生態安全閾值研究述評與展望

王世金，魏彥強

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院西北生態環境資源研究院甘肅省遙感重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

生態安全閾值研究述評與展望

王世金1，魏彥強2

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院西北生態環境資源研究院甘肅省遙感重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

隨著全球變化的加劇，生態環境不斷受到干擾和損害，生態安全問題日益突出。21世紀以來，生態系統風險或安全評估已成為全球變化和生態學研究的國際前沿和熱點，其不同尺度不同類型生態安全閾值的判別和認知是生態系統風險或安全評估的關鍵和核心，更是全球變化脅迫下生態系統適應性管理的基礎。本研究以生態系統不同脅迫要素為切入點，對生態安全閾值研究理論與實踐發展進行了綜述，大量文獻顯示通過提高生態安全閾值的判別和預估水平，不僅可揭示生態系統穩態轉化與氣候變化、碳氮循環、土地和草地利用、區域政策制度等脅迫因子的相互作用關系，而且對于退化生態系統修復及其生態環境保護與管理意義重大。當然，鑒于不同脅迫因子及其不同類型生態系統結構健康性及服務功能可持續性判別的復雜性，生態安全閾值厘定和預測能力極為有限，仍存在很大不確定性。

生態系統；安全閾值；述評與展望

生態安全一般有廣義和狹義的兩種理解。狹義生態安全是指生態系統自身安全，包括生態系統初級生產力、結構與功能、生物多樣性、生態承載力等。廣義生態安全是除自身安全外的生態系統服務功能可持續狀況，包括氣候及水文調節、養分循環、水源凈化、水土保持、水源涵養、防風固沙、光合固碳氮、食物及資源供給、環境凈化、生態旅游及文化娛樂功能及作用等[1]?？傮w上，生態安全與生態系統結構健康狀態及其服務功能可持續性之間存在內在聯系。生態系統結構的健康、完整性是生態系統自身安全的關鍵，更是生態系統為人類提供服務的基礎，生態系統服務功能的可持續性則在很大程度上由生態系統自身結構得以表征。

隨著全球生態環境的惡化和可持續發展問題的日益突出，21世紀以來，生態系統風險或安全評估已成為全球變化和生態學研究的國際前沿和熱點。特別地，近期“未來地球”國際計劃將地球生命承載力極限與臨界點研究作為其重要的研究問題之一，強調對全球環境變化對人類的食物、水、健康和能源等需求進行早期預警[2]。國內外許多學者從不同角度對生態安全基本概念及內涵進行了系統闡述，并基于不同尺度對其不同生態系統安全風險進行了評估[3-5]。為維護國家或區域生態安全，我國已將“生態紅線”制度和“生態文明”建設上升為國家戰略[6-7]。生態系統面臨風險強度及時空格局的系統評估是全球變化背景下生態系統風險適應性管理的基礎，而生態安全閾值的判別和厘定則是生態系統風險或安全評估的關鍵和核心[8]。目前，國內外生態安全閾值研究方興未艾[9-13]。20世紀70年代以來，隨著生態安全內涵及外延的擴展，生態安全閾值理論也不斷受到生態學和經濟學界與政界的廣泛關注，其研究已經在不同尺度、不同生態系統類型廣泛開展，其概念、研究方法及實踐應用也在不斷完善之中。通過提高生態系統安全閾值的判別水平，不僅可揭示生態系統安全閾值與氣候變化及土地利用、放牧活動和政策制度等影響因子間的相互作用關系，而且對于發展和完善生態系統科學管理體系也具有一定理論意義。

1 生態安全閾值內涵

20世紀70年代，May[14]對生態系統多穩態轉換與閾值的描述，首次提出生態閾值概念，認為閾值反應生態系統可能發生狀態變化的臨界點。Westoby等[15]亦認為生態系統存在多個不平衡狀態, 而這些狀態之間具有一定閾值。Friedel[16]認為生態閾值是生態系統兩種不同狀態在時空上的界限。在沒有管理干預背景下，在實際時間尺度上，兩種生態系統狀態的時空界限是不可逆轉的。Schaeffer等[17]提出生態系統功能閾值，認為人類對環境資源的開發利用和社會經濟的發展不能超過此閾值。Brown等[18]認為生態閾值的確定旨在低投入條件下能夠可持續性地管理森林、灌木和草地，從而獲得最大生態和經濟收益。Muradian[19]定義生態閾值為獨立生態變量的關鍵值，在此關鍵值前后生態系統發生一種狀態向另一種狀態的轉變。Wiens等[20]認為生態閾值是生態系統的轉變帶，而非一系列的離散點。國際性學術組織“恢復力聯盟”(Resilience Alliance)定義生態閾值為生態系統的不同生態特性、功能狀態之間的分歧點[21]。Larsson[22]在研究草地水資源的分配時指出，生態閾值決定環境質量和生物的數量與物種數目。Bennett等[23]認為生態閾值是生態系統從一種狀態快速轉變為另一狀態的某個點或一段區間，推動這種轉變的動力來自某個或多個關鍵生態因子微弱的附加改變。Kinzig等[24]認為持續的外來脅迫會降低生態系統的恢復力，從而使其超過閾值的范圍并發生穩態轉換。李和平等[25]認為生態閾值是一個生物或生態系統與環境相對應的一系列質變點和由此發生的質變軌跡，而不只是死亡或存活的臨界點，可以是“點”、“線”或“面”。Scheffer等[26]認為生態閾值是復雜生態系統中生態系統發生崩潰或者積極方向改變的臨界點。Larsen等[27]認為生態閾值代表了生態過程或參數發生突變的一個點，此突變點響應于一個驅動力相對較小的變化。生態系統狀態變化與環境壓力(驅動力)之間存在3種假定關系，前一種為線性關系(圖1a)，后二者為非線性(突變)關系，且后二者過程為可逆過程(圖1b，c)。

圖1 在環境變化或人為干擾條件下生態系統狀態變化的假設軌跡[27]Fig.1 Hypothetical trajectories of change in the ecosystem state as a function of changes in environmental conditions or anthropogenic disturbance 生態狀態反映了一種生態系統的特性，如物種多樣性、生物量產量及其一些所需的生態系統服務。其中，a顯示了一種線性響應，且無閾值發生。b顯示僅當一個特定環境閾值(向下的粗箭頭)到達時生態系統將產生一個戲劇性變化，且這個變化是可逆的，并且將伴隨同一路徑。c顯示生態系統變化軌跡(實線)和恢復軌跡(虛線)具有不同路徑，即具有滯后效應。 Ecological state indicates an ecosystems’ properties such as species diversity, biomass production, or some desired ecosystem service. In a the response is linear and shows no threshold behaviour. In b the ecosystem shows a dramatic response only when a specific threshold is reached (thick downward arrow). In this model the change is reversible and will follow the same path. In c the ecosystem shows a hysteretic response, where the trajectories of change (continuous line) and recovery (dashed line) follow different paths.

國內外生態閾值概念描述不同，缺乏統一定義，其主要原因是不同尺度不同類型生態系統平衡狀態很難確定, 同時涉及生態系統自身結構、功能以及外界脅迫因素過多，其安全閾值呈動態變化特征。然而，多數學者公認的是，生態系統具有一定自我調節和恢復性能，生態破壞一旦超過其自身恢復的“生態閾限”,生態系統則發生穩態轉換[28]，其系統結構功能和穩定性則難以恢復至退化前的原始狀態，其長期的恢復或修復將付出高昂代價。按劃分標準的不同，其生態安全閾值類型各異。按生態系統突變和漸變轉化原則，可將生態安全閾值劃分為生態安全閾值點和生態安全閾值帶。按評估對象的不同尺度和規模特征，可分為個體生態閾值、種群生態安全閾值、群落生態安全閾值、景觀生態安全閾值、區域(流域)生態安全閾值及復合生態系統安全閾值等。按脅迫因子類型，可分為生態系統自身要素脅迫閾值、氣候變化脅迫閾值、人類活動脅迫閾值、生源要素脅迫閾值以及多源要素脅迫閾值等。生態安全閾值大小取決于生態系統本身的結構(系統物種的多樣性、等級層次、營養結構和聯結方式)、功能(生產功能如第一性生產力、碳蓄積能力等)和成熟程度等。

2 生態安全閾值研究進展

以往生態閾值研究在草原、森林、湖泊、沼澤、濕地、河流、海洋等不同生態系統以及在個體、群落、景觀、生態系統、區域(流域)等不同尺度開展了廣泛研究，同時在物種保護、生態修復、生物多樣性保護、生態管理等方面也做了大量研究，其進展顯著，且通過建立不同的數學模型求解出系統中某一因子的生態安全閾值，從而判定相關系統的安全狀態[29-34]。不同類型、不同尺度生態系統各脅迫因子相互作用、相互制約，各脅迫因子隨時空變化而變化，當生態系統自身要素或環境脅迫因子變化(主要控制變量)超過一定閾限，將導致整個生態系統狀態變量的巨大變化，這個閾限便是“脅迫閾限”(stress threshold)。本研究從生態閾值的脅迫對象出發，對生態安全閾值研究進行系統述評。

2.1 自身要素脅迫閾值

生態系統群落特征、物種豐富度、生物多樣性、生物量等結構與系統服務功能安全之間相互作用，相互影響，共同構成生態系統安全體系。生態系統自身結構越完善，系統安全程度就越高，受外界脅迫影響就越小[35]。例如，Andre’n[36]認為在低于10%～30%的棲息地蓋度下，鳥類和哺乳動物的物種豐富度會急劇下降。Hanski等[37]指出，棲息地喪失過程中存在一個閾值點，到達這一點時，種群滅絕概率將迅速升高，此“滅絕閾值”取決于有機體的繁殖率、離開棲息地的遷移率以及棲息地的環境狀況等。在生態系統尺度上，大量實驗已經證明了棲息地大小影響生物多樣性的生態閾值的存在。當植被覆蓋率下降到10%～30%范圍內，會發生物種不呈比例的消失，其30%就是生境破壞的底線[38-39]。例如，外蒙古荒漠草原植被覆蓋度低于30%[40]、福建紅壤林地植被覆蓋度低于20%時[41]，生態系統就會持續退化，自然狀態下無法實現自我修復。Twardochleb等[42]認為，入侵種和捕食者之間的關系也受到各自種群密度的影響，新西蘭蝸牛(Potamopyrgusantipodarum)入侵過程與其天敵小龍蝦(Pacifastacusleniusculus)密度密切相關，在小龍蝦密度較小(<0.2個/m2)環境下，蝸牛可以成功入侵，而當小龍蝦密度超過0.2個/m2時，蝸牛則很難建群。同時，生態系統結構改變影響其生態服務功能。Tilman等[43]田間試驗表明，提高生物多樣性可以顯著增加植物生產力和資源利用率。王秋生[44]通過植被控制土壤侵蝕模型得出喬木郁閉度大于0.3，灌草覆蓋度大于40%可達到最佳水土保持效果。郭忠升[45]通過植被蓋度與土壤流失量的關系式計算得出植被群落最大水土保持作用的臨界蓋度為80%。焦菊英等[46]認為黃土高原地區林草措施要發揮水土保持作用，林地有效覆蓋度在最大坡度(35°)下為75.5%，相應的草地有效覆蓋度為82.6%。另外，生態系統蟲(鼠)等脅迫閾值的確定對其生態系統管理意義也很重大。生態閾值對于生態系統蟲(鼠)害防御也具有重要作用。駱有慶等[47]研究表明，森林生態系統中楊樹天牛的防治生態閾值為4.8個羽化孔，并指出對于以生態防護效益為主的防護林來說經濟閾值具有局限性，而應以生態閾值作為害蟲防治的參考依據。美國農業部及動植物健康檢驗局[48]對美國西部每年蝗蟲成蟲種群調查，認為蝗蟲種群大于等于9.6頭/m2時蝗蟲暴發。廉振民等[49]對甘肅省祁連山東段草地蝗蟲復合防治指標進行研究，指出在牧草受損量達到28頭/m2時進行防治。韓崇選等[50]通過實驗證實，嚙齒動物主要危害10年以下幼樹。徐滿厚等[51]對單株梭梭(Haloxylonammodendron)整株危害程度與其冠下鼠洞總數進行數據擬合，得出二者呈指數函數關系，進而得到梭梭鼠害防治生態閾值鼠洞總數為5個/株。

2.2 氣候變化脅迫閾值

未來50～100年，全球氣候將繼續向增暖的方向發展[52]，在未來氣候變化情景下，全球變化對生態系統風險將進一步加劇。氣溫、降水和干旱對生態系統脅迫影響最為重要，這3個關鍵要素是確定生態安全閾值的重要指標，直接或間接影響著生態系統結構、功能及其植被群落的分布與組分[53-54]。溫度變化直接影響植物光合、呼吸、蒸騰等生理作用。Bachelet等[55]采用生物地理模型(MAPSS)和動態全球植被模型(MC1)相結合模擬，結果表明，若溫度升高4.5 ℃，將使美國主要生態系統面臨干旱的威脅，并將此值定為溫度影響生態系統的安全閾值。Scholze等[5]將16種不同GCM模式輸入動態植被模型LPJ，對氣候變化影響全球生態系統的風險評估表明：即使大氣成分保持不變，在全球增暖情景下未來200年的生態風險將持續增加，尤其是增溫>3 ℃時，21世紀全球碳匯轉化為碳源的風險為44%，徑流增加的風險(80%)大于減少。Scheffera等[56]揭示在不同氣候狀態下寒帶(45°-70° N)森林覆蓋頻率分布存在明顯的替代模式。在寒帶北端和在干燥的大陸南端，無樹苔原和干草原分別是該區唯一可能存在狀態。當溫度超過一個顯著的中間范圍，這些無樹狀態則與寒區森林(大約75%的森林覆蓋率)和兩個以上稀疏林地(大約20%和45%的森林覆蓋率)共存。然而，中間森林覆蓋率(大約10%、30%、60%的森利覆蓋率)則比較少見，表明這3種狀態可能是瞬時存在的不穩定狀態。假如該推斷正確，氣候變化將引起寒帶生物群落巨大的非線性變化。Cavanaugh等[57]利用1984-2011年多年遙感影像和氣象數據證實，沿美國佛羅里達州東北海岸的紅樹林面積呈增加態勢，在這個區域紅樹林面積的增加對應于極端冷事件頻率的降低，并且確定-4 ℃為與溫度相關的生態閾值，該結論暗示紅樹林區域景觀規模的增加也許會在氣溫脅迫閾值超過-4 ℃的其他區域出現。氣溫直接影響水體溫度，不同浮游植物其最適溫度各不相同，大多數浮游植物最適生長溫度在18～25 ℃之間，藻類優勢種群隨著溫度的變化而改變[58]。Baker等[59]證實，區域海水表面溫度0.1 ℃的上升已導致有記錄以來珊瑚漂白區域數量35%的增加，而大規模珊瑚漂白事件即發生在0.2 ℃及以上溫度海域。Li等[60]對干旱區生物土壤結皮中隱花植物多樣性的維持機制進行了探討，認為在區域尺度上，降水梯度決定著其種類的分布和蓋度，如降水大于300 mm 的科爾沁和毛烏素沙區發育以蘚類為優勢的結皮，而在降水小于200 mm 的穩定沙丘發育以地衣為優勢的結皮。Li等[61]研究發現：5和30 mm降水事件是荒漠區植被NDVI開始響應和發生較大響應的閾值。其中，>30 mm降水事件后NDVI的增長率是<30 mm降水事件的3～6倍。Phillips等[62]通過研究極端干旱氣候事件影響亞馬遜熱帶雨林生態系統固碳服務功能，結果表明：2005年夏天爆發嚴重干旱，林冠層發生巨幅改變、生物量大幅降低，碳損失達到1.2 Pg，對干旱脅迫非常敏感，碳截獲能力降低。Wang等[63]對太湖地區氮磷濕沉降動態進行了研究，結果顯示，太湖地區每年濕沉降輸入全氮(TN)、全磷(TP)分別為30.2和1.1 kg/hm2，且所有降雨中溶解氮濃度均大于水體富營養化閾值，92.5%的降雨中溶解磷大于水體富營養化閾值。

2.3 生源要素脅迫閾值

生態系統生源要素包括水、光、風、氮、二氧化碳、磷、鉀、鈣、鎂、硫、微量金屬及其他資源。根據生境和物種的不同，其生源要素限制各異，其中陸地生境最普通的限制性生源要素為水分、鹽分、養分[64]。對于生源要素脅迫閾值，國內外學者已在細胞、組織、器官和個體等不同尺度上開展大量研究。研究表明：水分對凈初級生產力的調控是驅動生態系統功能的重要因素。李新榮等[65]認為干旱區植物細根季節動態明顯受到土壤水分影響，如果土壤含水量低于2.75%(油蒿，Artemisiaordosica)和2.60%(檸條，Caraganakorshinskii)左右時，油蒿或檸條根系將在一個月后出現生長高峰，然而高于該值時，根系均不會出現高峰值，說明這一含水量可能是細根生長采取不同生態策略的閾值。崔保山等[66]分析了黃河三角洲鹽地堿蓬(Suaedaglauca)對水埋深和土壤鹽分環境梯度變化的響應，結果顯示，鹽地堿蓬生長的最佳水位埋深約為-0.42 m，其最適生態閾值區間在-0.67～-0.17 m。王擺等[67]利用高斯模型定量，計算遼河三角洲大凌河口濕地生態系統翅堿蓬種群沿土壤水分和鹽分的生態閾值，認為翅堿蓬最適土壤鹽分生態閾值區間為8.58～15.70 g/kg，最適土壤水分生態閾值區間為40.92%～78.72%。張華兵等[68]以江蘇省鹽城海濱濕地典型區域為案例，確定了海濱濕地蘆葦(Phragmitescommunis)沼澤、堿蓬、米草(Spartina)、光灘景觀土壤水分和鹽度的閾值分別為<42.33%和<0.75%、38.84%～46.60%和0.40%～1.31%、>39.48%和>0.40%、>41.55%和>0.66%。

除水分、養分、鹽分外，碳氮磷也是影響自然生態系統穩定性和物種多樣性的關鍵要素。一般認為，大氣CO2濃度上升及由此而引起的全球變化被認為將促進植物生產力和生物量的增加，CO2濃度上升對植物將起著“肥效”作用，但增幅超過一定閾值，固碳功能將隨之減小。Taub等[69]實驗研究表明，CO2濃度的提高在一定程度上增強了植物對高溫的適應性，提高了其引起生理活性衰變的閾值。氮沉降的增加能在短期內提高植物地上部生物量，但其長期效應卻是引起生物多樣性下降和生態系統功能的退化[70-71]。在歐洲，基于量化閾值相關的生態系統功能的具體變化，氮沉降臨界載荷已被設定在了不同生態系統。例如，基于地面植物變化的考慮，石灰巖區森林(calcareous forests)氮沉降閾值基本上被設定為15～20 kg N/(hm2·年)，而基于植物多樣性損失考慮的中等營養沼澤氮沉降閾值則基本上被設定為20～30 kg N/(hm2·年)[72]。研究表明，不同區域不同類型生態系統氮沉降對生物多樣性產生顯著影響的閾值。目前，氮沉降對各種生態系統產生顯著影響的臨界值或閾值成為國際關注熱點[73]。Clark等[74]發現，北美溫帶草原氮沉降對生物多樣性產生顯著影響的閾值更低，即氮沉降升高10 kg N/(hm2·年)會導致草原物種數減少17%。Bai等[75]通過長期氮素添加實驗，研究不同組織水平(植物種、功能群、群落)上氮素添加對內蒙古典型草原成熟和退化草地群落生物多樣性和生態系統功能的影響，發現我國內蒙古溫帶草原氮素升高引起草原物種數顯著下降的臨界值為17.5 kg N/(hm2·年)，達到飽和的氮素添加量105 kg N/(hm2·年)。李艾芬等[76]對浙江省茶葉主產區159個樣點土壤分析表明，土壤有效磷超過55 mg/kg時，土壤水溶性磷和磷的釋放潛力迅速增強，建議把該值作為茶園土壤磷肥施用限制的參考指標。

2.4 人類活動脅迫閾值

生態系統結構及功能的穩定性需要人類活動進行適當調控。然而，人類活動干擾強度過大時，生態系統安全將受到很大影響[77-78]。人類活動包括土地利用、草地利用、重大工程(如交通干線、輸油管道、大壩、退田還湖等)、農林牧副漁產業、旅游活動、污染等。Reid[79]曾開展全球生態系統健康調查，結果顯示，人類活動對地球生態系統構成了潛在威脅。特別是在人為活動占優勢的景觀內，不同土地、草地利用方式和強度產生的生態影響具有區域性和累計性特征，并可直觀地反映在生態系統的結構和組成上。Noy-Meir[80]、Schwinning等[81]利用生態閾值確定了草原生態系統自我維持、保持相對平衡狀態時供應反芻動物取食的閾值是可利用草地面積的5%，這為人類活動干預下草原退化與恢復演替的研究，特別為確定天然草原放牧強度的生態閾值提供了依據。Westman[82]通過利用原油對沼澤草地做多次處理，發現原油對草地脅迫時間越長，會出現一個使得草地無法恢復的閾值。Cooper等[29]以草地生態系統生態因子及社會經濟因素相互作用為關聯基礎，用數學模型評價了草地生態系統在連續放牧條件下得以維持基本生態功能的生態閾值。Newman等[83]、Hose等[84]利用累積概率分布函數擬合污染物的毒理學數據，建立其物種敏感性分布曲線(即，物種敏感性分布法，SSD)，依據不同的保護程度(風險水平)獲取曲線上不同百分點所對應的濃度值作為基準值(即生態安全閾值)。Hughes等[85]研究發現，因受人類過度捕撈，水質下降，大量食草性魚類消失，導致大量海藻的劇烈產生，嚴重抑制珊瑚的發育、補充和生存，從而使世界范圍內珊瑚礁經歷了相移交替和退化組合過程。另外，生態閾值及其相關景觀穩定性總體上由社會經濟生態系統(SES)共同決定，特別是制度變遷對生態安全閾值強迫巨大[86]。因此，生態系統利益相關者(人類活動)在預防生態系統恢復力和穩態轉變中起著重要的作用。

2.5 多源要素脅迫閾值

一個處于穩定狀態的生態系統到另一個狀態會存在一個明顯的變化，這個變化出現的閾值不一定是單個影響因素造成，而是多個因素綜合的結果。例如，增溫同時減少降水能顯著增加生態系統CO2的排放，增加碳的丟失，而增溫和增加降水之間存在非疊加的耦合效應且對生態系統結構和過程影響顯著[87]。溫度的升高對N2O產生和排放的生物學過程也有著重要影響，增溫顯著增加了森林土壤N2O的排放，強度甚至達到了兩倍[88]。增溫能減少積雪覆蓋影響土壤凍融過程進而影響N2O排放，尤其是凍土生態系統。氮沉降促進土壤硝化和反硝化過程，向陸地表面輸入1000 kg活性氮，就能產生10～50 kg N2O[89]。李和平等[25]針對內蒙古毛烏素沙地典型荒漠化草原區，基于水資源-草地生態-社會經濟復合系統耦合機理，綜合考慮水資源對地區人口、資源、環境和經濟協調發展的支撐能力，應用目標規劃法建立區域性“水-草-畜”系統平衡優化決策數學模型，提出了研究區草地生態系統管理的閾值水平。梁銘忠等[90]對廣西都安瑤族自治縣的6個鄉鎮石漠化程度演變進行研究，運用回歸統計原理和數學擬合方法建立脅迫閾值模型，結果顯示，人均GDP閾限值最大，其次為植物群落結構、社會綜合指標、土壤綜合指標、植被綜合指標以及植被覆蓋率，說明這些脅迫因子使石漠化程度類型從量變到質變的過程相對較長。

3 研究述評

總體上，國內外生態安全閾值理論在生物多樣性與生態系統功能、全球變化與生態系統響應，以及在生態建設、生態恢復與保護、環境管理、物種保護、棲息地管理、生態系統適應性管理等應用方面取得了很大進展[91-95]。生態閾值的判別方法，主要有個體與群落小尺度上單要素觀測與實驗、對比分析、回歸統計，以及基于景觀、生態系統、區域及其全球大尺度多要素的生態過程模型、綜合評價方法、景觀格局模型、系統動力學模型等[96-98]。縱觀國內外研究進展，生態系統干擾因素頻度高、外界環境變化快，其時空動態趨勢具有復雜性、非線性、多穩態性，動態預測難度較大，其生態安全閾值的確定始終都是一個難點，至今無一有效評價方法和模型。已有生態安全閾值多參照已有相關標準值或直接依據現狀值進行估算，忽略了閾值時空動態性特征，且以此為參考標準確定閾值存在一定主觀性。以往生態系統安全閾值研究多針對小尺度單一要素展開，且多關注于特定生物種群或者特定監測指標，而利用生態過程模型與景觀格局、氣候模型、碳氮磷模型耦合或嵌套方法對大尺度生態系統多要素安全閾值的判定相對較少，且未得到足夠重視。同時，基于關鍵物種、群落、生態系統、區域多尺度生態安全閾值判別的綜合集成研究仍處于空白狀態。特別地，目前大部分生態閾值的實驗觀測都局限于對已發生穩態轉換的分析，無法對預期發生的生態系統穩態轉換進一步變化做出判定、預測和預警。

4 展望

不同生態系統不同生態因子相互作用復雜，氣候及人類活動脅迫因子同樣復雜，加之多種因子間的相互作用和制約，生態安全閾值的性質及其在不同空間尺度上的表現等方面仍存在很大不確定性。當然，不管當時氣候變化是否能導致閾值轉變，以及外界環境驅動因子異常組合怎樣能影響這些閾值轉變的可能性，但生態安全閾值研究對于理解外界環境脅迫怎樣影響生態系統結構、恢復力、服務功能方面具有重要作用。

隨著氣候變化、碳氮循環、人類活動等環境因子的改變，我國生態系統植被分布格局和穩定性等正發生急劇變化，生態系統物種、生長形態組成、空間植被分布、入侵物種現狀等的改變，以及生態閾值發生后優勢種的消失均將逆轉其生態閾值。如何厘定氣候變化及人類活動雙重脅迫下不同尺度生態系統的動態安全閾值，如何將小尺度生態安全閾值轉換至大尺度區域生態系統風險評估，是正確評估區域生態系統風險及其時空格局的關鍵環節。

總體而言，生態管理者必須同時考慮在穩定狀態內兩個連續性植被動態以及在多狀態內不連續性的植被變化(安全閾值)。在穩定狀態內，植被管理可使資源健康，以更改閾值的發生。特別地，完全由偶發事件驅動的植被動態變化，人們往往忽視，從而降低了對其適應性管理的動機。因此，不僅加強小尺度生態系統單要素脅迫因子和生態因子的長期監(觀)測，還要加強偶發事件驅動的不同尺度不同時空生態系統穩態變化態勢的監(觀)測、預警以及模擬研究。在模擬過程中，要加強外界脅迫因子對不同尺度生態系統的影響機制研究，以及生態系統狀態對這些脅迫因子的響應機理，以提高模擬模型的結果精度與普適性。另外，生態安全主要圍繞區域和國家乃至全球宏觀生態問題的產生而提出。因此，生態安全閾值的研究必須立足于大尺度生態問題。通過加強各站點單要素監測或觀測力度，力求使站點單要素生態閾值精確化，通過尺度轉換方法，以宏觀生態學理論為指導，將站點生態閾值與區域生態安全閾值結合起來，強調不同尺度生態安全閾值的綜合集成。

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Overview and prospects for ecological safety threshold research

WANG Shi-Jin1, WEI Yan-Qiang2

1.StateKeyLaboratoryofCryosphericSciences,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.KeyLaboratoryofRemoteSensingofGansuProvince,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

With global change intensifying, the ecological environment has been disturbed and damaged, resulting in increasingly evident ecological security problems. During the 21st century, ecosystem risk (or safety) assessment has become an internationally recognized discipline at the forefront of global change and ecology research. A key object of ecological safety research is to identify and understand the tolerance threshold of the different types of ecosystems at various scales and the processes of adaptive management of ecosystems under global change stress. This paper takes the different elements affecting ecosystems as the starting point to review the theory and application of the ecological safety threshold concept. The literature reveals the interrelationship between ecological steady-state processes and perturbations of climate change, impacting on carbon and nitrogen cycles, with a consequent need for changes to land and grassland use, and regional policy regimes, among others. Furthermore, improving detection of ecological safety thresholds in major ecosystems and the precision of forecasts about their behavior is pivotal to restoration of degraded ecosystems and the protection and management of the ecological environment. Because of the complexity of the changes to ecosystem processes induced by the various stress factors, and gaps in knowledge about the processes themselves, especially in relation to defining health and sustainability in different types of ecosystem, the determination and predictive capability pertaining to the ecological safety threshold is currently very limited, and there is still great uncertainty.

ecosystem; safety threshold; overview and prospects

10.11686/cyxb2016075

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-03；改回日期：2016-04-07

國家自然科學基金委重大項目“中國冰凍圈服務功能形成過程及其綜合區劃研究”第三課題“中國冰凍圈過程與人文服務功能評估”(41690143)，國家自然科學基金委面上項目(41671058)，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所科技服務網絡計劃(HHS-TSS-STS-1501)資助。

王世金(1975-)，男，甘肅金昌人，副研究員。E-mail: xiaohanjin@126.com

王世金， 魏彥強. 生態安全閾值研究述評與展望. 草業學報, 2017, 26(1): 195-205.

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