半干旱区森林生态系统的双稳态现象及调控机制研究

Forests ecosystems are important parts of semi-arid lands, playing a critical role in ecosystem functions and services like water supply and regulation, conserving biodiversity and preventing soil erosion. There is a phenomenon that some ecosystems may be in alternative stable states (ASS; i.e., bi-stability), rather than uni-stability. The transition between ASS will greatly alter the functions and services of ecosystems, extremely influencing the lives and development of human beings. However, understanding about whether there are ASS in forest ecosystems in semi-arid lands, and associated mechanisms of regulating forest ASS remain largely limited. This issue is to be investigated for semi-arid forest ecosystems in global and local scales, using remote sensing data, field survey and monitoring, and model fitting. The frequency distribution of forest cover will be explored using latent class analysis and potential analysis. The relationships between forest cover and external environmental factors/microclimate (air temperature and humidity under forest canopy) will be analyzed to answer the question whether forest-nonforest ASS exist, and to explore the positive feedback and thresholds of the forest-nonforest ASS. This study will benefit a better understanding of the stability and also the possible state transitions of forest ecosystems in semi-arid lands under the context of global changes. This study is also expected to provide scientific data for keeping the security, and for guiding restorations, of semi-arid lands.

森林生态系统是半干旱区的重要组成部分，在调节水资源、保护生物多样性和保持水土等方面发挥着重要的作用。相对于单稳态，部分生态系统存在双稳态现象，稳定态之间的转换会极大地改变生态系统的功能与服务，将对人类的生存与发展造成巨大的影响。然而，半干旱区森林生态系统是否存在双稳态现象尚无系统研究，且其调控机制如何尚不明确。本项目拟以全球和局地尺度半干旱森林生态系统为研究对象，利用遥感数据、野外调查观测和模型模拟等方法，运用潜类别分析和势分析探讨森林盖度的频度分布，运用分段线性模型和广义加性混合模型等揭示森林盖度分别与林外环境因子、林内空气温湿度等微气候之间的关系，回答半干旱区森林双稳态存在与否这一问题，并探讨森林双稳态的正反馈机制和阈值等调控机制。本项目研究成果有助于理解全球变化背景下半干旱区森林生态系统的稳定性和可能发生的状态转换，为维持半干旱区的生态安全以及为植被恢复提供理论指导。

生态系统可能存在多个稳定态，而稳定态之间的转换会使系统的结构、功能和服务发生剧烈的变化，因此探讨半干旱生态系统是否存在木本-草本多稳态及多稳态之间状态转换，对维持半干旱区的生态安全和可持续发展具有重要的战略意义，对植被恢复工作具有理论指导意义。本项目通过野外调查与长期观测数据，以半干旱生态系统为研究对象，探讨了包括森林在内的半干旱生态系统的多稳态问题，并通过构建基于过程的生态水文模型探究了环境要素（生物土壤结皮与树干茎流）在调控木本-草本多稳态中的作用。主要取得以下进展：（1）证实木本-草本可构成半干旱生态系统的多稳态，并发现木本-草本状态转换一般较快，但有可能存在长临时态（可长达30年）。（2）构建了适用于半干旱生态系统的动力学模型，并完成了参数化、优化与验证工作，可用于研究半干旱生态系统的各类生态水文问题。（3）利用该模型发现生物土壤结皮是影响半干旱生态系统多稳态及之间转换的重要因素，生物土壤结皮可导致土壤水分的浅层化，进而导致生态系统的稳定态从木本向草本转换，当生物土壤结皮的厚度达17.21毫米时，该转换可能发生。（4）利用该模型探讨了树干茎流在调控半干旱生态系统木本-草本多稳态模式中的作用，发现树干茎流有利于木本维持其主导地位，而在不同的尺度（个体-生态系统），树干茎流的作用有所不同，树干茎流在个体水平倾向于在低年降水量（小于200毫米）发挥更大的作用，而在生态系统水平，则更倾向于在高降水量（400-600毫米之间）发挥更大的作用。该项目为半干旱生态系统的研究提供了模型工具，为理解半干旱生态系统包括森林在内的多稳态转换提供理论依据。