土地生态系统的复杂性研究

运用复杂科学理论,阐述了土地生态系统的复杂性特征,包括多层次性,高维性,子系统关联的复杂性,结构与功能的不确定性,开放性,动态性,自适应性和自组织性等复杂性特征,并进一步探讨了分形,混沌及人工神经网络在土地生态系统复杂性特征研究中的应用。     

生态系统服务研究：进展、局限和基本范式

 生态系统服务是生态学研究的热点问题。该文首先从概念、分类、价值评估理论、评估案例等方面总结了目前国内外生态系统服务的研究现状。然后评述了目前生态系统服务研究存在的局限性,包括：评估结果的准确性问题、生态资产与生态系统服务的混淆、物理量评估方法的不确定性、价值量评估的不确定性以及生态系统功能与服务的复杂性。针对这些研究的局限,文章提出了生态系统服务研究的基本范式,包括：严格区分生态资产和生态系统服务、生态系统服务评估必须基于生态观测或生态模型以及区域生态系统服务评估应区分不同样元。最后,文章展望了今后生态系统服务研究的课题：生态系统服务与生态系统结构及生态过程的关联性和复杂关系的研究,人类干扰下生态系统服务的响应与反馈研究,生态系统服务变化对人类福利的影响研究,政策机制对生态系统服务的影响研究以及不同生态系统类型的各种生态服务价值研究等方面。     

利用“复杂性”解说经济生态发展模式

前言在研究生态经济问题时,常常感到理论上的虚弱,不能从理论上解说生态经济这一庞大、复杂的综合体是如何由生态、经济的相互作用衍变而成的。在生态和经济的复杂性的尺度上我们能把握多少?我们对于生态、经济关系能否及时调控和调控到什么程度?等等,如能从理论上给这些问题作出说明,相信会对生态经济理论及实践都有裨益。为此,我们对生态经济系统作了简化,只讨论了工业增长、农业增长和环境质量三者间的相互作用并用微分方程组表述,试定量说明生态系统、经济系统的复合系统的复杂性和发展。生态系统的复杂性自牛顿建立牛顿力学以来,尽管经典物理     

整体大于部分之和: 生态自组织斑图及其涌现属性

近30年来, 自组织理论已经发展成为解释生态系统呈现规则空间格局的有效理论。伴随着生态系统自发有序空间格局的生成, 自组织过程产生一系列的涌现属性, 这些特征对生态系统功能至关重要。在此, 我们将介绍这一正蓬勃发展的研究领域的主要理论进展。首先, 叙述了自组织这一概念的发展历程与定义, 详细阐述了自组织理论的两个经典理论框架: 图灵原理与相分离原理。然后, 根据几个典型的生态自组织研究案例, 描述了图灵原理与相分离原理在不同生态系统中的具体数学模型表达形式。接着, 分别阐述了图灵原理的涌现属性对生态系统功能以及相分离原理的涌现属性对细胞功能的作用。最后, 从多尺度自组织斑图、瞬态斑图和生物个体行为自组织3个方面对未来生态自组织理论发展方向进行了探讨。自组织研究在生态学与生物学研究中方兴未艾, 希望更多的学者在未来关注与参与该领域的发展。     

外来植物入侵对土壤生物多样性和生态系统过程的影响

随着科学家对生态系统地下部分的重视,评价外来植物入侵对土壤生态系统的影响成为当前入侵生态学领域的研究热点之一。本文综述了外来植物入侵对土壤微生物、土壤动物以及土壤碳、氮循环动态影响的研究,并探讨了其影响机制。已有的研究表明,植物入侵对土壤生物多样性及相关生态系统过程的影响均存在不一致的格局,影响机制也是复杂多样的。外来植物与土著植物凋落物的质与量、根系特征、物候等多种生理生态特性的差异可能是形成格局多样性和影响机制复杂性的最主要原因。今后,加强多尺度和多生态系统的比较研究、机制性研究、生物多样性和生态系统过程的整合性研究及土壤生态系统对植物入侵的反馈研究是评价外来植物入侵对土壤生态系统影响的发展趋势。     

基于要素-结构-功能的生态功能分区——以大理白族自治州为例

生态功能分区综合反映了区域自然生态功能的特征差异,是自然资源开发和生态环境保护空间差异化管治的重要依据。针对以往生态功能分区分析框架复杂多样、权重设定人为主观等问题,本文以云南省大理白族自治州为例,基于要素-结构-功能系统分析框架,从基底要素-干扰结构-主导服务三方面构建指标体系,运用自组织特征映射(SOFM)神经网络依次进行流域主导生态系统服务分区、基底要素分区、干扰结构分区和生态功能综合分区,最终将大理州划分为4个生态功能区和10个生态功能亚区。不同要素分区对比结果表明,大理州生态功能综合分区主要受主导生态系统服务制约,二者重叠率达79.98%。本研究基于要素-结构-功能分析框架,系统刻画了区域生态系统结构与功能特征及其空间差异,为生态功能分区提供了新的方法指引。     

社会-生态系统:研究态势、主题演进与地域实践

社会-生态系统综合了人类社会治理与自然环境利用研究视角,为解决全球生态问题提供新途径,是人地系统研究的热点。梳理和归纳社会-生态系统研究的发展历程和近今态势,总结前沿议题和地域实践,对人地系统耦合研究和可持续发展具有重要意义。主要发现如下：社会-生态系统研究领域整体发文量较少,发展阶段受国际重要研究计划和组织的直接影响;欧洲、北美洲和澳大利亚的高校、研究所和政府机构是领域内的主要研究力量,核心作者间合作紧密;我国社会-生态系统研究受资助力度逐年增加,研究内容不断深入,但在国际相关学术话语体系构建和关键作用发挥上仍有较大提升空间。社会-生态系统具有复杂性、地域性和动态性等特点,研究内容涵盖自然生态系统、气候变化、土地利用、社会治理与管理政策等主题,是综合了环境科学、生态学、地理学等自然科学与经济学、政治学和社会学等社会科学的多学科交叉领域;以脆弱性和韧性研究为起点,社会-生态系统研究的发展受到诸多人地关系研究工作的启发和推动,Olsson的动态连接分析、Redman的社会模式与过程和生态格局与过程、Ostrom的公共资源治理是目前影响较广的三个社会-生态系统研究框架。扰沌为解释社会-生态系统快速与慢速交互作用、局部与全球适应性变化提供理论基础,干扰响应机制、系统自组织过程、学习与适应性治理成为社会-生态系统研究核心。海岸带、干旱区和城市等生态环境与社会环境敏感区是社会-生态系统研究最受关注的地域。未来的工作应注重结合我国广泛的地域实践,推动社会-生态系统的理论与方法体系的完善。相关发现为社会-生态系统领域凝炼研究方向和深化科学问题提供了参考。     

生态系统管理的多目标体系和方法

20世纪90年代以来,人们开始采用“生态系统管理”这种基于生态系统原理的综合方法管理自然资源和生态环境,促进人类与自然的和谐发展。然而,生态系统自身的复杂性、动态性及不确定性特点使得“生态系统管理”难以形成明确的定义和方法体系,系统的多重尺度和目标也增加了管理的难度。近20年兴起的系统工程主要针对大规模复杂系统进行研究,实现系统的总体优化。多目标决策和决策支持系统是系统工程的常用技术方法,生态系统管理是“基于目标”的管理模式。本文概述了生态系统管理的概念和要素,从构建管理体系的角度着重阐述了生态系统管理目标体系的结构、构建过程及目标间的相互关系,针对生态系统的复杂特性探讨了多目标决策方法和决策支持系统在生态系统管理中的应用,以期能够对形成具有普遍意义和实际操作性的生态系统管理方法体系起到借鉴作用。     

基于生态系统服务簇的内蒙古自治区生态功能分区

生态功能分区是生态系统管理的重要环节,有助于维持生态可持续性.目前生态功能分区的框架复杂多样,但对多重生态系统服务之间关系的理解还不够深刻.生态系统服务簇可以识别多重生态系统服务间的交互作用,并依据簇的特征对区域进行生态功能分区,从而更好地进行社会-生态系统管理.本文以内蒙古自治区为例,定量评估了供给服务、调节服务和支持服务,以旗县(区)为基本空间单元,运用自组织特征映射网络(SOFM)得到生态系统服务簇、划分生态功能区.结果表明: 研究区各项生态系统服务分布整体上呈现从东北向西南递减的格局;供给服务和调节服务存在权衡关系,支持服务和调节服务存在协同关系;依据聚类结果将内蒙古自治区划分为4个生态功能区,分别为西部荒漠生态脆弱区、中部草原水土保持区、东部草原牧业盈余区、东部森林生态均衡区.本研究基于生态系统服务簇的概念,分析了内蒙古自治区多重生态系统服务的权衡与协同关系,为生态功能分区提供了新的视角和方法.     

森林-农业景观格局变化的社会-生态系统模拟模型方法进展

社会-生态系统（SES）模拟模型是景观格局分析和决策的有效工具,能表征景观格局变化的社会-生态效应及景观决策的复杂反馈机制。文献综述了森林-农业景观格局的SES模型方法进展发现：（1）多数模型对景观过程与社会经济决策的反馈关系分析不足;（2）应集成多种情景模拟和景观效应分析方法,完善现有SES模型的理论方法基础;（3）通过集成格局优化模型和自主体模型会有效改进SES模型功能,具体途径包括：集成情景-生态效应的景观格局模拟方法、完善景观决策的理论基础、加强集成模型的不确定性分析、降低模型复杂性和综合定性-定量数据等。研究结果有助于理解多尺度森林-农业景观格局在社会-生态系统中的重要作用,能更好地支持跨学科集成模型开发与应用。     

奥德姆的生态思想是整体论吗?

奥德姆的生态思想是妥协的整体论,有还原论的一面。把生态系统看作是功能性整体、承认生态系统各层次的涌现属性属于整体论,把生态关系简化为能量关系、把生态系统看作是物理系统的分析方法则是还原论的。这种矛盾的生态思想决定了其方法论的先天不足:生态模型的内在逻辑关系没有理顺;较少考虑生态系统的进化;生态研究方法的排它性等。但是,它并不妨碍奥德姆的生态思想在夯实生态学的本体论基础、促进理论生态学和生态工程学的形成、协调生态整体论与还原论分歧、奠定生态系统服务功能研究基础等方面发挥重要作用。要超越生态整体论与还原论,繁荣发展生态复杂性理论也许是最好的选择。     

我国生态系统生态阈值研究基础

生态系统中广泛存在非线性变化,表现为系统状态随着压力的逐渐增加而发生骤然转变。为解释这种变化,国外生态学家提出了生态阈值和稳态转换的概念,不断完善理论和方法体系,开展机理和案例研究,深化对复杂系统演化机制的理解,并开始应用于环境管理。在我国,近几十年来在各类生态系统中开展了大量关于压力-响应的定量化研究,取得了丰富成果。这些研究在本质上与生态阈值和稳态转换理论范式紧密关联。本文以“中国生态阈值和稳态转换案例数据库”为基础,按照河流、湖泊、湿地、森林、草地、河口与海洋、农田、荒漠、城市、冻原10种生态系统类型,筛选归纳了相关生态阈值,并阐释了稳态转换机理。将研究案例与生态阈值、稳态转换理论范式进行衔接,目的是整合多领域研究成果,作为生态系统复杂性研究的基础,推动其在生态环境监测、生态安全预警以及生态标准创新发展领域中的应用。     

生态安全格局研究的主要内容与进展

生态安全格局是我国国土空间开发战略格局的重要组成部分。区域生态安全格局的有效构建及维护不仅有利于生态系统结构与功能的完整、生物多样性保护、生态系统服务的维持,还将提升人类福祉,实现可持续发展,最终保障区域生态安全。生态安全的复杂性及学科交叉性,使已有研究涉及内容多样,但缺少相互联系与比较,导致不同区域、不同方法研究条件下存在多种格局。因此,有必要系统地分析与梳理,以便进行综合分析与集成,实施生态安全格局调控管理与决策。参考国内外生态安全格局的主要研究成果,在此基础上阐述了生态安全格局研究需要重点关注的内容及之间的相互关系,在考虑"格局形成、演变机制-影响-关键区识别-构建优化-调控管理"的关系基础上,论述了具体的研究内容与相关研究方法。通过加强生态安全主要研究内容间相互关系及机理研究,评估与预警方法模型的改进与优化,协调发展的调控技术与保障政策的研发,为生态安全格局管理的决策支持系统提供重要支撑。     

河道生态系统特征及其自净化能力研究现状与发展

河道生态系统包括河道水体和河岸带两大部分,具有净化水体、降低污染物浓度的功能.研究河道生态系统的自净化能力对河道生态系统的健康评价及水环境管理具有重要的意义.目前该领域的研究主要侧重于两个方面:一方面是运用水质模型的方法模拟评价河道水体的自净化能力,另一方面则是研究河岸植被缓冲带对净化水体的作用.系统总结了目前研究的特点与不足,指出了今后应该重视的研究领域,主要包括:(1)应加强研究陆地生态系统空间异质性对河道自净化能力的影响研究;(2)需要系统解剖河道剖面形态结构与空间布局对河道水质自净化能力的影响;(3)重视面向外部复杂环境的参数获取方法的研究;(4)综合河岸生态系统与河道水体生态系统,系统研究非点源污染在陆-水迁移和水体运移中河道生态系统自净化能力的时空变化特征,从而为开展河道生态系统健康评价,河道生态系统管理提供科学的依据.     

生态系统服务与自然资本价值评估

生态系统服务是生态系统提供的商品和服务,是人类生态和发展的物质基础和基本条件,是人类拥有的关键自然资本。概述了生态系统服务的内涵及类型,介绍了当前国内外有关生态系统服务及自然资本的价值理论、价值评估的各种方法及其类型;评述了研究的主要进展,存在的主要问题、难点和研究的主要趋向。认为生态系统服务及自然资本的价值评估研究是建立生态－环境－经济综合核算体系（可持续发展核算体系）的重要内容和关键环节,完善价值评估的理论与经济技术方法是生态系统服务价值评估研究亟待解决的问题。     

西南生态安全格局形成机制及演变机理

我国西南地区地形地貌复杂,生态系统多样,生物多样性丰富,是研究地表复杂过程与生态系统演变规律的关键区域,也是我国重要的生态屏障区。但是同时该区域环境复杂、生态脆弱、灾害严重,在全球气候变化背景下,人类活动和经济发展导致该区域的生态环境问题比较突出,同时区域的社会经济发展地域分异大。突出表现在区域生态系统服务功能受损,区域生态安全水平降低。如何维护区域生态安全具有重要意义。针对生态安全问题,我国已开展生态区划、生态功能区划和生态红线等工作,但在生态安全格局的形成机制、与生态系统服务耦合关系、人类活动和气候变化对生态安全格局影响及其适应、区域社会经济可持续发展等方面需要加强深入研究,在我国西南地区的开展研究西南生态安全格局形成机制及演变机理具有典型性、代表性与紧迫性。     

固氮类植物在陆地生态系统中的作用研究进展

固氮类植物是陆地生态系统中的一个重要功能群,它们广泛存在于陆地生态系统中,是陆地生态系统最重要的氮源,大量研究表明,固氮类植物在陆地生态系统中的生态功能表现出明显的复杂性和多样性,对于生态过程有很强的主导性和控制性.通过与固氮微生物形成不同的共生固氮类型,它们可以改善土壤结构和营养组成以及地表微生境,直接影响碳氮磷循环、种子萌发和植株生长、植被演替、凋落物构成及其分解4个关键生态过程,进而提高群落结构复杂性、生物多样性和初级生产力,促进植被恢复和减少水土流失.未来研究中,应该加强对陆地生态系统固氮过程的定量化分析,确定影响共生固氮的主导因子和生态机制从而为陆地系统的生态恢复提供依据.     

陆地生态系统碳平衡主要研究方法评述

陆地生态系统碳平衡是全球变化科学中的核心问题之一,目前也是生态科学中的前沿与热点问题,而陆地生态系统的复杂性与不确定性决定了对陆地生态系统碳平衡估测的复杂性和不确定性。为研究这一复杂性问题,已发展了许多研究方法。可分为“自下而上”与“自上而下”两种,各种方法都有其自身的优势和劣势。相关方向也已经有了大量的研究报道,但是,不同的研究由于在方法、时间与空间尺度等存在的差异,使得许多研究结果和预测很难被有效的整合或适用于大范围甚至全球水平。综述了陆地碳平衡的主要研究方法,分析和比较了各方法的特点,指出在研究中对不同方法的结果进行分析和比较,以及采用综合方法的必要性。     

退化生态系统恢复与恢复生态学

恢复生态学起源于100a前的山地、草原、森林和野生生物等自然资源的管理研究,形成于20世纪80年代。它是研究生态整合性的恢复和管理过程的科学。恢复生态学的研究对象是在自然或人为干扰下形成的偏离自然状态的退化生态系统。生态恢复的目标包括恢复退化生态系统的结构、功能、动态和服务功能,其长期目标是通过恢复与保护相结合,实现生态系统的可持续发展。恢复生态学的理论与方法较多,它们均源于生态学等相关学科,但自我设计和人为设计是唯一源于恢复生态学研究和实践的理论。由于生态系统的复杂性,退化生态系统恢复的方向和时间具有不确定性,其恢复的机理可用临界阈值理论和状态跃迁模型进行解释。中国森林恢复中存在的问题包括：大量营造种类和结构单一的人工林忽视了生物多样性在生态恢复中的作用;大量使用外来种;忽视了生态系统健康所要求的异质性;忽略了物种间的生态交互作用;造林时对珍稀濒危种需要缺乏考虑;城镇绿化忽略了植被的生态功能等问题。此外,还介绍了生态恢复的方法、成功恢复的标准,并提出了恢复生态学的发展趋势：恢复生态学尚未形成理论和方法体系,要成熟还有很长的路要走;恢复生态学正在强调自然恢复与社会、人文的耦合;对森林恢复研究要集中在恢复中的障碍和如何克服这些障碍两个方面;鉴于生态系统复杂性和动态性,应停止期待发现能预测恢复产出的简单定律,相反,应该根据恢复地点及目标多样性而强调适应性恢复。     

复杂生态系统分形层次结构的统计动力学分析

生态系统具有异质性、非线性、多层次性等复杂特性.针对生态系统的复杂性,从统计动力学的视角出发,从生态组元相互作用的微观动力学角度,对生态系统分形层次结构的起源及其形成过程的动力学机理进行了初步探讨,并分析了生态系统分形维数的影响因素及机理.对理论结果与实际例子进行了比较,并讨论了在实践中的可能应用.