典型的植被模型，也占促进除了竞争的全谱。
2014-07-23 cond-mat.other nlin.PS physics.bio-ph
Contrasting dynamics of seed banks and standing vegetation of annuals and perennials along a rainfall gradient
土壤种子库是植物群落的重要组成部分。然而，对种子库的动态和随之而来的植被的长期分析是罕见的。在这里，我们研究了动态植物群落的一年生植物在地中海，半干旱和干旱生态系统的优势度高，连续九年。对于一年生植物，我们假设种子库的密度比现存草本植被的密度更稳定。此外，我们预测，种子库和植被之间的时间变异性的差异将增加与干旱，其中年与年的降雨量变化更高。我们发现，在人口水平的时间变异性（评估为对数转换密度的标准差）的9个主要的一年生植物在每个网站之间的种子库和随后的植被在任何网站没有不同。对于一年生植物的总密度，格局取决于干旱。在地中海的网站，时间的变化是相似的种子库和植被（0.40与0.40）。尽管如此，在半干旱和干旱的网站，种子库的变异性低于植被（0.49比1.01和0.63比1.38，分别）。一年生植物种群水平格局和总密度之间的这种差异可能与其种子库中较低的种群同步性有关。与此相反，多年生草本植物（所有物种相结合），种子库的变异性高于植被。总的来说，我们的研究结果突出了种子库的作用，在缓冲的年度植被密度增加气候不确定性典型的干旱梯度。在该区域气候变化造成的不确定性日益增加的情况下，这一作用至关重要。
2023-01-30 q-bio.PE
A general model for vegetation patterns including rhizome growth
植被格局是世界范围内观察到的一种自然现象，通常由空间分布的反馈驱动。然而，克隆植物的空间定殖机制，由根状茎的生长驱动，通常不考虑在原型模型。在这里，我们提出了一个一般方程的植被密度，包括所有主要的克隆生长功能，以及导致空间自组织的基本成分。这个通用模型再现了一个完整的详细模型的克隆生长的相图。讨论了模型各项与克隆生长机制的关系。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.PE
Fairy circle landscapes under the sea
短尺度的相互作用产生大尺度的植被格局，反过来，塑造跨景观的生态系统功能。仙女圈是指在连续的景观中没有植被的圆形斑块，是半干旱草原的典型特征。我们报告海底仙女圈海景海草草甸的发生，并提出了一个简单的模型，再现了在这些生态系统中观察到的海景的多样性，从植物的相互作用出现在草甸。这些海景包括两个极端的情况下，一个连续的草甸和一个裸露的景观，以及中间状态，范围从持续但孤立的仙女圈，或孤立的出现，海景与多个仙女圈，带状植被，和“豹皮”模式组成的裸露的海景模式组成的裸露的海景点缀着植物斑块。该模型预测，这些中间的海景延伸公里出现的结果，当地人口的不平衡，以及促进和竞争的相互作用的植物之间的特征空间尺度为20至30米，一致的海草性能的已知驱动程序。该模型可以扩展到其他景观中的克隆生长植物，显示仙女环，揭示了观察到的不同海景具有诊断能力，可以用于识别处于风险中的生态系统的海草草甸与灭绝点的接近程度。
2017-09-04 q-bio.PE
Intraspecific competition in models for vegetation patterns: decrease in resilience to aridity and facilitation of species coexistence
有图案的植被是许多旱地生态系统的一个特征。虽然在生态系统范围内的植物密度通常较低，空间自组织原理导致高生物量斑块和裸露土壤斑块交替发生。然而，在植被格局的数学模型中，种内竞争动态通常被忽略，而不是在长空间尺度上对水分的竞争。在这一章中，我解决了当地种内竞争带状植被格局的建模框架的影响。首先，我表明，在一个单一物种模型的背景下，忽略本地种内竞争导致高估的模式化生态系统的弹性增加干旱。其次，在一个多物种模型的背景下，我认为，当地种内竞争是一个关键因素，在成功捕获的物种共存的模型解决方案代表的植被模式。对于这两个模型，详细的分歧分析，分析的开始，存在性和稳定性的模式。除了局部种内竞争的优势外，两个物种之间的差异也对分支结构产生了重大影响，为复杂生态系统动态提供了重要见解。本章中对未来生态系统动态的预测，特别是对模式启动和模式稳定性的预测，可以帮助保护计划的制定。
2020-05-02 q-bio.PE
Metastability as a coexistence mechanism in a model for dryland vegetation patterns
植被格局是缺水生态系统的普遍特征。尽管对同一有限资源的竞争，几种植物的共存是常见的。本文在单种群Klausmeier模型的基础上提出了一个双种群反应扩散模型，分析研究了两种群共存状态的存在性。从理论上讲，该研究发现，如果植物物种的平均适合度存在微小差异，则支持共存，该平均适合度是通过物种将水转化为新生物量的能力与其死亡率的比率来衡量的。在数学上，共存不是系统的稳定解，但空间均匀和模式化共存状态都是亚稳态。在这种情况下，一个亚稳态的解决方案，其中两个物种共存对应于一个长期的瞬态（超过$10^3$年的尺寸参数）到一个稳定的单物种状态。这种行为的特点是小尺寸的正特征值具有相同的数量级的两个物种之间的平均健身差异。两种机制导致亚稳态解决方案的发生建立：一个空间一致的不稳定平衡和一个稳定的单物种模式，这是不稳定的竞争对手的引入。我们进一步讨论了不对称种间竞争（如阴影）的亚稳态性能的影响。
2019-11-25 q-bio.PE
Squash root microbiome transplants and metagenomic inspection for in situ arid adaptations
干旱地带含有能够在干旱条件下生存的各种微生物，其中一些可以在干旱胁迫条件下与植物形成关系，以改善植物健康。以西葫芦（Cucurbita pepo L.）根微生物组在历史上干旱和潮湿的网站，无论是在原位和执行一个共同的花园实验。植物生长在不同干旱程度的土壤中，使用原位收集的土壤作为微生物来源。我们通过16 S rRNA基因测序（N=48）从土壤，根际和内圈的细菌多样性进行了描述和分析。变形菌门是最丰富的门存在于潮湿和干旱的样品，而放线菌丰度较高，在干旱的。β-多样性分析表明，干旱和潮湿的微生物之间的微生物组分裂，干旱和土壤pH值可以解释它。这些差异之间的潮湿和干旱的微生物组保持在普通花园实验，这表明它是可能的原位移植到温室的多样性。我们共检测到1009个细菌属，199只与干旱条件下的根。通过根际的鸟枪宏基因组测序（N=6），我们在南瓜核心宏基因组中鉴定了2969个蛋白质家族，并且发现来自干旱样品（924）的专有蛋白质家族的数量比潮湿样品（158）增加。我们发现干旱条件下丰富的基因参与蛋白质降解和折叠，氧化应激，相容性溶质的合成，离子泵与渗透调节。植物表型使我们能够将细菌群落与植物生长相关联。我们的研究表明，有可能在历史干旱地区评估微生物组的异地多样性，并确定参与植物-微生物相互作用的关键物种和基因。
2021-09-15 q-bio.GN q-bio.PE
Plant species accumulation curves are determined by evenness and spatial aggregation in drylands worldwide
物种累积曲线（SAC）是一种反映群落物种丰富度与取样单位数之间关系的曲线，可以用来描述物种多样性格局，同时也可以解释物种丰富度的尺度依赖性。尽管它们有价值，但在植物群落中，特别是在旱地中，几乎没有对土壤-的功能形式和参数及其决定因素进行过调查。通过比较主要函数（幂律函数、对数函数和米氏函数）的拟合程度，对六大洲233个旱地生态系统多年生植物群落的SAC进行了表征。我们测试了理论预测，干旱和土壤pH值对SAC的影响是介导的植被属性，如均匀度，覆盖度和空间聚集。结果发现，对数关系是最常见的函数形式，其次是米氏关系和幂律关系。功能形式主要由均匀度决定，而SAC参数（截距和斜率）在很大程度上由空间聚集决定。此外，干旱降低小尺度丰富度（SAC的截距），但不影响积累速率（SAC的斜率）。我们的研究结果突出的作用，如空间聚集和均匀度的属性发挥的主要介质的SAC的植被在旱地，地球上最大的生物群落。
2018-02-26 q-bio.PE
Effect of Non-local Grazing on Dry-land Vegetation Dynamics
由于土地退化和生物生产力丧失的威胁日益严重，旱地生态系统已成为一个令人严重关切的问题。自组织的植被模式是这些生态系统的一个显着特点，除了在视觉上迷人，模式调节系统的反应，以增加环境压力。经验研究表明，草食动物是模式形成和整体生态系统功能背后的关键调节机制之一。然而，大多数数学模型都采取了平均场策略放牧，觅食一直被认为是独立的空间分布的植被。为此，Klausmeier著名的植物-水模型的扩展版本已被作为这里的基础。为了涵盖异质植被分布对觅食强度和随后对整个生态系统的影响，放牧被认为取决于空间加权平均植被密度，而不是在一个特定的点的密度。此外，通过选择合适的平均函数，将任何位置的植被对其他地方的凝视的不同影响纳入其中。一个全面的分析表明，包括空间非局部性，改变了系统动力学的理解显着。放牧生态系统被认为是更有弹性的增加干旱比它是在非本地放牧的早期研究预期。系统响应不断上升的环境压力也观察到不同的食草动物。所得结果还表明，由于系统响应的历史依赖性，多稳定性的可能性。总体而言，这项工作表明，放牧强度的空间异质性在水有限的生态系统的功能发挥了决定性的作用。
2022-09-24 math.DS nlin.PS q-bio.PE
Life in a tight spot: Coupled dynamics of bacteria and soil across scales
Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology（加州理工学院化学与化学工程系）
研究土壤中细菌与土壤跨尺度耦合动力学，因土壤特性及细菌与环境双向反馈使理解困难，通过综述探讨其在单孔隙、多孔隙中尺度和更广阔区域三个尺度上对细菌运动、生长和感知物理过程的支配作用。
2026-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.geo-ph
Demographic noise and resilience in a semi-arid ecosystem model
干旱地区缺水的特点迫使植被采取适当的生存战略。其中一些产生水-植被反馈机制，可以导致植被的空间自组织，因为它已被证明与代表植物的生物量密度的模型，在时间和空间上不断变化。然而，尽管植物通常是相当可塑的，但它们也表现出离散的品质和随机的行为。这些特征可能会引起人口噪音，在某些情况下，可能会影响生态系统模型的定性动态。在目前的工作中，我们探讨了人口噪声的影响模型半干旱生态系统的弹性。我们介绍了一个空间随机生态水文混合模型，其中植物被建模为离散实体随机动力学规则，而地表水和土壤水的动态描述的连续变量。该模型有一个确定性的近似非常类似于以前的干旱和半干旱生态系统的连续模型。通过数值模拟，我们表明，人口统计噪声可以对系统的灭绝和恢复动力学的重要影响。特别是，我们发现，在广泛的条件下，相应的确定性近似预测吸收到沙漠状态的随机模型逃脱灭绝。
2013-04-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Spatial self-organisation enables species coexistence in a model for savanna ecosystems
热带稀树草原生物群落的特点是由草本和木本植物组成的连续植被覆盖。在干旱的热带稀树草原上，水的供应是植物生长的主要限制资源，物种的共存提供了一个明显的矛盾的竞争排斥的经典原则。以前的理论工作，使用非空间模型的重点是通过考虑资源生态位分离和生态系统干扰的共存机制的理解的发展。在本文中，我们提出了一个空间自组织原则，当地植被生长和水分再分配之间的正反馈，是足够的物种共存的稀树草原生态系统。基于Klausmeier反应-对流-扩散植被模式，提出了一个时空生态水文偏微分方程模型，研究了斜坡地形上物种共存的空间相互作用效应.我们的研究结果表明，物种共存是一个可能的模型的结果，如果保持平衡之间的物种的平均健身（一个物种的竞争能力，在空间均匀的设置）和他们的殖民能力。资源可用性的空间异质性被优越的殖民者（草）利用，然后被平均适应度更高的物种（树木）竞争。空间不均匀共存的解决方案的稳定性分析进一步表明，草作为生态系统工程师，促进形成一个连续的树木覆盖的降水水平无法支持一个统一的树木密度在没有草种。
2019-11-25 q-bio.PE
