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生态阈值理论研讨

2012-08-17 17:43 来源:生态学论文 人参与在线咨询

 

阈是“门槛”、“界限”之意。阈值(threshold)[1]是指有某种或多种相互作用的负反馈机制存在于系统的各个组成部分之间,这种负反馈机制在系统出现一定幅度的偏离时会抑制其继续发展,并进行反向调节,使系统重新回到平衡状态。但是负反馈机制在系统偏离幅度过大时会失去作用,最终系统将走向失衡和崩溃。导致负反馈机制失去作用的幅度就是系统的阈值。不同生态系统中也存在着生态阈值现象,不同的学者已对湿地、森林、草原、海洋等生态系统进行广泛研究,该文结合国内外文献,阐述在相应领域的不同应用,总结常用的生态阈值研究方法,并对该研究的发展方向进行展望和总结。

 

1生态阈值的概念

 

20世纪70年代,Robert[2]首次提出生态阈值的概念,指出生态系统的特性、功能等具有多个稳定态,稳定态之间存在“阈值和断点”。目前,国内外文献对生态阈值的概念描述不同,定义尚未统一。Friedel[3]认为生态阈值是生态系统2种不同的状态在时间和空间上的界限(boundaries)。柳新伟等[4]认为,生态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。但目前公认的生态阈值的定义为当生态因子扰动接近生态阈值时,生态系统的结构功能或过程会发生不同状态间的跃变[5]。

 

2研究生态阈值的意义

 

生态阈值在实际研究中较多地应用于生态安全的评价中,同时对于实践管理和政策调控也有重要的指导价值[6]。全球气候因CO2等温室气体的大量排放而发生急剧变化,各国、各地区、各行业应制订相应政策限制温室气体的排放量,这就使得生态系统响应气候变化的生态阈值研究具有重要意义[7]。赵阳[8]从多个角度阐释了生态阈值研究对环境监测的意义,认为环境管理过程中掌握生态阈值信息对把握解决问题的时机意义重大。

 

3生态阈值在不同领域的研究与应用

 

随着生态阈值理论研究的不断发展,在环境监测[8]、生态系统可持续管理[9-11]、发展区域经济乃至全球气候变暖预防[8,12-14]等方面,生态阈值的作用越来越受到人们的重视。不同生态系统、不同尺度对不同生态因子都存在着生态阈值问题,下面将分类进行讨论和阐述。

 

3.1生态阈值在不同生态系统中的应用

 

3.1.1自然生态系统的整体研究。针对自然生态系统,主要是气候变化特别是全球变暖对生态系统的影响研究。当气候变化幅度过大、短期干扰过强、胁迫时间过长时,超出了生态系统本身的调节和修复能力,生态系统的结构功能和稳定性就会遭到破坏,造成不可逆转的演替,这个临界限度称为气候变化对生态系统影响的生态阈值[9]。李克让等[15]认为由于胁迫因子极为复杂,再加上多种因子间的相互作用和制约,该类阈值是极端复杂的科学问题,不可能简单地用一个温度增暖的数值或温室气体排放总量的上限来确定。

 

3.1.2湿地生态系统。刘振乾等[9]利用系统动力学原理和方法对沼泽湿地蓄水量进行动态仿真,计算沼泽的安全阈值,即维持沼泽湿地生态系统稳定的面积限度,同时指出从不同功能价值角度考虑会得出不同的安全阈值。周林飞等[10]利用数理统计中的频率直方图,分析扎龙湿地长序列的水面面积数据,根据其出现的高低频率,寻求湿地的理想、中等、最小生态水面面积,得到湿地生态环境需水量的安全阈值。张家瑞等[11]利用回归模型分析法分析水体富营养化阈值,分别建立了水质指标与叶绿素α的多元线性关系式,根据因变量的临界值确定了有关自变量的水华暴发阈值。

 

3.1.3森林草地生态系统。李和平等[16]应用目标规划法建立区域性“水—草—畜”系统平衡优化决策数学模型,定量化分析研究毛乌素沙地典型牧区的水草资源承载力和相关技术经济指标,提出研究区草地生态系统管理的阈值水平。在虫害防治领域,骆有庆等[17]针对不同林种的经营目标,首次提出了防护林生态阈值的概念,通过回归统计分析,对各病虫害因素与合作杨枯梢程度进行一元线性回归分,以一定的可靠性得到了相应指标的变化区间,即生态安阈值。刘艳等[18]对国内外有关害虫防治经济阈值和生态阈值的概念及理论进行概述整理,全面总结我国在草地蝗虫防治经济阈值与生态阈值方面的研究进展,分析了2个阈值在实际应用中的关系。在林火防治方面,我国于2008年成功发射了具有新型传感器特性的灾害监测预报小卫星,刘良明等[19]针对这种卫星的新特性,提出了一种时空动态阈值火点检测算法,克服了传统固定阈值的森林火灾火点遥感检测算法因时空环境变化而导致的漏检误检问题,具有时空自适应性。

 

3.1.4海洋生态系统。穆景利等[20]重点综述了当前各种污染物海洋环境效应阈值(PNEC)的推导方法,对各方法的原理、应用范围、计算公式和毒性数据要求等内容进行详细介绍;认为在数据推导技术方面越来越多的统计模型或方法被尝试和应用,已由简单的评价因子法趋向多种统计方法相结合。

 

3.2生态阈值在不同研究尺度中的应用

 

在景观尺度上,张艳芳[21]首先采用景观聚类的方法,按主要景观格局指标和景观压力指数对不同的景观栅格单元进行聚类,然后定性分析聚类结果,形成生态安全定性评价序列,结合生态安全指数做出生态安全的散点图,根据散点图的拐点确定生态安全阈值。生境的破碎化和孤岛化是生物多样性的一个重要威胁,也是导致物种不断减少甚至灭绝的重要原因。刘常富等[22]研究了景观连接度距离阈值,认为200m的距离阈值可很好地找到造成当前景观连接度薄弱的区域,为有效增加景观连接度提供了解决思路,从而有效保护生物多样性。

 

在区域尺度上,对生态环境状况进行评价时,要根据国家和地方的生态建设标准和要求界定生态指标标准值,并在全区域内进行应用[23]。但是李晓燕等[24]认为这不能较好地反映区域生态状况的差异性。岳天祥[25]根据超嫡产生的基本原理讨论了K型增长种群的稳定区域,该方法为生态系统稳定性研究提供了新的途径。李晓燕等[24]借鉴该方法进行生态环境过程中关键阈值的确定。进一步从扰动因子来看,在人类活动方面,李晶等[26]在生态服务价值研究的基础上,根据陕北黄土高原的特点,利用回归模型法,通过对人口压力和生态服务价值做回归分析,再计算生态服务价值随人口压力增长的拐点,得到生态安全阈值。在物种个体研究尺度上,王翠玲等[27]建立了玉米干旱灾害动态风险评价指标体系及模型,通过选取典型干旱案例年,运用最优分割理论在综合考虑玉米产量损失的基础上确定了玉米不同生长阶段的干旱灾害风险阈值。

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