植被垂直结构如何维系生态系统长期稳定?——中国东部季风区全新世植被演化的新认识
在全球气候变化和人类活动持续增强的背景下,生态系统正面临日益加剧的环境压力。越来越多的研究表明,生态系统对外界扰动的响应并非始终是渐进变化,而可能在长期环境压力积累后跨越某一临界阈值,发生快速而剧烈的结构重组,即生态系统临界转变(ecosystem tipping point)。这种转变通常伴随着生物多样性下降、生态系统功能退化以及生态服务能力减弱,因此,揭示生态系统长期稳定性的形成机制及其临界转变的发生过程,已成为全球变化生态学和地球系统科学的重要科学前沿。长期以来,人们主要利用森林覆盖率、植被绿度和生物量等指标评价生态系统状况,这些指标能够反映植被数量的变化,却难以揭示生态系统内部结构是否保持完整,以及不同植被层之间是否维持着稳定的功能联系。
森林是由乔木、灌木和草本共同构成的具有明显垂直分层特征的三维生态系统。不同植被层之间通过光照截获、水分利用、养分循环、微气候调节以及物种更新等过程相互作用,共同维持生态系统的稳定运行。其中,灌木层位于乔木层与草本层之间,是连接森林上下层的重要过渡层,在维持垂直结构连续性和促进不同植被层功能协同方面具有独特作用。然而,目前关于灌木层生态功能的认识主要来源于现代生态学观测,其在千年至万年尺度上是否持续影响生态系统稳定性,以及植被垂直结构如何调控生态系统长期演化和临界转变,仍缺乏系统认识。从长时间尺度揭示植被垂直结构与生态系统稳定性的关系,不仅是古生态学研究的重要挑战,也是深入理解全球变化背景下生态系统演化规律的关键科学问题。
图1. 中国季风区(ECMR)全新世生态系统驱动机制的广义加性模型(GAM)路径分析。实线和虚线分别表示正向和负向作用,线条粗细表示各驱动因子对模型拟合独立解释率的相对大小。
针对这一科学问题,本研究整合中国东部季风区覆盖整个全新世的大量花粉记录,并结合古气候、野火和人类活动等多种代用指标,系统分析了乔木、灌木和草本植被之间的长期动态关系,揭示了植被垂直结构与生态系统稳定性的耦合机制(图1)。研究发现,在北方森林—草原过渡区和南方亚热带森林中,完整的植被垂直结构能够有效降低生态系统波动,其中灌木层通过连接乔木层和草本层,增强了不同植被层之间的垂直耦合,从而提高生态系统抵御环境变化的能力;而在植被相对开放的中部暖温带地区,灌木层的缓冲作用明显减弱,生态系统稳定性更多依赖整体木本植被框架,因此更早发生植被重组和潜在临界转变。进一步研究还发现,随着野火增强、气候干旱加剧以及人类活动持续增强,灌木层的生态作用由缓冲环境波动逐渐转向参与植被重组,反映出植被垂直结构在生态系统接近临界状态时发生了功能重构(图2)。这表明,不同植被层之间耦合关系的变化不仅影响生态系统长期稳定性,还可能成为识别生态系统接近临界转变的重要结构信号。
图2. 中国东部季风区(ECMR)生态系统临界减速(critical slowing down, CSD)信号、潜在临界转变及其驱动因素。(a、c、e) 分别展示北部、中部和南部地区生态系统变异性(EV)及临界减速指标的时间演化过程。(b、d、f) 为潜在临界转变窗口内各驱动因子贡献的层次分解分析结果,基于广义加性模型(GAM)拟合,用于定量评估各驱动因子对生态系统阈值转变的相对贡献。
本研究从植被垂直结构这一新的视角,在万年尺度系统揭示了不同植被层之间长期结构耦合对生态系统稳定性的调控作用,提出了 “灌木介导的植被垂直耦合(shrub-mediated vertical coupling)”维系生态系统长期稳定的新理论框架,揭示了灌木层作为不同植被层之间关键连接介质的重要作用。 研究表明,决定生态系统长期稳定性的关键,不仅在于植被覆盖程度,更在于不同植被层之间是否保持完整的结构联系和功能协同。这一认识将生态系统稳定性的研究视角由关注植被数量(vegetation amount)拓展到关注植被结构(vegetation structure),为理解全球变化背景下生态系统稳定性的形成机制、识别生态系统临界转变以及预测未来生态系统韧性提供了新的理论框架,也为森林生态系统保护、生物多样性维持和生态恢复提供了重要科学依据。
相关成果以Shrub-mediated vertical coupling regulates Holocene ecosystem variability and transition dynamics为题,发表在Communications Earth & Environment。华东师范大学河口海岸全国重点实验室博士生王皓言为第一作者,刘演研究员为通讯作者。其他作者包括浙江师范大学李凯教授、廖梦娜副教授,博士生金伊丽,以及华东师范大学河口海岸全国重点实验室赵宁教授、刘世昊青年研究员、孙千里研究员、陈静研究员、李茂田研究员和博士生肖莉。研究得到国家自然科学基金面上项目(42371013,42571013)和上海市基础研究特区计划(TQ20220101)共同资助。
文献信息
Wang, H., Liu, Y., Xiao, L. et al. Shrub-mediated vertical coupling regulates Holocene ecosystem variability and transition dynamics. Commun Earth Environ (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03877-2
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communications earth and environment ,
2026 ,
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