Regime skift - Regime shift
Regimeendringer er store, brå, vedvarende endringer i strukturen og funksjonen til økosystemer , klima , finansielle systemer eller andre komplekse systemer . Et regime er en karakteristisk oppførsel av et system som opprettholdes av gjensidig forsterkede prosesser eller tilbakemeldinger . Regimer anses å være vedvarende i forhold til tidsperioden som skiftet skjer. Endring av regimer, eller skift, skjer vanligvis når en jevn endring i en intern prosess ( tilbakemelding ) eller en enkelt forstyrrelse (eksterne støt) utløser en helt annen systematferd. Selv om slike ikke-lineære endringer har blitt studert mye i forskjellige fagområder som spenner fra atomer til klimadynamikk, har skift av regimet fått betydning i økologi fordi de kan ha betydelig innflytelse på strømmen av økosystemtjenester som samfunn stoler på, for eksempel tilførsel av mat, rent vann eller klimaregulering. Videre forventes det at regimeskift forekommer etter hvert som menneskelig innflytelse på planeten øker - antropocenet - inkludert nåværende trender for menneskelig indusert klimaendring og tap av biologisk mangfold . Når regimeskift er assosiert med et kritisk eller forgreningspunkt , kan de også omtales som kritiske overganger .
Konseptets historie
Forskere har vært interessert i systemer som viser ikke-lineær endring i lang tid. Siden begynnelsen av det tjuende århundre har matematikere utviklet en mengde konsepter og teori for å studere slike fenomener basert på studiet av ikke-lineær systemdynamikk. Denne forskningen førte til utvikling av begreper som katastrofeteori ; en gren av bifurkasjonsteori i dynamiske systemer.
I økologi oppsto ideen om systemer med flere regimer, tiltrekningsdomener som kalles alternative stabile stater , først på slutten av 60-tallet basert på de første refleksjonene om betydningen av stabilitet i økosystemer av Richard Lewontin og Crawford "Buzz" Holling . Det første arbeidet med regimeskift i økosystemer ble gjort i et mangfold av økosystemer og inkluderte viktig arbeid av Noy-Meir (1975) i beitesystemer ; Kan (1977) på beite systemer, slakteanlegg, insekt- skadedyr og vert- parasitoid systemer; Jones og Walters (1976) med fiskerisystemer ; og Ludwig et al. (1978) med insektutbrudd .
Disse tidlige anstrengelsene for å forstå regimeskift ble kritisert for vanskeligheten med å demonstrere bi-stabilitet, deres avhengighet av simuleringsmodeller og mangel på langsiktige data av høy kvalitet. Imidlertid ble det på 1990-tallet samlet mer omfattende bevis for regimeskift for tangeskog , korallrev , tørrland og grunne innsjøer. Dette arbeidet førte til revitalisering av forskning om økologisk omorganisering og den konseptuelle avklaring som resulterte i regimeskiftet konseptuelle rammeverk tidlig på 2000-tallet.
Utenfor økologi har lignende begreper for ikke-lineær endring blitt utviklet i andre akademiske disipliner. Et eksempel er historisk institusjonalisme i statsvitenskap , sosiologi og økonomi , hvor begreper som stiavhengighet og kritiske veikryss brukes til å forklare fenomener der produksjonen av et system bestemmes av dets historie, eller de opprinnelige forholdene, og hvor dets tiltrekningsområder er forsterket av tilbakemeldinger. Konsept som internasjonale institusjonelle regimer , sosio-tekniske overganger og økende avkastning har et epistemologisk grunnlag som ligner på regimeskift, og bruker lignende matematiske modeller.
Nåværende anvendelser av regimeskiftkonseptet
I løpet av de siste tiårene har forskningen på regimeskift vokst eksponentielt. Faglige papirer rapportert av ISI Web of Knowledge økte fra mindre enn 5 per år før 1990 til mer enn 300 per år fra 2007 til 2011. Imidlertid er det fortsatt omstridt om anvendelsen av regimeskiftrelaterte begreper.
Selv om det ikke er enighet om en definisjon, ligger de små forskjellene mellom definisjonene på betydningen av stabilitet - målet på hva et regime er - og betydningen av bråhet. Begge avhenger av definisjonen av systemet som studeres, og det er dermed relativt. På slutten er det et spørsmål om skala. Masseutryddelser er regimeskift på den geologiske tidsskalaen , mens økonomiske kriser eller skadedyrutbrudd er regimeskift som krever en helt annen parameterinnstilling.
For å anvende konseptet på et bestemt problem, må man konseptuelt begrense sitt dynamikkområde ved å feste analytiske kategorier som tids- og romskalaer, variasjonsspekter og eksogene / endogene prosesser. For eksempel, mens et regime for havforskere må vare i minst tiår og bør inkludere klimavariabilitet som en driver, for marinbiologer er regimer på bare fem år akseptable og kan induseres av bare befolkningsdynamikk. Et ikke-uttømmende utvalg av nåværende definisjoner av regimeskift i nyere vitenskapelig litteratur fra økologi og allierte felt er samlet i tabell 1.
Tabell 1. Definisjoner av regimeskift og modifikasjoner som brukes til å anvende konseptet på bestemte forskningsspørsmål fra vitenskapelig litteratur publisert mellom 2004 og 2009.
| Kilde | Definisjon | Modifikasjon |
|---|---|---|
| Collie et al. 2004 | "Tre forskjellige typer skift av regime (jevn, brå og diskontinuerlig) identifiseres på grunnlag av forskjellige mønstre i forholdet mellom responsen til en økosystemvariabel (vanligvis biotisk) og noe ekstern tvang eller tilstand (kontrollvariabel). Det glatte regimet skift representeres av et kvasi-lineært forhold mellom respons- og kontrollvariablene. Det brå regimeskiftet viser et ikke-lineært forhold mellom respons- og kontrollvariablene, og den diskontinuerlige regimeskiftet er preget av at banen til responsvariabelen er forskjellig når den tvingende variabelen øker sammenlignet med når den synker (dvs. forekomsten av alternative "stabile" tilstander) " | "" Regimeskift "anses her for å være lavfrekvente , høyamplitudeendringer i havforhold som kan være spesielt uttalt i biologiske variabler og forplante seg gjennom flere trofiske nivåer " |
| Bakun 2004 (i Collie et al. 2004) | "vedvarende radikalt skifte i typiske nivåer av overflod eller produktivitet av flere viktige komponenter i marin biologisk samfunnsstruktur, som forekommer på flere trofiske nivåer og i en geografisk skala som i det minste er regional i omfang" | |
| Walker & Meyers, 2004 | "Et regimeskifte som involverer alternative stabile tilstander, oppstår når et terskelnivå for en kontrollvariabel i et system blir passert, slik at naturen og utvidelsen av tilbakemeldinger endres, noe som resulterer i en retningsendring ( banen ) til selve systemet. oppstår når interne prosesser i systemet ... har endret seg og systemets tilstand ... begynner å endres i en annen retning, mot en annen tiltrekker. " | |
| Andersen et al. 2009 | "økologiske regimeendringer kan defineres som brå endringer på flere trofiske nivåer som fører til rask økosystemkonfigurering mellom alternative stater" | |
| Cumming & Norberg, 2008 | "et systems evne til å veksle mellom forskjellige selvforsterkende prosesser som dominerer hvordan systemet fungerer internt" | |
| Brock, Carpenter and Scheffer 2008 (kapittel 6 i Cumming og Norberg) | "Regimeskift, betydelige omorganiseringer av komplekse systemer med langvarige konsekvenser ... I miljøpolitiske regimeskift øker utsiktene at trinnvis belastning kan fremkalle store, uventede endringer i økosystemtjenester og menneskers levebrød" | |
| Biggs et al. 2009 | "Økologiske regimeendringer er store, plutselige endringer i økosystemer som varer i betydelige tidsperioder ... Regimeendringer medfører endringer i den interne dynamikken og tilbakemeldinger i et økosystem som ofte forhindrer det fra å gå tilbake til et tidligere regime, selv når sjåføren som utfelt skiftet reduseres eller fjernes ... Regimeskift skyldes vanligvis en kombinasjon av gradvise endringer i en underliggende kjørevariabel (eller sett med variabler), kombinert med et eksternt støt, for eksempel storm eller brann " | "Vi definerte et regimeskift som perioden hvor den årlige økningen i planktivore (F) -populasjonen oversteg 10%. I modellen har regimeskift en typisk varighet på ~ 15 år, noe som gjenspeiler plausible grenser for vekstraten på F" |
| Norström et al. 2009 | "Visse forhold kan til slutt resultere i vedvarende alternative stabile tilstander (ASS), som er preget av et annet sett med økosystemprosesser, funksjoner og tilbakemeldingsmekanismer ..." | "vi definerte faseskift som en omfattende reduksjon i koralldekke som sammenfaller med betydelig økning i noen alternative bentiske organismer, på grunn av en puls eller pressforstyrrelse, som har vedvaret> 5 år. En minimum utholdenhetstid på 5 år ble brukt, da dette er i i samsvar med tidsrammen for studier som beskriver tilfeller av faseforskyvninger fra koraller til makroalgiske tilstander ... " |
| Scheffer (2009) | "en relativt skarp forandring fra ett regime til et kontrasterende, der et regime er en dynamisk 'tilstand' til et system med dets egenskaper stokastiske svingninger og / eller sykluser" |
Teoretisk grunnlag
Det teoretiske grunnlaget for regimeskift er utviklet fra matematikken til ikke-lineære systemer. Kort fortalt beskriver regimeskift dynamikk preget av muligheten for at en liten forstyrrelse kan gi store effekter. I slike situasjoner er den vanlige forestillingen om proporsjonalitet mellom innganger og utganger i et system feil. Omvendt understreker regimeskiftkonseptet også systemens motstandskraft - noe som tyder på at i noen situasjoner kan betydelig styring eller menneskelig innvirkning ha liten effekt på et system. Regimeskift er vanskelig å reversere og i noen tilfeller irreversible. Regimeskiftkonseptet forskyver analytisk oppmerksomhet fra linearitet og forutsigbarhet, mot omorganisering og overraskelse. Dermed tilbyr regimeskiftkonseptet et rammeverk for å utforske dynamikken og årsaksforklaringene til ikke-lineær endring i natur og samfunn.
Regimeendringer utløses enten ved svekkelse av stabiliserende interne prosesser - tilbakemeldinger - eller av eksterne støt som overstiger stabiliseringskapasiteten til et system.
Systemer som er utsatt for regimeskift kan vise tre forskjellige typer endringer: glatt, brått eller diskontinuerlig, avhengig av konfigurasjonen av prosesser som definerer et system - spesielt samspillet mellom systemets raske og sakte prosesser. Jevn endring kan beskrives ved et kvasi-lineært forhold mellom raske og sakte prosesser; brå endring viser et ikke-lineært forhold mellom raske og langsomme variabler, mens diskontinuerlig endring er preget av forskjellen i banen på den raske variabelen når den langsomme øker sammenlignet med når den avtar. Med andre ord, punktet der systemet vender fra ett regime til et annet er forskjellig fra det punktet der systemet vender tilbake. Systemer som viser denne siste typen endringer viser hysterese . Hysteretiske systemer har to viktige egenskaper. For det første krever reversering av diskontinuerlig endring at et system skifter tilbake forbi forholdene der endringen først skjedde. Dette skjer fordi systemendring endrer tilbakemeldingsprosesser som opprettholder et system i et bestemt regime. For det andre forbedrer hysterese i stor grad historiens rolle i et system, og demonstrerer at systemet har minne - ved at dynamikken er formet av tidligere hendelser.
Betingelser der et system skifter dynamikken fra ett sett med prosesser til et annet kalles ofte terskler. I økologi for eksempel er en terskel et punkt der det er en brå endring i økosystemets kvalitet, eiendom eller fenomen; eller der små endringer i en miljødriver gir store responser i et økosystem. Terskler er imidlertid en funksjon av flere samhandlende parametere, og de endres i tid og rom. Derfor kan det samme systemet presentere jevn, brå eller diskontinuerlig endring avhengig av parameternes konfigurasjoner. Terskler vil imidlertid være til stede, bare i tilfeller der det er mulig å gjøre en brå og kontinuerlig endring.
Bevis
Empiriske bevis har i økende grad fullført modellbasert arbeid på regimeskift. Tidlig arbeid med regimeskift i økologi ble utviklet i modeller for rovdyr, beite, fiskeri og innbruddsdynamikk. Siden 1980-tallet har videreutvikling av modeller blitt supplert med empiriske bevis for regimeskift fra økosystemer, inkludert tareskog , korallrev , tørrland og innsjøer .
Forskere har samlet bevis for regimeskift over et bredt utvalg av økosystemer og på tvers av en skala. For eksempel, på lokal skala, er et av de best dokumenterte eksemplene buskeinngrep , som antas å følge en jevn endringsdynamikk. Bush-inngrep refererer til små endringer i herbivory-hastigheter som kan skifte tørrland fra gresskledde regimer til woody-dominerte savanner. Inngrep er dokumentert for å påvirke økosystemtjenester knyttet til storfejordbruk i våte savanner i Afrika og Sør-Amerika. På regional skala antas regnskogområder i Amazonas og Øst-Asia å være i fare for å skifte mot savanneregimer gitt svekkelsen av tilbakemeldingen om fuktighetsgjenvinning drevet av avskoging . Skiftet fra skog til savanne påvirker potensielt tilførsel av mat, ferskvann, klimaregulering og støtte til biologisk mangfold. På det globale riket styrker den raskere tilbaketrekningen av den arktiske isen om sommeren klimaoppvarmingen gjennom albedo-tilbakemeldingen, noe som potensielt kan påvirke sjøvannnivået og klimareguleringen over hele verden.
Akvatiske systemer har blitt studert sterkt i jakten på regimeskift. Innsjøer fungerer som mikrokosmos (nesten lukkede systemer ) som til en viss grad tillater eksperimentering og datainnsamling. Eutrofiering er en veldokumentert brå forandring fra klart vann til skumle vannregimer, noe som fører til giftige algerblomstringer og redusert fiskeproduktivitet i innsjøer og kystøkosystemer. Eutrofiering er drevet av næringsinngang, spesielt de som kommer fra gjødsel som brukes i landbruket. Det er et eksempel på diskontinuerlig endring med hysterese. Når innsjøen har skiftet til et grumsete vannregime, opprettholder en ny tilbakemelding om resirkulering av fosfor systemet i eutrofisk tilstand, selv om næringsstoffinngangen reduseres betydelig.
Et annet eksempel som er mye studert i akvatiske og marine systemer er nedgang i trofisk nivå i matnett . Det innebærer vanligvis skift fra økosystemer dominert av et stort antall rovfisk til et regime dominert av lavere trofiske grupper som pelagisk planktivores (dvs. maneter). Berørte matnett har ofte innvirkning på fiskeriproduktiviteten, en stor risiko for eutrofiering , hypoksi , invasjon av ikke-innfødte arter og innvirkning på rekreasjonsverdier. Hypoksia, eller utvikling av såkalte dødssoner, er et annet regimeskifte i vannmiljøer og marine-kystmiljøer. Hypoksi, på samme måte som eutrofiering, er drevet av næringsinngang av menneskeskapt opprinnelse, men også fra naturlig opprinnelse i form av oppvarminger . I høye næringsstoffkonsentrasjoner reduseres nivåene av oppløst oksygen, noe som gjør livet umulig for de fleste vannorganismer. Virkninger på økosystemtjenester inkluderer kollaps av fiskerier og produksjon av giftige gasser for mennesker.
I marine systemer skjer to godt studerte regimeskift i korallrev og tareskog. Korallrev er tredimensjonale strukturer som fungerer som habitat for marint biologisk mangfold. Harde koralldominerte rev kan skifte til et regime dominert av kjøttfulle alger; men de har også blitt rapportert å skifte mot bløtkoraller, korallimorfarer, urchinbarrens eller svampdominerte regimer. Korallrevoverganger er rapportert å påvirke økosystemtjenester som kalsiumfiksering, vannrensing, støtte for biologisk mangfold, fiskeriproduktivitet, kystlinjebeskyttelse og fritidstjenester. På den annen side er tareskog svært produktive marine økosystemer som finnes i tempererte regioner i havet. Tare skog er karakteristisk dominert av brune makroalger og er vert for høye nivåer av biologisk mangfold, og gir tilførsel av økosystemtjenester for både kosmetisk industri og fiskeri. Slike tjenester blir betydelig redusert når en tareskog skifter mot urtete karrige regimer, hovedsakelig drevet av utslipp av næringsstoffer fra kysten og overfiske. Overfiske og overhøsting av keystone-rovdyr, som havterter , legger systemet ned og ned . Bunn-opp-trykk oppstår fra næringsstoffforurensning .
Jordforsaltning er et eksempel på et velkjent regimeskifte i terrestriske systemer. Det er drevet av fjerning av dyp rotvegetasjon og vanning, noe som fører til forhøyning av jordvannbordet og økning av saltoverflaten i jordoverflaten. Når systemet vender, reduseres økosystemtjenester knyttet til matproduksjon - både avlinger og storfe - betydelig. Nedbrytning av tørrland , også kjent som ørkendannelse , er en velkjent, men kontroversiell type regimeskift. Nedbrytning av tørrland forekommer når tapet av vegetasjon forvandler et økosystem fra å være vegetert til å bli dominert av bare jord. Selv om dette skiftet er blitt foreslått drevet av en kombinasjon av oppdrett og beite på storfe, tap av semi-nomadetradisjoner, utvidelse av infrastruktur, reduksjon av ledelsesfleksibilitet og andre økonomiske faktorer, er det kontroversielt fordi det har vært vanskelig å avgjøre om det er faktisk et regimeskifte og hvilke drivere som har forårsaket det. For eksempel har fattigdom blitt foreslått som en pådriver for degradering av tørt land, men studier finner kontinuerlig motstridende bevis. Økosystemtjenester som påvirkes av tørr landforringelse inkluderer vanligvis lav biomasseproduktivitet, og reduserer dermed tilførsel og støttetjenester for landbruk og vannsykling.
Polare regioner har vært fokus på forskning som har undersøkt effekten av klimaoppvarming. Regimeskift i polare regioner inkluderer smelting av Grønlands isark og mulig kollaps av termohalinsirkulasjonssystemet . Mens smeltingen av innlandsisen på Grønland er drevet av global oppvarming og truer verdensomspennende kystlinjer med en økning av havnivået, drives sammenbruddet av termohalinsirkulasjonen av økningen av ferskvann i Nord-Atlanteren, som igjen svekker tetthetsdrevet vann transport mellom tropene og polarområdene. Begge regimeskiftene har alvorlige implikasjoner for marint biologisk mangfold, vannsykling, sikkerhet i boliger og infrastruktur og klimaregulering blant andre økosystemtjenester.
Oppdagelse av om et regimeskifte har skjedd
Ved hjelp av nåværende kjente statistiske metoder som gjennomsnittlige standardavvik , hovedkomponentanalyse eller kunstige nevrale nettverk kan man oppdage om et regimeskifte har skjedd. Slike analyser krever langsiktige dataserier og at terskelen som studeres må krysses. Derfor vil svaret avhenge av kvaliteten på dataene; det er hendelsesdrevet og lar bare man utforske tidligere trender.
Noen forskere har argumentert basert på statistisk analyse av tidsserier at visse fenomener ikke samsvarer med regimeskift. Likevel betyr ikke den statistiske avvisningen av hypotesen om at et system har flere tiltrekkere at nullhypotesen er sant. For å gjøre det må man bevise at systemet bare har en tiltrekker. Bevis for at data ikke viser flere regimer utelukker med andre ord ikke muligheten for at et system kan skifte til et alternativt regime i fremtiden. Videre i ledelsesbeslutninger kan det være risikabelt å anta at et system bare har ett regime når plausible alternative regimer har svært negative konsekvenser.
På den annen side er et mer relevant spørsmål enn "har det skjedd et regimeskifte?" er "er systemet utsatt for regimeskift?". Dette spørsmålet er viktig fordi, selv om de har vist en jevn forandring tidligere, kan dynamikken deres potensielt bli brå eller diskontinuerlig i fremtiden, avhengig av parameternes konfigurasjon. Et slikt spørsmål har blitt utforsket hver for seg i forskjellige disipliner for forskjellige systemer, og har ført utviklingen av metoder fremover (f.eks. Klimadrevne skift i havet eller stabiliteten til matnett) og fortsetter å inspirere til ny forskning.
Grenser for forskning
Forskning på regimeskift forekommer på tvers av flere økosystemer og på flere skalaer. Nye forskningsområder inkluderer tidlige advarsler om regimeskift og nye former for modellering.
Tidlige varslingssignaler og kritisk bremsing
Det er gjort en betydelig innsats for å identifisere signaler om tidlige varsler om kritiske overganger . Systemer som nærmer seg et forgreningspunkt viser en karakteristisk oppførsel som kalles kritisk bremsing, noe som fører til en stadig langsom gjenoppretting fra forstyrrelser. Dette kan igjen føre til en økning i (romlig eller tidsmessig) autokorrelasjon og varians, mens varianspektre har en tendens til å senke frekvenser og 'retningen for kritisk bremsing' i et systems tilstandsrom kan være en indikasjon på et systems fremtidige tilstand når forsinkede negative tilbakemeldinger som fører til oscillerende eller annen kompleks dynamikk er svake. Forskere har utforsket tidlige varselsignaler i innsjøer, klimadynamikk, matnett, overganger av tørt land og epilepsiangrep. Det er fortsatt uklart hvor godt slike signaler fungerer for alle regimeskift, og om de tidlige advarslene gir tid nok til å ta passende ledelseskorreksjoner for å unngå skiftet. I tillegg er tidlige varslingssignaler også avhengig av intensive dataserier av god kvalitet som er sjeldne i økologi. Forskere har imidlertid brukt data av høy kvalitet for å forutsi regimeskift i et økosystem i en innsjø. Endringer i romlige mønstre som en indikator på regimeskift har også blitt et forskningstema.
Nye tilnærminger til modellering
En annen front av forskningen er utviklingen av nye tilnærminger til modellering. Dynamiske modeller , Bayesianske trosnettverk , Fisher-informasjon og uklare kognitive kart har blitt brukt som et verktøy for å utforske faseområdet der regimeskift sannsynligvis vil skje og forstå dynamikken som styrer dynamiske terskler. Modeller er nyttige forenklinger av virkeligheten, hvis grenser er gitt av den nåværende forståelsen av det virkelige systemet så vel som forutsetningene fra modellereren. Derfor kreves en dyp forståelse av årsakssammenhenger og styrken av tilbakemeldinger for å fange opp mulig dynamisk dynamikk i regimet. Likevel er en slik dyp forståelse bare tilgjengelig for tungt studerte systemer som grunne innsjøer. Metodeutvikling er nødvendig for å takle problemet med begrensede tidsseriedata og begrenset forståelse av systemdynamikk, på en slik måte at det er mulig å identifisere de viktigste driverne for regimeskift, samt prioritere ledelsesmuligheter.
Andre nye områder
Andre nye forskningsområder inkluderer regimeskiftens rolle i jordsystemet, kaskaderende konsekvenser blant regimeskift og regimeskift i sosialøkologiske systemer.