Ecological thresholds: Concept,Methods and research outlooks

The concept of ecological thresholds was raised in the 1970s. However, it was subsequently given different definitions and interpretations depending on research fields or disciplines. For most scientists, ecological thresholds refer to the points or zones that link abrupt changes between alternative stable states of an ecosystem. The measurement and quantification of ecological thresholds have great theoretical and practical significance in ecological research for clarifying the structure and function of ecosystems, for planning sustainable development modes, and for delimiting ecological red lines in managing the ecosystems of a region. By reviewing the existing concepts and classifications of ecological thresholds, we propose a new concept and definition at two different levels: the ecological threshold points, i.e. the turning points of quantitative changes to qualitative changes, which can be considered as ecological red lines; the ecological threshold zones, i.e. the regime shifts of the quantitative changes among different stable states, which can be considered as the yellow and/or orange warning boundaries of the gradual ecological changes. The yellow thresholds mean that an ecosystem can return to a stable state by its self-adjustment, the orange thresholds indicate that the ecosystem will stay in the equilibrium state after interference factors being removed, whereas the red thresholds, as the critical threshold points, indicate that the ecosystem will undergo irreversible degradation or even collapse beyond those points. We also summarizes two types of popular Methods in determining ecological thresholds: statistical analysis and modeling based on data of field observations. The applications of ecological thresholds in ecosystem service, biodiversity conservation and ecosystem management research are also reviewed. Future research on ecological thresholds should focus on the following aspects: (1) methodological development for measurement and quantification of ecological thresholds; (2) emphasizing the scaling effect of ecological thresholds and establishment of national-scale observation system and network; and (3) implementation of ecological thresholds as early warning tools in ecosystem management and delimiting ecological red lines.     

后疫情时代全球可持续发展目标加速行动的推动

“SDGs加速行动”是国际组织、政府部门、私营机构和其他利益攸关方为加快落实2030年可持续发展议程采取的全球行动。2019年联合国可持续发展目标峰会后，政府、国际组织、私营部门等提出了214项SDGs加速行动。2019年爆发的新型冠状病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）对实现可持续发展目标带来了系列影响，后疫情时代如何推动全球SDGs加速行动的实施成为重要的问题。对可持续发展评估报告（2019）和可持续发展目标加速行动等政策文件进行信息提取，建立加速行动匹配性指数模型和各国应对新冠疫情的恢复力指数模型，根据匹配性-恢复力分类体系将各国按照17项可持续发展目标分为9类，为推动后疫情时代全球可持续发展目标加速行动提供支撑。研究发现：（1）现有可持续发展目标加速行动的实施与区域需求不匹配，且这种不匹配的情况在COVID-19爆发前已经出现；（2）加速行动的实施受限于现有可持续发展水平和国家经济基础，区域关注的可持续发展目标与其自然地理位置和社会发展水平有着密切的关系，多边组织机构和其他利益攸关方需要在发展中国家大力推动可持续发展加速行动；（3）下一步实施加速行动需要加强国际间的合作，根据分类框架和可持续发展目标的关联关系，分重点推进加速行动的实施，完善可持续发展指标监测体系，分类设立后疫情时代不同时期的阶段目标，分阶段循序渐进，定期反馈追踪，以在2030年促进17项可持续目标的实现。     

Effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate steppe of Nei Mongol,China

Aims Grazing intensity and grazing exclusion affect ecosystem carbon cycling by changing the plant community and soil micro-environment in grassland ecosystems. The aims of this study were: 1) to determine the effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate grasslands of Nei Mongol; 2) to compare the difference between above-ground and below-ground litter decomposition; 3) to identify the effects of precipitation on litter production and decomposition. Methods We measured litter production, quality, decomposition rates and soil nutrient contents during the growing season in 2011 and 2012 in four plots, i.e. light grazing, heavy grazing, light grazing exclusion and heavy grazing exclusion. Quadrate surveys and litter bags were used to measure litter production and decomposition rates. All data were analyzed with ANOVA and Pearson’s correlation procedures in SPSS. Important findings Litter production and decomposition rates differed greatly among four plots. During the two years of our study, above-ground litter production and decomposition in heavy-grazing plots were faster than those in light-grazing plots. In the dry year, below-ground litter production and decomposition in light-grazing plots were faster than those in heavy-grazing plots, which is opposite to the findings in the wet year. Short-term grazing exclusion could promote litter production, and the exclusion of light-grazing could increase litter decomposition and nutrient cycling. In contrast, heavy-grazing exclusion decreased litter decomposition. Thus, grazing exclusion is beneficial to the restoration of the light-grazing grasslands, and more human management measures are needed during the restoration of heavy-grazing grasslands. Precipitation increased litter production and decomposition, and below-ground litter was more vulnerable to the inter-annual change of precipitation than above-ground litter. Compared to the light-grazing grasslands, heavy-grazing grasslands had higher sensitivity to precipitation. The above-ground litter decomposition was strongly positively correlated with the litter N content (R² = 0.489, p < 0.01) and strongly negatively correlated with the soil total N content (R² = 0.450, p < 0.01), but it was not significantly correlated with C:N and lignin:N. Below-ground litter decomposition was negatively correlated with the litter C (R² = 0.263, p < 0.01), C:N (R² = 0.349, p < 0.01) and cellulose content (R² = 0.460, p < 0.01). Our results will provide a theoretical basis for ecosystem restoration and the research of carbon cycling.     

基于SPEI指数的淮河流域干旱时空演变特征及影响研究

运用淮河流域149个气象站1962—2016年逐日气温、降水资料以及历史旱情资料,基于SPEI、EOF和M-K等方法分析淮河流域的干旱时空特征,研究干旱的时空演变规律并揭示其对农业生产的影响。结果表明:(1)基于SPEI得到的干旱频次与受灾、成灾面积的相关性通过了0.1的显著性水平检验,表明SPEI在淮河流域具有较好的适用性;(2)淮河流域干旱发生时间差异明显,干旱次数呈现波动变化,发生重旱和特旱次数占总干旱的比重是20.0%,其中重旱和特旱在1960s比重最大(24.8%),其次是2010s(15.8%),在1980s比重最低(10.0%);(3)干旱的空间分布差异大,淮河流域干旱频率在27.76%—36.04%之间,西北部和东南部发生干旱强度较西南部、东北部及中部低;(4)淮河流域总体呈干旱化的趋势,从中部到四周呈现由高到低递减的趋势变化,且空间模态表现为全区一致型、南北相反型和东西相反型。     

生物多样性理论最新进展

生物多样性是生态系统复杂性的重要特征, 理解多样性的形成和维持机制一直是理论生态学研究的核心议题。本文从三方面概述了生物多样性理论的最新进展。一是物种共存和群落构建, 总结了现代共存理论和基于过程的群落构建理论的新进展。二是物种相互作用, 综述了利用经验数据推断物种相互作用关系和强度的最新方法。三是生态-进化动态, 介绍了生态-进化模型的一般框架及其在生物多样性研究中的应用。最后对生物多样性理论的发展趋势做了展望, 特别是多尺度整合理论和全球变化下的预测理论。     

基于FORCCHN模型的中国典型森林生态系统碳通量模拟

森林生态系统是陆地碳循环的重要组成部分,其固碳能力显著高于其他陆地生态系统,研究森林生态系统碳通量是认识和理解全球变化对碳循环影响的关键。碳循环模型是研究森林生态系统碳通量有效工具。以长白山温带落叶阔叶林、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和西双版纳热带雨林等4种中国典型森林生态系统为研究对象,利用涡度相关2003-2012年观测数据,评估FORCCHN模型对生态系统呼吸（ER）,总初级生产力（GPP）,净生态系统生产力（NEP）的模型效果。结果表明：（1） FORCCHN模型能够较好的模拟中国4种典型森林生态系统不同时间尺度的碳通量。落叶阔叶林和常绿针叶林ER和GPP的逐日变化模拟效果较好（ER的相关系数分别为0.94和0.92,GPP的相关系数分别为0.86和0.74）;（2）4种森林生态系统碳通量季节动态模拟值和观测值显著相关（P<0.01）,ER、GPP、NEP的观测值和模拟值的R²分别为0.77-0.93、0.54-0.88和0.15-0.38;模型可以很好地模拟森林生态系统不同季节碳汇（NEP>0）,碳源（NEP<0）的变化规律;（3）4种森林生态系统碳通量模拟值与观测值的年际变化有很好的吻合度,但在数值大小上存在差异,模型高估了常绿阔叶林的ER和GPP,略微低估了其他3种森林生态系统ER和GPP。     

交通通达度对生态系统健康的影响——以长江中游城市群为例

完善的交通基础设施网络是形成高度同城化和高度一体化城市群的前提和基础,科学探测城市群地区交通通达度对生态系统健康状况的影响机理对城市群地区生态系统保护以及区域可持续发展具有重要实践意义和价值。基于多源数据分别测度了1995—2015年长江中游城市群交通通达度以及生态系统健康水平,并借助双变量空间自相关与空间回归模型从全局和局部的角度揭示了交通通达度对生态系统健康的影响机理。研究结果显示：(1)研究期间长江中游城市群生态系统健康状况总体呈现降低态势,山区生态系统健康水平显著高于平原地区;(2)双变量空间自相关分析结果显示交通通达度和生态系统健康水平之间存在显著的空间依赖性,二者之间主要的关系类型包括低交通通达度水平-低生态系统健康水平、高交通通达度水平-低生态系统健康水平和低交通通达度水平-高生态系统健康水平三种类型;(3)空间回归结果显示交通通达度的增加会导致生态系统健康状况的恶化,而且交通通达度对生态系统健康的影响具有显著的空间异质性。研究发现可以为长江中游城市群地区生态系统健康保护宏观调控政策制定以及差异化管控政策制定提供科学依据。     

结合生态系统服务供需和人类福祉的区域规划

生态系统服务与人类福祉的和谐关系是区域规划的基石。现有的区域规划较少同时考虑生态系统服务的供需和流域居民的福祉差异。以城市化流域——官厅水库流域为例,应用改进后的CASA模型、IPCC清单法、SolVES模型和问卷调查量化食物供给、碳固持和文化服务以及人类福祉,再结合服务的供需关系及人类福祉水平开展聚类分区,并针对各区情况提出规划建议。结果显示,官厅水库流域内食物供给和文化服务供大于求,而碳固持服务供不应求。流域福祉位于中等水平,分值为3.44(满分5分)。其中,居民的基本物质需求分值最高(3.64),收入分值(3.00)明显低于流域整体水平。除此之外,居民认为供水、医疗条件和收入这些福祉要素仍有待改善。流域可分为城市发展区、城郊休闲区、生态涵养区和文化建设区。在各区需采用因地制宜的方式,通过增大植被覆盖面、开展文旅产业和推动冰雪项目等形式,提高居民生活质量和维持区域可持续性。     

春、夏季土壤水分对连翘光合作用的影响

在全球气候和环境变化的背景下,我国华北地区表现出平均气温升高和降水时空格局变化的趋势,导致华北地区春、夏季土壤水分变化加剧,从而一定程度上制约了植物的光合作用和生物生产力。为探索植物光合作用对土壤水分变化以及所处生长发育季节的响应特点,以华北地区为研究区,利用Li-6400光合作用测定系统,通过受控温室内盆栽控水的方法,测定和分析了春、夏两个季节2年生连翘叶片在多级连续土壤水分梯度下的光合作用光响应过程。研究结果表明:1) 弱光 (光合有效辐射PAR≤200 μmol m^-2 s^-1) 下,净光合速率 (Pn)、气孔导度 (Gs)、水分利用效率 (WUE) 光响应过程对季节不敏感,强光下Pn-PAR、Gs-PAR过程与土壤水分和季节同时有关,春、夏两个季节Pn、Gs对强光响应的差异更多表现在阈值:土壤相对含水量 (SRWC) >40%范围。2) 春、夏两个季节表观量子效率 (φ)、 Pn、WUE、Gs、 胞间CO₂浓度 (Ci)、气孔限制值 (Ls) 对SRWC具有相似的响应过程,但两个季节各个参数达到阈值时的SRWC不同,说明水分阈值是不同季节植物光合作用响应土壤水分产生差异的关键。3) 春、夏两个季节连翘光合作用较适宜的土壤水分分别是春季51.84%≤SRWC≤58.96%,夏季52%≤SRWC≤83.34%;此SRWC范围内,春、夏两个季节连翘光合作用适宜的PAR范围相似,为1000 μmol m^-2 s^-1≤PAR≤1400 μmol m^-2 s^-1。因此,为适应未来气候和环境变化,有必要根据植物所处的物候期确定环境因子(土壤水分、光照、温度等)的适宜范围和关键阈值,更好地为区域适应性措施的探索提供科学依据。     

海南西部桉树人工林土壤水分变化特征及其对林龄的响应

在海南西部儋州林场选取空间相邻、自然环境相似、不同林龄与连栽代次的桉树林样地和椰树林对照样地,通过2010—2012年连续3a定点取样,研究桉树林土壤水分变化特征及其对林龄的响应,分析桉树林种植对林地土壤水分的影响。结果表明:(1)1—4月土壤含水量持续减少,5—6月波动较大,7—10月增加到年内极大值,11—12月降低,但处于年内较高水平。(2)短伐桉树林(二代5年桉树林、三代1年桉树林、三代4年桉树林)、20a桉树林以及10a椰树林5个样地的月均土壤含水量存在显著或极显著差异。二代5年桉树林与三代1年桉树林之间以及20a桉树林与10a椰树林之间的土壤含水量差异均不显著;其余各林地之间土壤含水量差异显著或极显著。(3)随着土壤深度增加,短伐桉树林与20a桉树林、10a椰树林之间的土壤含水量差异增大。表层0—30 cm短伐桉树林年均土壤含水量为6.08%,20a桉树林为7.53%,10a椰树林为6.93%;80 cm以下则分别为8.10%、11.72%和11.95%。与10a椰树林、20a桉树林相比,短伐桉树林对土壤深层水分有较大负面影响。(4)短伐桉树林、20a桉树林和10a椰树林土壤含水量的变异系数由表层到深层逐渐递减,其中林龄较大的短伐桉树林变异系数较大,且变异系数较大的土层也较深厚。与20a桉树林、10a椰树林相比,林龄较大的短伐桉树林对深层土壤水分的消耗较多。(5)连栽代次愈多,林龄越大,土壤含水量愈少;采伐之后1a桉树林的土壤含水量明显增加,有利于桉树后期生长。