Войти
Смена режима - это большие, резкие, стойкие изменения в структуре и функции экосистем, климат, финансовые системы или другие сложные системы. Режим - это характерное поведение системы, которое поддерживается взаимно усиливаемыми процессами или обратными связями. Режимы считаются постоянными относительно периода времени, в течение которого происходит сдвиг. Смена режимов или сдвиг обычно происходит, когда плавное изменение внутреннего процесса (обратная связь ) или единичное возмущение (внешние удары) запускают совершенно другое поведение системы. Хотя такие нелинейные изменения широко изучались в различных дисциплинах, от атомов до динамики климата, изменения режима приобрели значение в экологии, поскольку они могут существенно повлиять на поток экосистемных услуг, которые общества полагаются, например, на обеспечение продуктами питания, чистой водой или регулирование климата. Более того, ожидается, что частота смены режима будет увеличиваться по мере увеличения антропоценового воздействия на планету антропоцена, включая текущие тенденции антропогенного изменения климата и утраты биоразнообразия. Когда смены режима связаны с критической точкой или точкой бифуркации, они также могут упоминаться как критические переходы.
Ученые давно интересовались системами, демонстрирующими нелинейные изменения. С начала двадцатого века математики разработали совокупность концепций и теорий для изучения таких явлений, основанных на изучении динамики нелинейных систем. Это исследование привело к развитию таких концепций, как теория катастроф ; раздел теории бифуркаций в динамических системах.
В экологии идея систем с множеством режимов, областей притяжения, называемых альтернативными стабильными состояниями, возникла только в конце 60-х годов на основе первых размышлений о значении стабильности в экосистемах Ричард Левонтин и Кроуфорд "Базз" Холлинг. Первая работа по смене режима в экосистемах была проведена в разнообразных экосистемах и включала важную работу Ной-Мейра (1975) в пастбищных системах ; May (1977) в пастбищных системах, системах сбора, насекомых вредителях и системах хозяев- паразитоидов ; Джонс и Уолтерс (1976) с системами рыболовства ; и Ludwig et al. (1978) со вспышками насекомых .
Эти первые попытки понять смену режима критиковались за сложность демонстрации би-стабильности, их зависимость от имитационных моделей и отсутствие высококачественных долгосрочных данных. Однако к 1990-м годам более существенные свидетельства смены режима были собраны для ламинарии, коралловых рифов, засушливых земель и мелководных озер. Эта работа привела к активизации исследований экологической реорганизации и концептуальному уточнению, которое привело к концептуальной структуре смены режима в начале 2000-х.
За пределами экологии аналогичные концепции нелинейных изменений были разработаны в других академических кругах. дисциплины. Одним из примеров является исторический институционализм в политология, социология и экономика, где такие понятия, как зависимость пути и критические узлы используются для объяснения явлений, где выход системы определяется ее историей или начальными условиями, а области ее притяжения подкрепляются обратными связями. Такие концепции, как международные институциональные режимы, социально-технические переходы и возрастающая отдача, имеют эпистемологическую основу, аналогичную смене режимов, и используют аналогичные математические модели.
В течение последних десятилетий исследования смены режимов росли в геометрической прогрессии. Количество научных работ, опубликованных в ISI Web of Knowledge, выросло с менее 5 в год до 1990 г. до более 300 в год с 2007 по 2011 г. Однако применение концепций, связанных со сменой режима, все еще оспаривается.
Хотя нет согласия по поводу одного определения, небольшие различия между определениями связаны со значением стабильности - мерой того, что такое режим - и значением резкости. Оба зависят от определения изучаемой системы, поэтому они относительны. В конце концов, это вопрос масштаба. Массовые вымирания - это смены режима в геологической шкале времени, а финансовые кризисы или вспышки вредителей - это смены режима, для которых требуется совершенно другая установка параметров.
Чтобы применить концепцию к конкретной проблеме, нужно концептуально ограничить диапазон ее динамики, зафиксировав аналитические категории, такие как временные и пространственные масштабы, диапазон вариаций и экзогенные / эндогенные процессы. Например, в то время как для океанографов режим должен длиться не менее десятилетий и включать изменчивость климата в качестве движущей силы, для морских биологов режимы продолжительностью всего пять лет приемлемы и могут быть вызваны только динамикой популяции. Неполный перечень текущих определений смены режима в недавней научной литературе по экологии и смежным областям собран в таблице 1.
Таблица 1. Определения смены режима и модификаций, используемые для применения концепция конкретных вопросов исследования из научной литературы, опубликованной между 2004 и 2009 годами.
| Источник | Определение | Модификация |
|---|---|---|
| Collie et al. 2004 | «Три различных типа смены режима (плавный, резкий и прерывистый) идентифицируются на основе различных закономерностей во взаимосвязи между реакцией переменной экосистемы (обычно биотической) и некоторым внешним воздействием или условием ( управляющей переменной). Плавный сдвиг режима представлен квазилинейной зависимостью между откликом и управляющими переменными. Резкий сдвиг режима демонстрирует нелинейную связь между реакцией и управляющими переменными, а прерывистый сдвиг режима характеризуется траекторией движения переменная отклика отличается, когда переменная принуждения увеличивается по сравнению с тем, когда она уменьшается (например, возникновение альтернативных «стабильных» состояний) « | » «Сдвиги режима» здесь считаются низкими- частота, изменения в океанических условиях с высокой амплитудой, которые могут быть особенно выражены в биологических переменных и распространяться на несколько трофических уровней " |
| Bakun 2004 (в Collie et al. 2004) | "persi радикальный сдвиг типичных уровней численности или продуктивности множества важных компонентов структуры морского биологического сообщества, происходящий на нескольких трофических уровнях и в географическом масштабе, по крайней мере, в региональном масштабе " | |
| Walker Meyers, 2004 | «Смена режима, включающая альтернативные стабильные состояния, происходит, когда достигается пороговый уровень управляющей переменной в системе, так что характер и масштабы обратной связи меняются, что приводит к изменению направления (траектория ) самой системы. Сдвиг происходит, когда внутренние процессы в системе... изменились, и состояние системы... начинает меняться в другом направлении, в сторону другого аттрактора ". | |
| Андерсен и др. 2009 | " экология " смены режима можно определить как резкие изменения на нескольких трофических уровнях, ведущие к быстрой реконфигурации экосистемы между альтернативными состояниями " | |
| Cumming Norberg, 2008 | " способность системы внутренне переключаться между различными самоусиливающимися процессами, которые доминируют над функционированием системы » | |
| Брок, Карпентер и Шеффер 2008 (Глава 6 в Камминге и Норберге) | « Смена режима, существенная реорганизация сложных систем с длительными последствиями... перспектива того, что возрастающие стрессы могут вызвать большие, неожиданные изменения в экосистемных услугах и средствах к существованию людей " | |
| Биггс и др. 2009 | " Экологические изменения режима - это большие внезапные изменения в экосистемах, которые длятся значительный период времени... Смена режима влечет за собой изменения во внутренней динамике и обратных связях экосистемы, которые часто не позволяют ей вернуться в предыдущий режим, даже когда фактор, вызвавший изменение, сокращается или удаляется... Смена режима обычно является результатом сочетания следующих факторов: постепенные изменения основной движущей переменной (или набора переменных) в сочетании с внешним потрясением, таким как шторм или пожар " | "Мы определили смену режима как период, в течение которого ежегодный прирост популяции планктонных (F) превышал 10%. В модели типичная продолжительность смены режима составляет ≈15 лет, что отражает правдоподобные ограничения на скорость роста F " |
| Norström et al. 2009 | " Определенные условия могут в конечном итоге привести к постоянному альтернативные стабильные состояния (ASS), которые характеризуются другим набором экосистемных процессов, функций и механизмов обратной связи... « | » мы определили фазовые сдвиги как значительное уменьшение кораллового покрова, совпадающее со значительным увеличивается в некоторых альтернативных донных организмах из-за нарушения пульса или давления, которое сохраняется>5 лет. Было использовано минимальное время сохранения 5 лет, так как это соответствует временным рамкам исследований, описывающих случаи фазовых сдвигов от кораллов к состояниям макроводорослей... " |
| Scheffer (2009) | «относительно резкий переход от одного режима к противоположному, где режим представляет собой динамическое« состояние »системы с ее характеристиками - стохастическими колебаниями и / или циклами» |
Теоретическая основа для сдвигов режимов была разработана на основе математики нелинейных систем. Короче говоря, сдвиги режимов описывают динамику, характеризующуюся возможностью того, что небольшое возмущение может привести к большим эффектам. В таких ситуациях общее понятие пропорциональности между входами и выходами система неверна. И наоборот, концепция смены режима также подчеркивает устойчивость систем, предполагая, что в некоторых ситуациях существенное управление или человеческое воздействие могут иметь незначительное влияние на систему. Смена режима трудно повернуть вспять, а в некоторых случаях необратимо бл. Концепция смены режима смещает аналитическое внимание от линейности и предсказуемости к реорганизации и неожиданности. Таким образом, концепция смены режима предлагает основу для исследования динамики и причинных объяснений нелинейных изменений в природе и обществе.
Смена режима вызывается либо ослаблением стабилизирующих внутренних процессов - обратной связью - либо внешними потрясениями, которые превышают стабилизирующую способность системы.
Системы, склонные к смене режимов, могут демонстрировать три различных типа изменений: плавные, резкие или прерывистые, в зависимости от конфигурации процессов, которые определяют систему, в частности взаимодействия между быстрыми и медленными процессами системы. Плавное изменение можно описать квазилинейной зависимостью между быстрыми и медленными процессами; резкое изменение показывает нелинейную взаимосвязь между быстрыми и медленными переменными, в то время как прерывистое изменение характеризуется разницей в траектории быстрой переменной, когда медленная переменная увеличивается, по сравнению с тем, когда она уменьшается. Другими словами, точка, в которой система переключается из одного режима в другой, отличается от точки, в которой система переключается обратно. Системы, которые демонстрируют этот последний тип изменения, демонстрируют гистерезис. Гистерезисные системы обладают двумя важными свойствами. Во-первых, обращение прерывистого изменения требует, чтобы система вернулась к условиям, при которых изменение произошло впервые. Это происходит потому, что системные изменения изменяют процессы обратной связи, которые поддерживают систему в определенном режиме. Во-вторых, гистерезис значительно усиливает роль истории в системе и демонстрирует, что система обладает памятью - в том смысле, что ее динамика формируется прошлыми событиями.
Условия, при которых система переключает свою динамику с одного набора процессов на другой, часто называют пороговыми. В экологии, например, порог - это точка, при которой происходит резкое изменение качества, свойства или явления экосистемы; или когда небольшие изменения в экологическом драйвере вызывают большую реакцию в экосистеме. Однако пороговые значения являются функцией нескольких взаимодействующих параметров, поэтому они меняются во времени и пространстве. Следовательно, одна и та же система может иметь плавное, резкое или прерывистое изменение в зависимости от конфигурации ее параметров. Однако пороги будут присутствовать только в тех случаях, когда возможно резкое и прерывистое изменение.
Эмпирические данные все чаще дополняют работу на основе моделей о смене режима. Ранние работы по смене режима в экологии были развиты в моделях хищничества, выпаса, рыболовства и динамики вспышек. С 1980-х годов дальнейшая разработка моделей дополнялась эмпирическими данными о смене режима в экосистемах, включая леса водорослей, коралловые рифы, засушливые районы и озера.
Ученые собрали свидетельства смены режима в самых разных экосистемах и в разных масштабах. Например, в местном масштабе одним из наиболее хорошо задокументированных примеров является вторжение кустов, которое, как считается, следует за динамикой плавных изменений. Вторжение кустарников относится к небольшим изменениям в показателях травоядности, которые может сместить засушливые районы с режима преобладания травы в сторону саванн с преобладанием древесины. Посягательство было задокументировано как воздействие на экосистемные услуги, связанные с разведением крупного рогатого скота во влажных саваннах в Африке и Южной Америке. Считается, что в региональном масштабе районы тропических лесов в Амазонке и Восточной Азии подвержены риску перехода к режимам саванны, учитывая ослабление обратной связи по рециркуляции влаги, вызванное обезлесением. Переход от леса к саванне потенциально влияет на обеспечение продовольствием, пресной водой, регулирование климата и поддержку биоразнообразия. В глобальном масштабе более быстрое отступление арктического ледяного покрова в летнее время усиливает потепление климата за счет обратной связи альбедо, потенциально влияя на уровень морской воды и регулирование климата во всем мире.
Водные системы были тщательно изучены в поисках смены режима. Озера работают как микрокосмы (почти закрытые системы ), которые в некоторой степени позволяют экспериментировать и собирать данные. Эвтрофикация - это хорошо задокументированный резкий переход от чистой воды к мутной. водный режим, что приводит к цветению токсичных водорослей и снижению рыбопродуктивности озер и прибрежных экосистем. Эвтрофикация вызывается поступлением питательных веществ, особенно из удобрений, используемых в сельском хозяйстве. Это пример прерывистого изменения с гистерезисом. Как только озеро переходит в режим мутной воды, новая обратная связь по рециркуляции фосфора поддерживает систему в эвтрофном состоянии, даже если поступление питательных веществ значительно снижается.
Другим примером, широко изучаемым в водных и морских системах, является снижение трофического уровня в пищевых сетях. Обычно это означает переход от экосистем, в которых преобладает большое количество хищных рыб, к режиму, в котором преобладают низшие трофические группы, такие как пелагические планктоядные (т.е. медузы). Затронутые трофические сети часто влияют на продуктивность рыболовства, повышают риск эвтрофикации, гипоксии, вторжения неместных видов и влияют на рекреационные ценности. Гипоксия, или развитие так называемых зон смерти, - это еще один сдвиг режима в водной и прибрежно-морской средах. Гипоксия, как и эвтрофикация, вызвана поступлением питательных веществ антропогенного происхождения, а также естественного происхождения в виде апвеллинга. При высоких концентрациях питательных веществ уровень растворенного кислорода снижается, что делает невозможным существование большинства водных организмов. Воздействие на экосистемные услуги включает крах рыболовства и производство токсичных для человека газов.
В морских системах два хорошо изученных режима смены режима происходят в коралловых рифах и лесах водорослей. Коралловые рифы представляют собой трехмерные структуры, которые служат средой обитания для морского биоразнообразия. Рифы с преобладанием твердых кораллов могут перейти в режим, в котором преобладают мясистые водоросли; но также сообщалось, что они смещаются в сторону мягких кораллов, кораллиморфариев, пустошей ежей или режима с преобладанием губок. Сообщается, что переход коралловых рифов влияет на такие экосистемные услуги, как фиксация кальция, очистка воды, поддержка биоразнообразия, продуктивность рыболовства, защита береговой линии и рекреационные услуги. С другой стороны, ламинарии - это высокопродуктивные морские экосистемы, обнаруженные в регионах с умеренным климатом. В лесах ламинарии обычно преобладают коричневые макроводоросли, и они обладают высоким уровнем биоразнообразия, обеспечивая экосистемные услуги как для косметической промышленности, так и для рыболовства. Такие услуги существенно сокращаются, когда водоросли переходят в режим бесплодия, в основном из-за сброса питательных веществ с побережья и чрезмерного вылова рыбы. Чрезмерный вылов и чрезмерный вылов краеугольных хищников, таких как каланов, оказывает нисходящее давление на систему. Восходящее давление возникает из-за загрязнения питательными веществами.
засоления почвы - это пример хорошо известного изменения режима в наземных системах. Это вызвано удалением глубокой корневой растительности и орошением, что вызывает повышение уровня грунтовых вод и увеличение засоления поверхности почвы. Как только система перевернется, экосистемные услуги, связанные с производством продовольствия - как сельскохозяйственных культур, так и крупного рогатого скота - значительно уменьшатся. Засушливые земли деградация, также известная как опустынивание, - это хорошо -известный, но спорный тип смены режима. Деградация засушливых земель происходит, когда потеря растительности превращает экосистему из растительности в экосистему, в которой преобладают голые почвы. Хотя было предложено, что этот сдвиг вызван сочетанием земледелия и выпаса скота, утратой полукочевых традиций, расширением инфраструктуры, снижением гибкости управления и другими экономическими факторами, это вызывает споры, поскольку было трудно определить, существует ли действительно, смена режима и водители его вызвали. Например, бедность была предложена как движущая сила деградации засушливых земель, но исследования постоянно находят противоречивые доказательства. Экосистемные услуги, затронутые деградацией засушливых земель, обычно включают низкую продуктивность биомассы, что сокращает объем предоставляемых и поддерживающих услуг для сельского хозяйства и круговорота воды.
Полярные регионы были в центре внимания исследований по изучению воздействия потепления климата. Сдвиг режима в полярных регионах включает таяние ледяного покрова Гренландии и возможное коллапс системы термохалинной циркуляции. В то время как таяние ледникового покрова Гренландии вызвано глобальным потеплением и угрожает мировым берегам повышением уровня моря, коллапс термохалинной циркуляции вызван увеличением пресной воды в Северной Атлантике, что, в свою очередь, ослабляет водные потоки, обусловленные плотностью. транспорт между тропиками и полярными районами. Оба изменения режима имеют серьезные последствия для морского биоразнообразия, круговорота воды, безопасности жилья и инфраструктуры и регулирования климата среди других экосистемных услуг.
Использование современных хорошо известных статистических методов, таких как среднее стандартное отклонение, анализ главных компонент или искусственные нейронные сети позволяют определить, произошла ли смена режима. Для такого анализа требуются долгосрочные ряды данных и необходимо преодолеть исследуемый порог. Следовательно, ответ будет зависеть от качества данных; он ориентирован на события и позволяет только изучить прошлые тенденции.
Некоторые ученые, основываясь на статистическом анализе временных рядов, утверждали, что определенные явления не соответствуют смене режима. Тем не менее, статистический отказ от гипотезы о том, что система имеет несколько аттракторов, не означает, что нулевая гипотеза верна. Для этого нужно доказать, что система имеет только один аттрактор. Другими словами, свидетельства того, что данные не отражают множественные режимы, не исключают возможность перехода системы к альтернативному режиму в будущем. Более того, при принятии управленческих решений может быть рискованно предполагать, что система имеет только один режим, когда вероятные альтернативные режимы имеют крайне негативные последствия.
С другой стороны, более актуальный вопрос, чем «имеет режим» произошел сдвиг? " "склонна ли система к смене режима?". Этот вопрос важен, потому что, даже если они демонстрировали плавное изменение в прошлом, их динамика потенциально может стать резкой или прерывистой в будущем в зависимости от конфигурации его параметров. Такой вопрос исследовался отдельно в разных дисциплинах для разных систем, продвигая вперед развитие методов (например, изменение режима в океане, обусловленное климатом или стабильность пищевых сетей) и продолжая вдохновлять на новые исследования.
Исследования смены режима происходят во многих экосистемах и в разных масштабах. Новые области исследований включают раннее предупреждение о смене режима и новые формы моделирования.
Графическое представление альтернативных стабильных состояний и направления критического замедления до критического перехода (взято из Lever et al. 2020). Верхние панели (а) показывают ландшафты устойчивости в различных условиях. Средние панели (b) показывают скорость изменения, близкую к наклону ландшафтов стабильности, а нижние панели (c) показывают восстановление после возмущения в направлении будущего состояния системы (cI) и в другом направлении (c.II). Были предприняты значительные усилия для выявления сигналов раннего предупреждения о критических переходах. Системы, приближающиеся к точке бифуркации, демонстрируют характерное поведение, называемое критическим замедлением, что приводит к все более медленному восстановлению после возмущений. Это, в свою очередь, может привести к увеличению (пространственной или временной) автокорреляции и дисперсии, в то время как спектры дисперсии имеют тенденцию к снижению частот, а `` направление критического замедления '' в пространстве состояний системы может указывать на будущее состояние системы, когда отложенные отрицательные обратные связи, ведущие к колебательной или другой сложной динамике, являются слабыми. Исследователи изучили сигналы раннего предупреждения в озерах, динамику климата, пищевые сети, переходы суши и приступы эпилепсии. Остается неясным, насколько хорошо такие сигналы работают при всех сменах режима и дают ли ранние предупреждения достаточно времени для принятия соответствующих управленческих корректировок во избежание смены режима. Кроме того, сигналы раннего предупреждения также зависят от интенсивных рядов данных хорошего качества, которые редко встречаются в экологии. Однако исследователи использовали высококачественные данные для прогнозирования изменений режима в экосистеме озера. Изменения в пространственных структурах как индикатор смены режима также стали предметом исследования.
Еще одним направлением исследований является разработка новых подходов к моделированию. Динамические модели, байесовские сети убеждений, информация Фишера и нечеткие когнитивные карты использовались в качестве инструмента для исследования фазового пространства, где смены режима могут произойти и понять динамику, которая определяет динамические пороги. Модели - это полезные упрощения реальности, пределы которых определяются текущим пониманием реальной системы, а также предположениями разработчика моделей. Следовательно, требуется глубокое понимание причинно-следственных связей и силы обратной связи, чтобы зафиксировать возможную динамику смены режима. Тем не менее такое глубокое понимание доступно только для хорошо изученных систем, таких как мелкие озера. Разработка методов необходима для решения проблемы ограниченных данных временных рядов и ограниченного понимания динамики системы таким образом, чтобы можно было идентифицировать основные движущие силы смены режима, а также определить приоритеты вариантов управления.
Другие новые области исследований включают роль смены режимов в земной системе, каскадные последствия смены режимов и смены режимов в социально-экологических системах.
