景观系统的生态突变、早期预警信号与安全活动空间研究

Many ecosystems can experience sudden state transition in a short time period, producing important socioeconomic impacts. The theory of regime shift can well explain the mechanism of abrupt ecological transitions. Studies on early-warning signals and safe operating space based on the theory of regime shift have paved important roads for ecosystem management. Relevant work on landscape systems is just starting, and the role of spatial processes on the landscape level in regime shift and early-warning signals remains largely unclear. In this research project, we aim at revealing non-linear dynamics of the typical vulnerable ecological landscapes that are threatened by climate change and land degradation in China. We will use a combination of remote sensing, landscape pattern analyses, statistical modeling and dynamic modeling to detect and characterize critical transitions and tipping points of featured landscape systems. We aim to reveal the mechanisms of alternative stable states and regime shift, and detect the early warning signals in the studied landscapes. In particular, we aim to reveal how spatial interactions between landscape elements can influence regime shift and early warning signals. We will assess the safe operating space for the studied landscapes on the basis of abovementioned studies. We expect our work can facilitate ecological conservation and restoration as well as sustainable management in Chinese ecological vulnerable regions.

许多生态系统在短时间内可能发生出乎意料的状态突变，并对社会经济产生显著影响。稳态转换理论被广泛用于阐释生态系统的突变机制，基于稳态转换理论的早期预警信号和“安全活动空间”研究对于生态系统管理具有重要价值。当前，针对景观系统的相关研究刚刚起步，景观空间过程对稳态转换和早期预警信号的影响尚不清楚。在申请人前期开展的景观系统突变研究基础上，本项目以我国受气候变化和土地退化等多重胁迫因素影响下的脆弱生态景观为对象，利用遥感、景观格局分析、多元统计和动态模型等技术，在多尺度上系统检测和定量刻画生态突变、临界阈等景观非线性特征，揭示景观多稳态的形成机制和稳态转换的触发机制，检测指示景观系统突变的早期预警信号，重点揭示景观要素的空间相互作用对稳态转换和早期预警信号的影响方式和机理。在此基础上对景观系统的安全活动空间进行动态评估，以期为我国脆弱生态景观的保护恢复和可持续管理提供理论和技术支撑。

许多生态系统在短时间内可能发生出乎意料的状态突变，并对社会经济产生严重影响。稳态转换理论被广泛用于阐释生态系统的突变机制，基于稳态转换理论的早期预警信号和“安全活动空间”研究为生态系统管理奠定了重要基础。本项目以在多尺度上检测和定量刻画生态突变、临界阈等非线性模式，揭示多稳态的形成机理和早期预警信号，在此基础上对安全活动空间进行动态评估，为生态保护和可持续景观管理提供理论和技术支撑。主要研究成果包括：1）揭示了在生物圈尺度上，热带和温带的植被冠层高度在水热梯度上普遍存在突变模式；发现植被盖度和高度表现出相互对应的多峰分布模式，为植被的多稳态假说提供了新证据，揭示了稳态转换是宏观生态系统发生突变的重要机理；揭示了1500mm年均降水量是热带和温带植被在宏观尺度上发生稳态转换的一般性阈值条件。2）揭示了跨尺度相互作用对景观系统稳态的驱动作用。以胁迫环境中的生态系统为对象，揭示了植物间小尺度促进作用是景观尺度上植被退化及恢复的关键机制；揭示了生态系统自组织形成不规则的空间格局指标是植被退化稳态转换的早期预警信号，环境胁迫下的植物间小尺度促进作用是生态系统自组织以及稳态维持的关键机制。3）揭示了社会—生态耦合景观系统的突变模式及其安全活动空间。揭示了文化空间扩展和农业集约化土地利用等文化演化进程的“文化过滤”对宏观尺度上生物多样性格局突变的重要驱动作用。将经典的生态位思想运用于研究气候变化对安全活动空间的影响，揭示了六千年以来高度稳定的“人类气候生态位”是人类社会的一种总体性限制条件；发现未来50年间的气候变化可能驱动安全活动空间的大规模地理偏移，据此提出气候移民和社会变迁风险的非货币化评估方法。在本项目支持下发表研究论文30篇，包括PNAS、Ecology、Proceedings of Royal Society B等刊物，促进了生态系统多稳态等基础理论的发展，也为生态系统稳定性提升和气候变化应对提供理论依据。