Ecological Thresholds: The Key to Successful Environmental Management or an Important Concept with No Practical Application?

An ecological threshold is the point at which there is an abrupt change in an ecosystem quality, property or phenomenon, or where small changes in an environmental driver produce large responses in the ecosystem. Analysis of thresholds is complicated by nonlinear dynamics and by multiple factor controls that operate at diverse spatial and temporal scales. These complexities have challenged the use and utility of threshold concepts in environmental management despite great concern about preventing dramatic state changes in valued ecosystems, the need for determining critical pollutant loads and the ubiquity of other threshold-based environmental problems. In this paper we define the scope of the thresholds concept in ecological science and discuss methods for identifying and investigating thresholds using a variety of examples from terrestrial and aquatic environments, at ecosystem, landscape and regional scales. We end with a discussion of key research needs in this area.     

生态阈值研究进展

生态阈值是指生态系统从一种状态快速转变为另一种状态的某个点或一段区间，推动这种转变的动力来自某个或多个关键生态因子微弱的附加改变。生态阈值现象普遍存在于自然生态系统中。主要有两种类型：生态阈值点（ecological threshold point）和生态阈值带（ecological threshold zone）。在生态阈值点前后，生态系统的特性、功能或过程发生迅速的改变。生态阈值带暗含了生态系统从一种稳定状态到另一稳定状态逐渐转换的过程，而不像点型阈值那样发生突然的转变。后者在自然界中可能更为普遍。在自然资源保护和生态系统可持续管理中，生态阈值研究有着重要的理论和实践意义，受到生态学和相关学科的密切关注。其研究已经在森林、草原、湖泊、海洋等生态系统，从不同角度，针对不同生态因子广泛开展。由于生态因子相互作用的复杂性，有关生态阈值的性质及其在不同空间尺度上的联系仍然存在很大的不确定性。在未来的研究中必须加强综合和定量化研究，进一步提高应用生态阈值的能力。在全球变化和生态响应研究领域，生态阈值研究将会有更大的发展空间。     

Review on detection of critical transition in ecosystems

当一个存在多稳态的生态系统临近突变阈值点时, 外界条件即使发生一个微小变化, 也会引发生态系统的剧烈响应, 使之进入结构和功能截然不同的另一稳定状态, 这种现象称为重大突变(critical transition)。重大突变所导致的稳态转换总是伴随着生态系统服务的急剧变化, 可能对人类可持续发展产生重大影响。预测生态系统突变的发生非常困难, 但科学家在此领域的大量研究结果表明, 通过监测一些通用指标可以判断生态系统是否不断临近重大突变阈值点, 进而可以进行生态系统重大突变预警。该文对近年来生态系统重大突变检测领域所取得的成果进行总结与归纳, 论述了生态系统重大突变的产生机制及其后果, 介绍了生态系统突变预警信号提取的理论基础, 从时间和空间两个维度总结了近年来生态系统重大突变预警信号的提取方法, 概述了当前研究面临的挑战, 指出生态系统突变预警信号的检测应充分利用时空动态数据, 并且联合多个指标, 从多个角度进行综合预警, 此外, 还应重视生态系统结构与重大突变之间的关系, 增强生态系统突变预警能力。     

基于贝叶斯网络的城市生态红线划定方法

生态红线划定是保护生态安全,协调城市建设、基本农田保护和生态保护之间矛盾的重要方法。目前,有关生态红线的划定方法多基于生态适宜性评价,忽视对土地利用变化的探究,缺少与城市建设发展相互协调,导致生态用地经常被占用,生态红线保护效果不好。在综合分析生态用地历史变化过程和生态适宜性条件的基础上,提出了基于贝叶斯网络的城市生态红线划定方法,并以鄂州市为研究区验证了模型划定的效果。划定结果表明,该方法符合鄂州市城市发展的趋势和生态用地空间分布特性,既有利于稳定且生态服务价值高的区域划入红线,又保证了生态红线空间的落地实施。与传统生态评价方法相比,贝叶斯网络模型划定方法的实效性更强,可以为城市生态红线划定方法研究提供参考和借鉴。     

生态系统的多稳态与突变

许多生态系统可能在短时间内发生难以预料的状态突变, 其中一些生态系统突变的机理可以用多稳态理论进行解释。近年来生态系统的多稳态和突变现象及其机理吸引了研究者和管理者的广泛关注。本文重点对生态系统多稳态的理论基础、识别方法及稳态转换发生的早期预警信号进行综述, 并基于典型生态系统过程对现实世界中可能观测到的稳态转换进行实例分析, 最后对多稳态概念框架和理论应用中的潜在争议进行讨论, 以期为非线性生态系统动态的理论研究、管理实践和生物多样性保护等提供参考。     

Perspectives for ecosystem management based on ecosystem resilience and ecological thresholds against multiple and stochastic disturbances

Ecosystem resilience is the inherent ability to absorb various disturbances and reorganize while undergoing state changes to maintain critical functions. When ecosystem resilience is sufficiently degraded by disturbances, ecosystem is exposed at high risk of shifting from a desirable state to an undesirable state. Ecological thresholds represent the points where even small changes in environmental conditions associated with disturbances lead to switch between ecosystem states. There is a growing body of empirical evidence for such state transitions caused by anthropogenic disturbances in a variety of ecosystems. However, fewer studies addressed the interaction of anthropogenic and natural disturbances that often force an ecosystem to cross a threshold which an anthropogenic disturbance or a natural disturbance alone would not have achieved. This fact highlights how little is known about ecosystem dynamics under uncertainties around multiple and stochastic disturbances. Here, we present two perspectives for providing a predictive scientific basis to the management and conservation of ecosystems against multiple and stochastic disturbances. The first is management of predictable anthropogenic disturbances to maintain a sufficient level of biodiversity for ensuring ecosystem resilience (i.e., resilience-based management). Several biological diversity elements appear to confer ecosystem resilience, such as functional redundancy, response diversity, a dominant species, a foundation species, or a keystone species. The greatest research challenge is to identify key elements of biodiversity conferring ecosystem resilience for each context and to examine how we can manage and conserve them. The second is the identification of ecological thresholds along existing or experimental disturbance gradients. This will facilitate the development of indicators of proximity to thresholds as well as the understanding of threshold mechanisms. The implementation of forewarning indicators will be critical particularly when resilience-based management fails. The ability to detect an ecological threshold along disturbance gradients should therefore be essential to establish a backstop for preventing the threshold from being crossed. These perspectives can take us beyond simply invoking the precautionary principle of conserving biodiversity to a predictive science that informs practical solutions to cope with uncertainties and ecological surprises in a changing world.     

黑河中游生态用地景观连接性动态变化及距离阈值

景观连接度描述了景观组分在景观格局、过程和功能上的有机联系.本文利用1986、2000和2011年土地覆被数据,基于图论方法,研究了黑河中游生态用地(林地、草地、湿地)景观连接性动态变化,并通过分析不同阈值下景观连接度值的变化揭示了研究区景观的适宜阈值.结果表明: 黑河中游1986—2011年对景观连接度产生重要作用的生态斑块面积呈减少趋势.湿地斑块面积2000—2011年减少幅度较大;草地斑块数量先减少后增加,面积变化不大,但是有斑块破碎化的趋势.不同阈值下景观连接度值的变化验证了距离阈值的正向作用.400～800 m是研究黑河中游物种扩散和生态流运行的适宜距离阈值.选择600 m作为距离阈值时,大型斑块对区域总体景观连接水平影响最为显著,是区域生态系统稳定和健康的关键组成;小型生态斑块虽然占生态斑块总面积的比例不大,但对区域的生态安全格局的维持和改善有较大影响,亦需加强保护与管理.研究结果对干旱区生态系统管理具有重要的借鉴意义.     

海岛生态保护红线划定技术方法

划定海岛生态保护红线是维护海岛生态安全,协调海岛开发与保护之间矛盾的重要方法。目前,海岛生态保护红线在概念内涵、划定内容、划定方法等方面尚未统一定性,且极易与海洋生态红线的概念混淆,不同类型和形态的海岛红线划定的方法及原则要求也有所区分,例如,单岛、列岛、群岛、有居民和无居民海岛等。论述了海岛生态保护红线概念、海岛生态保护红线与海洋生态红线的区别和联系;结合生态科学、地理科学和管理科学属性,基于发展观点和底线思维阐述了海岛生态保护红线划定原则;海岛生态保护红线类型主要包括:海岛重点生态功能区、海岛生态敏感区/脆弱区和海岛禁止开发区;筛选出海岛生态保护红线划定需要重点考量的指标,提出海岛生态保护红线划定的技术路线,同时针对海岛生态保护红线区划面临的若干问题进行探讨;最后对今后海岛生态保护红线划定研究进行了展望。     

典型红壤区自然生态修复的适用性

自然修复主要通过封山育林、禁止农作、禁牧禁伐措施,减少人类对环境的扰动,利用自然生态环境的自我演替能力,恢复生态环境,实现生态平衡。自然修复作为一种成本低、无污染的生态修复手段很早就受到人们重视,但关于自然修复适用范围的研究较少。为了正确认识自然修复的适用性,选择了我国南方红壤地区长期遭受严重土壤侵蚀危害的福建省长汀县为研究对象,通过对长期自然修复样地的监测资料分析,发现在坡度条件为20%—30%下,当植被覆盖度低于20%的退化阈值时,严重的土壤侵蚀引发的土壤肥力损失将导致生态系统自我退化,自然修复不仅无法改善当地的生态系统,反而会引起生态系统的进一步恶化。由此可见,自然修复并不适合所有的生态系统,当生态系统退化到一定程度时,退化生态系统必须通过人工干预来修复。因此,必须探索适合当地的生态修复模式,在生态系统退化突破阈值时,红壤丘陵区应通过恢复土壤肥力、促进自然植被覆盖度增加、综合提高生态系统健康水平。     

生态系统多稳态研究进展

在多稳态的生态系统中，外力可能导致生态系统状态突然之间发生不可逆转的转变，从而达到一个新的平衡状态。但目前对多稳态理论的系统研究很少，如何使用预警信号来预测生态系统的状态转变依旧是个难题。通过多稳态理论的梳理提出了一个更加综合的多稳态定义，并以放牧模型为例，系统总结了多稳态理论的相关概念，将多稳态理论应用在生态系统演替和扰沌理论的解释中；通过对生态系统稳态转换预警信号的原理、优缺点和应用条件的分析，对不同尺度下多稳态的研究方法进行了归纳；最后提出了目前多稳态领域的研究问题和未来的研究重点。结果表明：（1）将时间和空间预警信号结合在一起，并量化正确预警信号的概率，对错误预警信号的比例进行加权，可能会提供更准确的稳态转换的预报。（2）定量观测试验适用于小尺度的研究，而较大尺度的研究则采用简化的模型来模拟研究，选择正确的尺度极有可能改变预警信号的可靠性。（3）结合多稳态理论研究生态系统临界转换和反馈控制机制，并将基于性状的特征指标和进化动力学纳入其中，是生态系统修复实践的重要研究方向。（4）将多稳态相关理论和生态保护管理政策的实践相结合，是多稳态理论未来应用的前景。本研究为多稳态理论和实践的深入研究提供科学支撑。     

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。     

Potential for Sudden Shifts in Transient Systems: Distinguishing Between Local and Landscape-Scale Processes

Thorough understanding of the potential for threshold dynamics and catastrophic shifts to occur in natural systems is of great importance for ecosystem conservation and restoration. However, verifying the presence of alternative stable states, one of the theoretical explanations for sudden shifts in natural systems, has proven to be a major challenge. We examine processes on local and landscape scales in salt-marsh pioneer zones, to assess the presence of alternative stable states in this system. To that end, we investigated the presence of typical characteristics of alternative stable states: bimodality and threshold dynamics. We also studied whether vegetation patches remained stable over long time periods. Analysis of false-color aerial photographs revealed clear bimodality in plant biomass distribution. By transplanting Spartina anglica plants of three different biomass classes on three geographically different marshes, we showed that a biomass threshold limits the establishment of Spartina patches, potentially explaining their patchy distribution. The presence of bimodality and biomass thresholds points to the presence of alternative stable states and the potential for sudden shifts, at small, within-patch scales and on short time scales. However, overlay analysis of aerial photographs from a salt marsh in The Netherlands, covering a time span of 22 years, revealed that there was little long-term stability of patches, as vegetation cover in this area is slowly increasing. Our results suggest that the concept of alternative stable states is applicable to the salt-marsh pioneer vegetation on small spatio-temporal scales. However, the concept does not apply to long-term dynamics of decades or centuries of heterogeneous salt-marsh pioneer zones, as landscape-scale processes may determine the large-scale dynamics of salt marshes. Hence, our results provide the interesting perspective that threshold dynamics may occur in systems with, on the long term, only a single stable state. Author Contributions: Bregje van Wesenbeeck executed the major part of this research and wrote this paper. Johan van de Koppel was involved in every part of this study and restructured major parts of this paper. Peter Herman helped with statistical analyses. Mark Bertness adjusted the design of this study and provided new views. Daphne van der Wal performed GIS analyses. Jan Bakker supervised and facilitated field work. Tjeerd Bouma supervised design of study and paper and substantially contributed to the writing of this paper. All authors commented on several drafts of this paper.     

生态阈值确定方法综述

生态系统在环境条件变化时表现出的剧变或阈值现象是当前生态学研究的热点,但是生态阈值定量检测的困难阻碍了这一主题的研究与应用。本文从典型案例入手,通过分析潜在生态阈值的S型曲线式、补给-压力式和跃迁式驱动-响应机理,归纳了局部加权回归散点平滑法、分段回归、高斯模型、拐点分析软件、稳态转换检测软件、指示种阈值分析和系统动力学仿真模型7种生态阈值确定方法,并评述了其优缺点和适用性,以期为生态阈值的定量分析研究提供方法借鉴。     

生态红线划分的理论和技术

在重要生态功能区、生态环境敏感区/脆弱区等区域划定生态红线,控制人类活动强度,对于维护区域生态完整性和生态服务功能的可持续性,解决生态环境退化和资源枯竭问题,减轻异常自然灾害不利影响具有重要意义.虽然不少省市已开展生态红线划分和管理试点工作,但生态红线划分的理论和技术尚不完善。生态红线区划和管理急需理论指导和技术支持。对生态红线的内涵进行了分析,指出了空间红线、面积红线和管理红线之间的有机联系,强调了生态安全空间格局和区域生态服务需求在生态红线划分中的重要性;在生态红线划分技术研究综述基础上剖析了生态红线的研究中存在的问题,如划分方法简单粗放、对景观和区域尺度上的空间过程和空间联系考虑不足以及由于部门和学科分割带来的(海)水陆缺乏统筹等;论述了生态适宜性评价、景观/区域安全格局理论、海陆统筹理论、干扰生态学理论、生态系统管理和适应性理论以及驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型框架等技术方法和理论以及它们在在生态红线划分中的潜在应用;最后提出了基于生态安全格局和区域生态服务需求的生态红线划分的技术路线,并对今后生态红线划分研究进行了展望。提出的生态红线划分技术和理论方法可为今后生态红线的研究提供有益参考。     

陆地生态系统临界转换理论及其生态学机制研究进展

随着气候变化和人类活动对陆地生态系统双重扰动的不断加剧,越来越多的研究已经意识到生态系统结构和功能会发生难以预知的突变,并且恢复起来需要很长时间.开发判别典型生态系统临界转换的早期预警模型及理解其生态学机制成为生态学研究的热点.目前,基于跨越多个时空尺度的理论和实验研究,提出了多种预警陆地生态系统临界转换的理论框架和指...     

区域资源环境承载力科学概念及其生态学基础的讨论

资源环境承载力是生态学领域的一个重要概念,其理论和实践研究已成为衡量区域可持续发展的重要依据.但是有关生态学基础与资源环境承载力的科学联系仍未明确,其中有哪些生态学理论对资源环境承载力的发展起到了支撑作用还没被厘清,这使得资源环境承载力的科学概念十分模糊.本文在讨论资源环境、生态系统承载力科学概念及其发展的基础上,系统...     

干旱区生态系统稳态转换及其预警信号——基于景观格局特征的识别方法

在日益加剧的气候变化和土地开垦、放牧等人类活动干扰下,具有多稳态特征的干旱区生态系统可能会经历从相对健康状态到退化状态的稳态转换,导致生态系统的功能下降。早期预警信号的识别是生态系统稳态转换研究的热点,也是管理实践中防止生态系统退化的关键环节。以往预警信号研究聚焦于通用信号如自相关性、方差等统计学指标,然而这些指标对于具有特定机制的干旱区生态系统可能并不适用。基于干旱区景观格局特征所发展起来的空间指标为生态系统稳态转换提供了独特的空间视角,对于理解干旱区生态系统退化过程和机理具有科学意义和实践价值。介绍了干旱区生态系统稳态转换现象及其转换机制;聚焦景观生态学的指标和方法,从空间视角总结基于干旱区景观格局特征的关键预警指标(植被覆盖度、植被斑块形态、植被斑块大小频率分布和水文连通性等),重点剖析这些关键指标的概念、量化方法、识别特征及其实践应用;最后针对指标的优势和局限性对未来的研究方向进行展望,包括发掘潜在景观指标,加强干旱区生态系统变化的多种驱动要素的相互作用机制研究,开展多时空尺度的实证研究,构建生态系统稳态转换预警信号的整体分析框架,以及加强指标阈值的量化研究等方面。     

Temporal areal changes of wetlands in the lower reaches of the Tarim River and their responses to ecological water conveyance

及时了解和定量分析荒漠区河岸带湿地月度时序变化趋势及对生态输水过程的响应, 对认识湿地生态修复过程, 改进生态输水策略, 维护湿地生态系统稳定具有重要意义。该文基于Landsat ETM+/TM/OLI和Sentinel 2形成的月尺度的密集长时序遥感数据, 分析2000-2018年塔里木河下游英苏-阿拉干之间的湿地时序变化特征, 并评估湿地变化对生态输水过程的响应。结果表明: 近19年来湿地面积持续增加, 其中2011-2013年和2017-2018年是面积快速增加的时段。不同的单、双通道输水方式和输水量大小解释了喀尔达依湿地与博孜库勒湿地在不同时段增长的快慢。对湿地面积与生态输水量、地下水埋深关系的分析表明, 累计生态输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地扩张的重要因素, 每年大于3.5亿m ³的双通道生态输水, 地下水埋深维持在-5.0- -3.5 m是湿地持续稳定增长的关键。     

长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展

长江三峡库区是我国最重要的生态敏感区之一,受三峡水利工程和相关人类活动影响,其生态环境变化显著.揭示三峡库区生态系统结构、功能和生态过程的变化对于维护库区生态安全具有重要意义.生态环境遥感为此提供了关键途径,并在三峡库区生态环境研究中受到重视.现有的三峡库区生态环境变化遥感研究往往存在较大差异,难以有效反映生态环境变化和响应特征,加之生态本底和人类干扰活动的复杂性,三峡库区生态环境变化遥感研究仍面临诸多挑战.本文对库区环境变化遥感研究的发展阶段、研究尺度、遥感数据和方法等进行了系统总结,并从土地利用/覆盖变化、植被变化、水土安全、生态服务价值评价、生态系统健康与生态规划5个方面对库区生态环境变化遥感研究进展进行综述,在此基础上探讨了当前三峡库区生态环境变化遥感研究存在的问题,并提出未来研究中需重点关注的主要科学问题,以期为三峡库区生态环境管理和类似地区生态环境变化遥感研究提供参考.
     

Threshold Concepts and Their Use in Rangeland Management and Restoration: The Good, the Bad, and the Insidious

Ecological thresholds describe abrupt changes in ecological properties in time or space. In rangeland management, thresholds reflect changes in vegetation and soils that are expensive or impossible to reverse. The threshold concept has catalyzed important advances in rangeland management thinking, but it has also introduced two classes of drawbacks. First, the ambiguity of the term "threshold" and the desire for simplicity in its application has led to an overemphasis on classification thresholds, such as vegetation cover values. Uncritical use of classification thresholds may lead to the abandonment of management efforts in land areas that would otherwise benefit from intervention. Second, it is possible that the invocation of thresholds and irreversible degradation may eventually result in the wholesale conversion of land areas that would have been recoverable or served important societal functions, such as biodiversity maintenance, that are not reflected in threshold definitions. I conclude with a recommendation to clarify the nature of thresholds by defining the relationships among pattern, process, and degradation and distinguishing preventive thresholds from restoration thresholds. We must also broaden the attributes used to define states and thresholds.