科学网—Fundamental Research｜霍守亮等：湖泊生态系统稳态转换早期预警
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2026-6-16 11:36
| 系统分类: 科研笔记
本文从复杂适应系统理论出发，系统梳理了湖泊生态系统发生稳态转换的内在机制，形成了一套基于临界点识别的风险预警框架。湖泊在逼近临界阈值的过程中可能释放出“临界慢化”“空间格局异变”“生态网络拓扑结构改变”等可检测的早期预警信号；同时，并非所有生态系统的剧烈变化均属于临界转换，不同类型的动态转变需要匹配差异化的识别方法。该综述为湖泊生态风险评估提供了系统的理论工具，也为从被动治理转向主动预警的水资源管理策略奠定了方法论基础。
中文标题：湖泊生态系统稳态转换早期预警
英文原题：Navigating tipping points: A complex systems framework for anticipating lake ecosystem collapse
通讯作者：霍守亮，北京师范大学
关键词：生态临界点；预警信号；稳态转换；富营养化；复杂系统
湖泊生态系统的非线性退化与稳态转换
湖泊退化常呈现非线性特征。当关键控制变量跨越阈值时，系统可能发生突变式稳态转换。理解这一动力学机制是有效风险预警的前提。
反馈回路：系统失稳的内在驱动
临界行为根源于正反馈机制。以浅水湖泊为例：营养盐增加促进藻类增殖，降低水体透明度，导致沉水植物衰退并削弱其对沉积物营养盐释放的抑制，释放的营养盐进一步加剧藻类增殖（图1）。此类正反馈循环使系统在外部驱动力达临界值时发生突变式分岔，并呈现迟滞效应——即使压力恢复，系统亦难自发返回原初状态。
图1：湖泊生态系统中的正反馈循环示例
临界转换前的三类早期预警信号
第一，时间维度的临界慢化信号。 系统趋近分岔点时，扰动恢复速率下降，时间序列上表现为自相关系数升高、方差增大及偏度变化。该方法已在湖泊叶绿素a浓度、水体透明度等长期监测数据中得以检验。
第二，空间维度的格局异变信号。 系统失稳前，生态变量空间分布趋于斑块化，空间方差上升。全湖操纵实验显示，引入捕食性鱼类后，作为猎物的鱼类其空间方差在种群崩溃前一年即显著增加，表明空间指标可能早于时间指标预警。
第三，网络维度的结构重组信号。 湖泊生态系统趋近临界点时，食物网拓扑结构发生改变，表现为网络连接度下降、模块化程度变化等。分析网络拓扑属性可识别关键功能群的脆弱性及扰动传播路径。
预警信号的适用边界
并非所有状态变化均属临界转换。部分系统变化为平滑的非分岔型转变，上述指标并不适用。预警方法需结合具体湖泊的动力学特征进行针对性验证。
人工智能与韧性管理
人工智能正提升预警实用化水平。未来整合卫星遥感、原位高频传感器与深度学习的“湖泊数字孪生”系统，有望实现生态系统风险的高精度模拟与动态推演。管理上应从被动响应转向韧性增强，包括控制外源营养盐输入、恢复水生植被、保护关键物种功能冗余度，并建立跨尺度协同治理机制。
结语
湖泊作为复杂适应系统，其灾变性退化并非毫无征兆。整合时间序列分析、空间统计、生态网络理论与人工智能方法，有望在临界点前识别系统失稳前兆，为从“事后应对”迈向“前瞻性干预”提供科学依据。
【主要作者简介】
霍守亮： 北京师范大学教授，国家重点研发计划项目负责人，国家自然科学基金青年科学基金项目(A类和B类)获得者，国家高层次人才特殊支持计划领军人才，国家环境基准专家委员会委员。长期从事流域生态环境演变、生态效应与基准标准，水利工程的生态环境影响与调控研究，发表SCI 论文130余篇，出版著作4部，获授权发明专利20余项，获省部级科技一等奖6项。
【引用本文】
Hanxiao Zhang, Hui Li, Shouliang Huo, et al. Navigating tipping points: A complex systems framework for anticipating lake ecosystem collapse. Fundamental Research , 6(2) (2026)592-603.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325825003346
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