2026年1月14日Advanced Science 以“Generalized Mechanism Model for Ecosystem Hysteresis”为题在线发表了中国科学院大学王艳芬教授领导的研究团队在生态系统状态转变中出现迟滞现象的研究成果。该研究通过构建生态系统迟滞效应的动力机制模型，量化了正负反馈博弈强度，准确预判临界阈值与恢复难度，为全球生态保护与修复提供通用工具。

生态系统滞后效应—— 即外部干扰引发灾难性转变后，系统难以沿原路恢复的“路径依赖” 现象，是全球生态保护面临的核心难题。它对生物多样性、生态系统功能以及服务供给构成直接威胁。然而，长期以来，由于量化机制模型的缺乏，且现有模型大多基于唯象理论、复杂程度较高，科学家仅能描述相关现象，却无法精准判断其发生情况、恢复难度以及临界阈值点，这严重制约了生态治理的科学性与前瞻性。

为了回答上述问题，本研究基于系统动力学和物理学视角，构建了一个全新的普适机制模型。此模型将生态系统的状态转变抽象为两种竞争机制的博弈，其中正反馈是一种“自我增强”的力量，它会放大外部干扰的效应，驱动系统加速逃离当前的稳定状态，推动其向新的状态演变。负反馈机制代表了系统内部的生态韧性，使系统停留在原来的稳定状态。该模型核心公式为：

模型引入核心参数不可逆势K值，直观反映生态系统恢复的难易程度。K值越大，系统内部反馈越强，恢复所需的外部干预力度越大；反之，K值越小，系统越易在干扰撤销后自然恢复。该研究发现无量纲临界常数K*=6.33，成为判断迟滞效应是否发生的“分水岭”。当K≤6.33时，生态系统无迟滞效应；当K>6.33时，则会出现迟滞效应（图1）。分别利用草原植物多样对30年氮添加响应（图2）、S. purpurea叶片溶解氧对蛋白质浓度（图3）、以及湖泊轮藻植被生物量对磷浓度的实验数据，充分验证了模型的通用性。

该研究运用数学语言来捕捉生态系统中的迟滞效应，将正负反馈抽象为竞争函数，实现对滞后效应内在机制的精准刻画。同时兼具跨系统适用性，采用经验风险最小化方法估算参数K，结合标准化处理与逆变换技术，确保模型在不同数据集上的稳定性与准确性，从而实现了迟滞强度的量化与跨系统比较。重要的是该模型可以依据系统单向突变数据，预测恢复轨迹与临界阈值（图4），这有助于生态治理提前锁定风险。该模型能帮助生态保护者摆脱“事后补救”的局限，通过正负反馈的博弈机制，切实达成对生态系统的保护与恢复。

图1 模型敏感性分析结果：(A) 固定初始状态（C_o=1）和目标状态（C₁=e）时，K值对迟滞效应强度的影响，K值越大，迟滞效应越明显；(B-C) 固定时K=9时，初始状态（C_o）和目标状态（C₁）对滞后效应发生概率的调控；(D-E) K≤K*时，非迟滞生态系统的连续渐变与突变两种转变模式。

图2 Elymus repens的相对生物量对土壤氮含量的响应验证结果：(A) Elymus repens的相对生物量的滞后轨迹，图中蓝色虚线为中间状态，黑色虚线为状态转变过程，黄实线为95%置信区间，黑点和红点分别为cessation和continuous的实测数据；(B) 正负反馈及总效应与土壤氮含量的关联，其中点状虚线和实线分别代表正负反馈作用，虚线代表正负反馈总效应。

图3 S. purpurea叶片溶解氧（DO）对蛋白质浓度（BSA）的响应验证结果：(A-C) 低、中、高BSA浓度下purpurea叶片溶解氧的滞后轨迹，图中蓝色虚线为中间状态，黑色虚线为状态转变过程，黄实线为95%置信区间，黑点和红点分别为recovery和enrichment的实测数据；(D) 正负反馈及总效应与溶解氧状态的关联，其中点状虚线和实线分别代表正负反馈作用，虚线代表正负反馈总效应。

图4 利用单向状态转移数据进行另一侧迟滞回路的预测结果：（A-B）Elymus repens的相对生物量对土壤氮含量的响应的单向预测结果。（C-D）purpurea叶片溶解氧（DO）对低蛋白质浓度（BSA）的单向预测结果。图中线条颜色与所利用的单侧数据点颜色一致，实线为利用真实迟滞强度进行的预测结果，虚线为利用标准迟滞强度（K=9）进行的预测结果。

原文信息：链接+DOI号

Hao Yanbin, Wang Xin, Liu Jie, Wu Mingzi, Du Jianqing, Xue Kai, Song Xiaoning, Cui Xiaoyong, Zhao Tong, Wang Yanfen, Generalized Mechanism Model for Ecosystem Hysteresis. Advanced Science, 14 January 2026.

Doi: https://doi.org/10.1002/advs.202509008

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202509008

期刊介绍：

Advanced Science 是 Wiley旗舰期刊 Advanced 系列中的一种完全开放获取的跨学科科学期刊，发表材料科学、物理、化学、医学、生命科学、环境科学、工程和社会科学等领域的前沿基础和应用研究。我们的使命是通过开放获取出版，使前沿创新的科学研究具有更广泛的可访问性。Wiley 的 Advanced 系列是全球公认的高影响力期刊系列，传播来自资深和青年研究人员的科学成果，帮助他们实现使命并扩大科学发现的影响力。

Advanced Science 2025年影响因子为14.1，五年平均影响因子为15.6，期刊引文指标1.74，CiteScore 为 18.1。在 2025年中国科学院院文献情报中心期刊分区表中，Advanced Science 入选综合类期刊一区TOP。