植物密度调控下海岸前丘形成起点的生态地貌反馈机制研究

《Frontiers in Ecology and Evolution》：The onset of coastal foredune formation at variable levels of ecological complexity

这篇研究通过风洞实验和野外验证，系统探讨了美洲滨草（Ammophila breviligulata）在不同植株密度下对沙丘雏形（nebkha）形成的影响。研究发现，叶片数量和生物量是预测沙丘体积和表面积的关键形态指标，而野外条件下茎秆密度与沙丘形态呈显著正相关。植被通过根系和菌根网络增强沉积物稳定性，使沙丘坡度突破理论休止角，凸显了生物-非生物相互作用在海岸沙丘地貌演化中的核心作用。该研究为海岸带生态修复和自然解决方案（NNBF）提供了量化依据。

　　

海岸沙丘是陆地与海洋交界处的自然地貌特征，对海平面上升和气候变化高度敏感。前丘作为抵御风暴的第一道防线，其形态演化受到生物与非生物因素复杂的相互作用影响。本研究聚焦沙丘形成的初始阶段——nebkha（植被周围形成的风积沙丘）的形成机制，通过控制风洞实验和野外观测相结合的方法，探究植物密度如何影响美洲滨草（Ammophila breviligulata）构建的nebkha形态。

风洞实验中，研究人员设置了低（1株）、中（5株）、高（9株）三种植株密度处理，在恒定风速（8.25 m/s）和沉积物供应条件下进行30分钟实验。通过三维激光扫描获取nebkha的数字高程模型（DEM），量化其体积、表面积、高度和形状参数。结果显示，高密度处理组的nebkha表面积和体积显著大于低密度组，且叶片数量和地上生物量是比茎秆密度更强的预测指标。例如，nebkha体积与总生物量呈显著正相关（R²= 0.69, p = 0.0003），而茎秆密度解释的变异度较低。nebkha高度主要受体积驱动（R²= 0.49），与植物形态参数关系较弱。形状方面，所有处理组均形成椭球形nebkha，偏心度（长宽比）无显著差异，但高密度组nebkha的峰值更常出现在植株丛内部，反映密集植被对风沙沉积的重新分配作用。

野外研究在弗吉尼亚州霍格岛（Hog Island）进行，通过无人机航拍和结构光运动（SfM）技术获取39个天然nebkha的形态数据。茎秆数量（3-30株）与nebkha高度（R²= 0.71）、体积（R²= 0.57）和坡度（R²= 0.54）均呈强正相关。值得注意的是，约1/3的野外nebkha坡度超过中细砂理论休止角（34°），最高达51.3°，表明植被通过根系和丛枝菌根真菌（AMF）的物理缠绕作用显著增强沉积物稳定性。与风洞中形成的带尾迹的椭球形nebkha不同，野外nebkha多呈圆形且无尾迹，说明自然条件下尾迹可能因多风向作用或侵蚀而消失，凸显了野外验证对实验室结果解读的重要性。

植物形态参数间存在显著的全相关性（allometric scaling），其中茎数与叶数相关性最强（Spearman’s ? = 0.90）。这种全关系使得茎秆密度可作为野外便捷测量的代理指标，用于推演生物量等难以直接获取的参数。研究还发现，随着密度增加，nebkha形态变异性升高，提示在高密度条件下生态地貌反馈可能呈现非线性特征。

本研究揭示了植物形态密度参数通过调控沉积-植被反馈影响沙丘起塑过程的具体机制，为海岸带管理中的植被配置策略提供了理论依据。未来模型需整合叶片数量、生物量等关键形态参数，或利用全关系简化参数获取，以提升对海岸沙丘演化预测的准确性。