文献分享 | Nature：生态系统灾难性的转变

题目：Catastrophic shifts in ecosystems

杂志：Nature

所有生态系统都受到气候、养分负荷、栖息地破碎化或生物开发的逐渐变化的影响。大自然通常被认为以一种平稳的方式对这些变化作出反应。然而，对湖泊、珊瑚礁、海洋、森林和干旱土地的研究表明，平稳的变化可能会被突然剧烈的转变打断，变成一种截然不同的状态。尽管不同的事件都可能引发这种转变，但最近的研究表明，韧性的丧失通常会为转向另一种状态铺平道路。这表明，可这类生态系统的持续管理战略应侧重于保持生态系统韧性。

1.生态系统转变的方式：1）一些生态系统的状态可能以平稳、持续的方式对环境变化作出反应；2）一些可能在某些条件范围内相当惰性，当条件接近某个临界水平时，反应会更强烈；3）具有‘folded’ backwards 的生态系统在某些环境条件下，有两种可供选择的稳定状态，由一种不稳定平衡状态分隔。

2.统计方法从有噪声的时间序列推断底层系统属性的能力很差，但是仅仅证明一个正反馈机制也不足以证明另一种稳定状态，因为它在明显的滞后和平稳响应之间留下了一系列的可能性，这取决于反馈的强度和其他因素。证明备选稳定状态存在的最有效的方法是多种方法组合，例如重复转换的观察，倾向于维持不同状态的反馈机制的研究，以及表明这些机制可以合理解释观测数据的模型。

3.虽然生态系统状态转变的具体细节差别很大，但(表1)显示了一些共同点。首先，生态系统状态之间的对比通常是不同生命形式的生物之间的优势转变。其次，状态转变通常由明显的随机事件触发，如病原体爆发、火灾或极端气候。第三，稳定不同状态的反馈涉及生物、物理、化学机制。

4.也许最重要的是，所有具有多稳态的生态系统模型都表明，环境条件的逐渐变化，如人类引起的富营养化和全球变暖，可能对这些系统的状态几乎没有明显影响，但仍然会改变当前状态的“稳定域”或恢复力，因此，自然或人类引起的波动可能导致生态系统转向替代状态。

5.预防干扰通常是生态系统管理的一个主要目标。不幸的是，干扰不仅是促进生态系统多样性和系统更新过程的一个自然组成部分，同时它分散了人们对韧性的潜在结构问题的注意力。本文提出的主要见解是，减少不必要的状态转变风险应该努力解决影响韧性的那些缓慢的变化，而不仅仅是控制干扰。生态保护的挑战在于维持一个大的稳定域，而不是控制波动。稳定域通常取决于缓慢变化的变量，如土地利用、养分储量、土壤性质和长寿生物的生物量。这些因素可以被预测、监测和改变。相比之下，触发状态转变的随机事件(如飓风、干旱或疾病爆发)通常难以预测或控制。因此，建立和维持理想生态系统状态的韧性可能是面对日益增加的环境变化管理生态系统的最务实和有效的方法。

生态系统状态的变化会导致生态和经济资源的巨大损失，而恢复理想状态可能需要投入昂贵的成本。因此，忽视生态系统转向其他稳定状态的可能性可能会给社会带来沉重的代价。生物变化是我们观测生态系统变化的直接指标，生态系统中紧密的生物相互作用意味着单一关键物种对环境变化的敏感性可能导致群落组成发生重大变化。生态系统往往具有多稳态，当其由一种稳态转向另一种稳态后，要使生态系统回到原来的状态，恢复原来的环境条件是不够的，两种状态之间的“转换点”之间的差异被称为滞后，然而，即使在同一类生态系统中，这种滞后也是不同的；生态系统多稳态过程、滞后过程的研究对生态系统保护和恢复具有重要的意义。由于滞后反应以及韧性并非肉眼可见，一些系统巨变缺乏早期示警信号。因此，对于诱发事件的关注往往多过韧性的潜在丧失，而后者往往是系统转变的根本原因。

文章信息

Scheffer M, Carpenter S, Foley J A, et al. Catastrophic shifts in ecosystems[J]. Nature, 2001, 413(6856): 591-596.

DOI:  10.1038/35098000

分享人介绍

王明净，2021级博士生

研究方向：流域综合管理与生态水利

邮箱：202131180015@mail.bnu.edu.cn

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