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生态系统是典型的复杂系统，准确理解其演化机制对全球可持续发展具有非常重要的意义。环境变化已对当前陆地生态系统产生了重要影响，尤其是植被对气候变化和人类活动都表现出较高的敏感性。然而，现有研究并未在复杂系统框架内从整体的视角揭示植被演化模式及其关键影响要素。

作为复杂系统基本理论在生态系统的应用，北京师范大学系统科学学院陈晓松教授团队与环境学院博士后范昊合作，将复杂系统本征微观态方法与传统研究方法相结合，深入探究了黑河流域生态系统的整体演化。研究团队首先利用长期的归一化植被指数(ndvi)数据和气象再分析资料，量化了黑河流域ndvi的时间变化和空间分布特征（图1）。

图1.黑河流域ndvi均值及其标准差的时间序列和空间分布。(a)为年均ndvi与月均ndvi的时间序列。阴影面积表示95 %的置信区间，误差棒表示±1sd。(b)和(c)分别表示1982-2015年ndvi空间均值和标准差。

进一步，研究团队基于复杂系统本征微观态理论，将黑河流域生态系统看作大量格点构成的复杂系统，其微观态由每个格点的植被指数定义，微观态的集合构成了系统的系综。利用ndvi数据建立了黑河流域生态系统的系综矩阵，由此可将微观态表示为本征微观态的线性叠加，并精准给出本征微观态的空间分布、动态时间演化和所占权重。所有微观态构成系统的系综构建了量化生态系统植被动态变化的理论方法。研究工作重点选取了前二大本征微观态进行分析，可以解释黑河流域生态系统ndvi变化的64%，其中第一模态刻画了ndvi的整体上升趋势和季节周期性，第二大模态则突显了土壤水分对植被生长的关键作用（图2）。通过研究不同深度土壤水分的空间分布和时间演化本征微观态，进一步揭示了土壤水分对黑河流域植被变化的显著贡献，而且较深的土壤水分对植被覆盖度的改善更为明显。这项研究是本征微观态理论方法在环境生态领域一次突破性尝试，有助于我们探索不同尺度生态环境系统的集体和整体行为，帮助我国应对全球气候变化下生态环境系统管理与治理的挑战。

图2. ndvi两个最大本征微观态的空间分布(a, b)及其时间演变(c, d)。

该论文以“holistic evolution of ecosystem in heihe river basin from the perspective of eigen microstates”为题于2024年2月9日正式发表在环境生态领域top期刊ecological indicators。北京师范大学系统科学学院的硕士王旭为论文的第一作者，陈晓松教授和环境学院范昊博士后为论文的通讯作者。该论文的研究得到了国家重点研发计划“基于复杂系统理论的青藏高原临界行为研究”（项目编号：2023yfe0109000）和国家自然基金重点项目“复杂系统相变临界现象”（项目编号：12135003）的支持。

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供稿：王旭、陈晓松

编辑：郝林青

审核：王大辉