生态系统突变早期预警指标的比较研究

论文总字数：15752字

目 录

摘要 4

Abstract 5

第一章 稳态转换与突变 6

1.1 多稳态(alternative stable states)的定义 6

1.2 稳态转换 6

1.2.1 稳态转换的定义 6

1.2.2 稳态转换的特性 6

1.2.3 稳态转换的类型 6

第二章 稳态转换的普遍性与灾害性 7

2.1 两次重大的突变 7

2.1.1 新仙女木时期 7

2.1.2 8200年冷事件 7

2.2 突变的普遍性 7

2.3 突变的灾难性 8

第三章 预警信号的意义 9

第四章 模型与方法 10

4.1 模型 10

4.2 方法 11

第五章 结果与分析 13

5.1 模型 13

5.1.1 模型的绘制 13

5.1.2 模型的理解 14

5.2 加入时间序列分析生物量的变化 14

5.2.1 绘制图像 14

5.2.2 不对称性的起源 16

5.3 偏度作为衡量稳态转移的指标 16

5.4 方差作为衡量稳态转移的指标 17

第六章 结论 19

第七章 讨论 20

第八章 结束语与展望 21

参考文献： 22

致谢 24

生态系统突变早期预警指标的比较研究

高曦

, China

Abstract：Ecosystems sometimes quickly transfer from a stable state to another stable state, which accompanied with structural and functional changes and degradation of the economies. These regime shifts of system are always being sudden and always accompanied with huge and catastrophic external impact force. Nowadays, many dynamic systems, such as financial markets, the circulation patterns of ocean biology and lakes are now considered have a tipping point. Under this critical state with a tipping point, the system may suddenly switch from one state to another. So it is very important for us to find out methods to determine when the tipping point will pop up. However, this process of prediction is very difficult, because most of the complex ecosystems will only have slight changes before reaching the tipping point. This paper use numerical simulation methods to observe the variation and distribution of the skewness and the variance when the system approaching the tipping point. Then discuss whether these two parameters are suit for serving as early warning signals or not. The results show that the skewness and the variance can be used as early warning signals and can be used as an indicator for predicting the transition of the state, because both of these parameters show a clear upward trend with the existence of changes either in the external environment or in the internal parameters. As a result, we can predict in advance before an imminent regime shift occurs.

Key words：Regime shifts; alternative stable states; tipping points; warning signals

第一章 稳态转换与突变

• 1. 多稳态(alternative stable states)的定义

生态系统在外界干扰下，通常是逐渐缓慢变化的，但是，一些灾难性的变化也会发生，这种突变的产生是由于生态系统内部里有着非线性的联系，这些非线性的联系产生了多稳态。多稳态是指在相同的外界条件下，系统可以同时存在两种或者两种以上的结构与功能上完全不同的稳定状态，其中稳定状态是指，在一定的外界条件下，系统的结构在动力学理论上保持稳定，在生态学中是指系统在一定的时间与空间上，结构与功能保持不变。并且，这种稳定能够在微小的外界干扰下长期保持不变。在这里， 我们可以用“杯中弹子模型”来解释模拟多稳态，其中弹子代表生态系统的状态，处于杯底的弹子表明此时生态系统正处于稳定平衡的状态。那些在杯子的斜面处的弹子都分别代表着各个不稳定的生态系统的状态，并且这个斜面称为吸引域（basins of attraction）。杯子的形态可以随着外界条件的变化而变化，由此来改变稳定性与弹性。总的来说，多稳态现象是生态系统发生稳态转换的前提与本质。

• 1. 稳态转换

1.2.1 稳态转换的定义

生态系统有时候会从一个稳定状态迅速转移到另一个稳定状态，并且伴随着一些巨大的具有不同的性质特征的变化与随之而来的经济损失。这种非常突然的转变并且没有伴随着大的外部冲击力量，反而只是对外部环境造成一些平缓的变化的转变称为“稳态转换”，例如，半干地区生态系统的植被的崩溃，河流的富营养化，海洋生态系统中珊瑚礁状态的变化。

1.2.2 稳态转换的特性

稳态转换的特性可以总结为以下三点1.稳态转换有难以预测性，是一种在短时间就可以

发生的变化。2.这种转换是快速且突然的，这种转换在发生之前常常是没有明显预兆的，但是发生过程却往往是突然且具有灾难性的。3.发生稳态转换时，系统的结构与功能会发生明显的变化。4.转换之后会形成另一个可以长期存在的稳态。

1.2.3 稳态转换的类型

稳态转换分为平滑型稳态转换，突变型稳态转换以及不连续变化型稳态转换。平滑型稳

态转换是指，当生态系统与驱动因素呈线性关系的时候，生态系统随着驱动因素而直接变化。突变型稳态转换指的是生态系统有一个特定的突变点，当这个突变点到来的时候，系统的结构和功能会突然的发生变化，并且突变点是难以预测的。不连续变化型稳态转换发生在存在着多个稳态的生态系统中，生态系统有可能会在多个稳态之间发生变化。

第二章 稳态转换的普遍性与灾害性

2.1 两次重大的突变

2.1.1 新仙女木时期

新仙女木时期（Younger Dryas period）：冰河世纪结束后，地球的温度开始回。大约在1.7万年前，北美，北欧以及两极的冰川开始融化，由此导致了海平面的逐渐上升，许多草原都已经被淹没。大约在1.3万年前，南北半球的气温已经达到了非常温暖舒适的状态，形成了一片繁荣景象。但是，就在这时，约1.29万年前，位于北美洲的一些动物，例如剑齿虎，长毛猛犸象，骆驼，树懒和美洲狮突然灭绝，除此之外，克劳维斯人也在同一时期突然消失。世界各地转入严寒，两极及阿尔卑斯，青藏高原等地方的冰盖扩张，地球陷入了一个气候极速变冷的“春寒期”，这个时期持续了1300年之久。此为“新仙女木事件”。这一次降温是非常突然且快速的。新仙女木事件的影响无疑是巨大的，例如在突变突然爆发后，一些地区的气候变得异常干燥寒冷，这使得环境承载力大大的降低，那个年代的人类（智人），大多数时间都是靠采集与狩猎存活的，在如此残酷的环境下，智人这个物种只能够通过收集一些植物的物种并且吃下其中营养不丰富的种子存活。刚刚从最后一次冰期恢复后，格陵兰岛（greenland）的气候又恢复到非常寒冷的气候，并且持续了几个世纪，然后突然跳回到10°温暖的状态。最近一次突然的气候变化是约在5000年前，北非突然从一个稀疏的湖泊转向一个荒漠状态的沙漠状态。

2.1.2 8200年冷事件

8200年冷事件：在公元前6400年，由于充当缅甸托巴湖大坝的冰块突然崩裂，导致大量缅甸托巴湖中的淡水经过哈得逊湾流入北大西洋，引起了持续几十年的北半球降温。在那之后，气温有所回升。但是，在公园前6200年，奥吉布韦湖（Ojibway）也突然决堤了，之后又引起了一次全球降温。

2.2 突变的普遍性

近年来，长江中下游浅水湖泊发生了不同程度的富营养化。一些湖泊生态系统状态有所改变，由于长江中下游浅水湖泊发源于洪泛平原，营养低值高，所以其一直都是一个中国社会，文化，经济的中心地带。但是，湖泊生态系统状态的改变，导致了长江中下游湖泊生态系统对社会和经济的可持续发展产生了重大的阻碍。通过对硅藻样品进行分析后，研究者表明，以1958年为界限，前后两个时间段的硅藻群落组合有着较大的差异，并且，在1927，1947，1958，2001年附近硅藻群落也有着显著的变化。

东南澳大利亚大陆架生态系统是一个非常缺少长期的生物学观测的地区。这些地区支持着澳大利亚最大的商业性渔业，但是近几十年来经历了极其迅速的气候变化，这使得对该地区的生态变化的更全面的理解成为一个特别紧迫的目标。研究者表明稳态转换对于在世界各地被开发的海洋生态系统中的报道越来越多。在对北半球海洋生态系统的稳态转换进行的回顾中，大多数是使用多变量的方法来统计分析时间序列。

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