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.     

生态系统稳定性定义剖析

生态系统稳定性是理论生态学的焦点问题之一 ,综述和剖析生态系统稳定性的定义 ,对已有的定义进行了改进。生态系统稳定性是不超过生态阈值的生态系统的敏感性和恢复力。在这个概念中涉及到 3个概念 :生态阈值、敏感性和恢复力 ,阈值是生态系统在改变为另一个退化 (或进化 )系统前所能承受的干扰限度 ;敏感性是生态系统受到干扰后变化的大小和与其维持原有状态的时间 ;退化生态系统的恢复力就是消除干扰后生态系统能回到原有状态的能力 ,包括恢复速度和与原有状态的相似程度。在保护生态学中 ,阈值与恢复力的定义具有广泛的应用 ,特别是生态系统受到负面的干扰后而退化 ,退化的生态系统逐步恢复的过程可以利用恢复力来测定 ;而保护的成果就是力图避免干扰超过系统的阈值而达到一个实际的演替     

向日葵CMS育性恢复的研究

向日葵细胞质雄性不育（Ｃｙｔｏｐｌａｓｍｉｃｍａｌｅｓｔｅｒｉｌｉｔｙ,ＣＭＳ）育性恢复的机理是非常复杂的。运用遗传学和分子生物学方法,分析了具代表性的４种不同细胞质类型的ＣＭＳ育性被恢复的频率和２０种向日葵自交系对１９种ＣＭＳ的恢复能力及个别ＣＭＳ植株自发恢复的原因。实验结果表明,４种ＣＭＳ品系育性被恢复的频率分别为５８．８％．５６．３％．１１．８％和０％．２０种自交系的恢复力为５．９－７５．０％。部分ＣＭＳ品系和大多数自交系含有恢复基因,恢复基因的数量及类型决定了ＣＭＳ品系被恢复的程度及自交系的恢复能力。同时,提出并证实了线粒体不育基因变异是导致ＡＲＧ１ＣＭＳ植株自发恢复育性的主要原因。     

Population turnover promotes fungal stability in a semi-arid grassland under precipitation shifts

土壤中细菌和真菌的稳定性在维持土壤生态系统功能方面起着重要作用，环境条件的改变直接影响细菌和真菌的组成与结构。已有研究表明，土壤真菌群落稳定性对降水变化响应的敏感性比细菌低,但其内在机制还不清楚。在内蒙古典型草原建立3年的增减降雨实验平台，设置5个降水梯度，包括分别增加和减少30%和60%的降水量以及对照，比较控制不同的降水水平对土壤细菌和真菌多样性的影响，包括α多样性，β多样性和细菌/真菌群落组成的变化。本研究开发了一个概念模型来反映不同降水条件下土壤细菌和真菌的稳定性特征，其中模型山谷的深度表示微生物抵抗力(Resistance)，谷的宽度代表生态弹性(Ecological Resilience)。结果表明，增加和减少60%的降水量均显著降低了细菌的丰富度，同时显著增加了细菌均匀度，但对真菌的丰富度和均匀度没有显著的影响。降水对细菌α多样性的影响高于真菌，说明细菌对水分胁迫的敏感性大于真菌。而真菌群落的周转比细菌快，包括组成变化(Composition Variation)，多样性指数和变异系数(Coefficient Variation)，反映了真菌群落具有较高的群落可变性,使得降水变化对真菌群落的影响较小。概念模型中两种相反的情景表示细菌和真菌对降水变化不同的响应模式：真菌群落对水分胁迫响应不敏感，可以用宽谷中的一个球来表示，球虽然在较大范围内往复摆动，但仍接近稳定状态；而细菌群落对水分响应敏感，即稳定性低，可以表示为一个球在较窄的谷里远离平衡态的位置摆动。基于本研究结果，半干旱草原真菌群落比细菌群落具有更高的稳定性,该结论对于量化群落稳定性特征具有重要意义。     

矿山生态恢复研究进展——基于连续三届的世界生态恢复大会报告

最近连续三届世界生态恢复大会都将矿山生态系统列为大会交流的主题之一。为了解矿山生态修复的最新进展,本文采用文献分析方法和统计分析法,全面对比了这三届大会的论文和报告,包括参会国家、主要机构、热点矿区、修复要素、矿山类型、修复技术等。在此基础上,归纳了新开发的生态修复技术,包括植被恢复、土壤修复和景观恢复等新技术;总结了当前的研究热点,主要有复垦的土壤和修复的植物之间相互作用的机理、矿山生态修复的监测新技术、本土物种保持、污染土壤修复新技术、应对全球气候变化的矿山生态修复新思维和矿山生态系统服务价值等;介绍了会议提出的新观点,如自然恢复和人工恢复选择的新标准、矿山生态恢复力新理论、新型矿山生态系统及其设计等。最后对未来研究趋势进行了预测。     

基于SRP概念模型的沂蒙山区生态环境脆弱性评价

基于生态敏感性-生态恢复力-生态压力度(SRP)概念模型,选取景观多样性指数、土壤侵蚀、高程等13个评价指标,在GIS环境下,结合空间主成分分析法和层次分析法,对沂蒙山区生态环境脆弱性进行评价,并根据生态环境脆弱性指数(EVI)值,将研究区生态环境脆弱度分为5级:微度脆弱(<1.8)、轻度脆弱(1.8～2.8)、中度脆弱(2.8～3.5)、重度脆弱(3.5～4.0)和极度脆弱(>4.0).结果表明:沂蒙山区生态环境脆弱性以中度脆弱性为主,其中,微度、轻度、中度、重度和极度脆弱区面积分别占研究区总面积的6.1%、33.8%、43.3%、15.9%和0.9%,重度和极度脆弱区主要集中在地形较复杂的山地丘陵区或人类活动强度较大的丘陵和平原过渡交错带.     

土壤微生物群落抵抗力和恢复力研究进展

人类活动的不断加剧使得土壤生态系统承受着环境干扰压力。土壤微生物受到环境干扰的响应程度（抵抗力）及恢复至原来状态的能力（恢复力）决定着土壤生态系统的可持续性。梳理和总结了土壤微生物群落对环境干扰的抵抗力和恢复力方面的研究进展。首先,在介绍土壤微生物群落抵抗力和恢复力概念的基础上,阐述了通过评估微生物群落的结构和功能的变化来系统表征抵抗力和恢复力;随后,分析了最近十年（2012-2021年）有关文献,发现土壤微生物群落的结构和（或）功能在环境干扰后的恢复力总体较弱,但耕作、有机物料添加和轮作等农田管理措施下的响应趋势表现出一定的规律性;继而,从个体水平的休眠和胁迫忍耐、种群水平的生存策略、群落水平的多样性和相互作用以及生态系统水平的历史遗留效应等方面分析了土壤微生物群落抵抗力和恢复力的维持机制;最后,从功能性状、多功能性和植物-土壤微生物整体性对未来研究做出了展望,以期为构建土壤健康评价体系及预测环境干扰对土壤功能的影响提供科学依据。     

基于临界慢化模型和长时间序列叶面积指数的植被及其恢复力遥感监测研究——以三峡库区为例

基于临界慢化模型,利用长时间序列叶面积指数(GLASS LAI)数据,进行时间序列分解后,计算了LAI及其时间自相关指数作为指标,对三峡库区植被及其恢复力进行监测,通过案例模型对临界慢化模型精度进行了验证,分析了三峡库区植被及其植被恢复力的时空分布特征,探索基于临界慢化模型的植被恢复力遥感定量估算方法的适用性。结果表明：(1)2000—2018年三峡库区LAI平均值为3.4,重庆段LAI较低,湖北段LAI较高;三峡库区LAI整体呈上升趋势,重庆段LAI呈现降低趋势,显著下降区域占重庆段面积的21.75%,湖北段LAI呈现升高趋势,显著上升区域占湖北段面积的21.22%;(2)2000—2018年三峡库区重庆市北碚区、大渡口区、渝北区植被恢复力较低,宜昌市兴山县、夷陵区、点军区植被恢复力较高;(3)模型精度方面,在两个地质灾害扰动事件中案例模型结果与临界慢化模型结果呈现较高的一致性。本文对三峡库区2000—2018年的植被恢复力进行了定量估算,同时通过案例模型对临界慢化模型在恢复力监测上的有效性进行了验证,为三峡库区制定相应生态环境管理决策提供理论基础,为保障西南地区生态安全提供决策依据...     

川西亚高山林线岷江冷杉和红杉对气候变化的响应

为揭示川西亚高山林线优势树种岷江冷杉（Abies fargesii var.faxoniana）和红杉（Larix potaninii）径向生长对气候变化的响应差异。通过树木年轮生态学的方法,研究了岷江冷杉和红杉径向生长与年均温的分异现象、生长衰退以及应对严重干旱事件的抵抗力和恢复力稳定性,并结合限制岷江冷杉和红杉径向生长的主要气候因素进行了分析。结果表明：（1）温度是限制林线岷江冷杉径向生长的主要气候因素,而限制红杉径向生长的主要气候因素是降水;（2）岷江冷杉的径向生长与年平均温度的变化趋势一致,红杉在20世纪90年代后径向生长呈现出下降的趋势,与年均温的升高出现分异;（3）1800-2019年间,岷江冷杉出现生长衰退2次,红杉出现生长衰退5次,相同的时间内,红杉的衰退频率高于岷江冷杉;（4）岷江冷杉对严重干旱事件的恢复力相比升温前有所增强,抵抗力相比升温前下降明显,红杉对严重干旱事件的抵抗力和恢复力相比升温前均呈现出下降的趋势。可为川西亚高山林线的植被动态变化预测和历史区域气候重建提供参考。     

新型生态系统理论及其争议综述

澳大利亚Richard J Hobbs教授等近年提出的新型生态系统(Novel Ecosystems)理论认为,由于人类作用,地球生态系统经历了前所未有的变化,很多生态系统已经越过不可逆转的阈值,不可能恢复到原有状态,形成了新的生态系统,其生物要素、非生物要素和系统功能等都发生了显著改变;人类应该面对现实,必须反思传统生态保护和生态恢复的行为、政策和思维;应该致力新型生态系统的特征、属性和演替规律的研究,在管理、规划、政策、组织和技术等方面的创新。新型生态系统理论引起了很大争议。质疑者认为,由于自然作用力和人类的持续扰动,地球生态系统一直在不断变化,所以一直都是"新"的,根本没必要贴上"新型"标签;该理论基本概念模糊,理论模型不精确,缺乏严密的逻辑推理,还很不成熟;该理论无助于生态保护和生态恢复的实践,会扰乱人们的思想,没有实践价值。不过,支持者和质疑者都承认地球上很多生态系统的确遭到严重破坏,已经发生深刻演替,极有必要对这类系统的非线性机制、系统阈值、恢复力、新范式,以及破坏后的所有特征等开展研究,应该理性选择合适的修复方法,理性分析人工干预的程度及其成功的可能性,科学制定行动方案和优选标准。跟踪国际前沿,开展新型生态系统理论研究有助于丰富我国恢复生态学理论以及创新工程实践。