湖泊生态系统对全球变化的响应

1、湖泊生态系统对全球变化的响湖泊生态系统对全球变化的响应应 现状、科学问题与研究思路现状、科学问题与研究思路 沈沈 吉吉 中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院南京地理与湖泊研究所20132013年年7 7月月1 1日日 ( (广州广州) )PAGES全球变化正深刻地改变着地表过程及陆地生态环境最新一轮湖泊调查表明：以增温为主要特征的全球变化对我国最新一轮湖泊调查表明：以增温为主要特征的全球变化对我国不同区域湖泊（湿地）生态系统影响强烈，各区域特色鲜明不同区域湖泊（湿地）生态系统影响强烈，各区域特色鲜明5050年内水位下降了年内水位下降了3.3m3.3m，湖水矿化度由，湖水矿化度由0.38g/

2、L0.38g/L上升为上升为1.96g/L1.96g/L，从淡水湖变为，从淡水湖变为微咸水湖微咸水湖博斯腾湖咸化博斯腾湖咸化20032003年年艾比湖艾比湖20102010年年艾比湖艾比湖艾比湖艾比湖19581958年面积年面积1100km1100km2 2，现在面积不足，现在面积不足500km500km2 2，缩小了一半以上，缩小了一半以上湖泊干涸湖底成为沙尘暴源区湖泊干涸湖底成为沙尘暴源区新闻报道 “.湖泊的持续萎缩导致周边绿洲土地沙化严重，干涸的湖底沉积物直接成为沙尘暴的物源，对周边区域生态环境产生灾难性的影响。艾比湖面积从1100km2 （1958年）下降至不足500km2 （近年来）

3、，环湖地区流动沙地面积增加了1000多km2，流沙掩埋了大片农田和村庄”。纳木错纳木错 1971-1991冰融水占总补给量百分比冰融水占总补给量百分比1992-2004冰川融水冰川融水百分比百分比(%)(%)03060冰融水占两时段总补给量增量百分比90泸沽湖泸沽湖滇池滇池湖泊调查结果 据2008年度湖泊生物调查，在云南地区湖泊内，外来种（银鱼、水葫芦）入侵现象严重，且增温使得这种入侵变得更加容易；增温导致湖泊内生物种类的小型化（如鱼类等），但藻类和微生物等异常增殖；土著鱼类数量从二十世纪90年代以前的94种减少到现在的14种。 2011 2011年洞庭湖年洞庭湖蓄洪能力下降蓄洪能力下降太湖蓝

4、藻水华持续时间延长太湖蓝藻水华持续时间延长(Duan et al., 2009)宋 明清 30-40年代 80年代 90年代次次/ /年年1/61/61/41/42/52/51/21/21/11/1宋代以来洞庭湖洪灾频率不断增加宋代以来洞庭湖洪灾频率不断增加 1954年土地利用耕地林地草地水体居民工矿用地未利用地沼泽湿地1986年土地利用水田旱田林地草地水体居民工矿用地未利用地沼泽湿地u不同区域湖泊（湿地）生态系统对全球变化的响应存在明显差异u气候变化和人类活动叠加共同影响湖泊（湿地）生态系统 因此，评估气候变化对湖泊生态系统的影响，并制定保护与恢复对策具有迫切的国家需求 湖泊生态系统对全球变

5、化的响应 研究是 PAGES、IHDP、WFD、HD、RAMSAR、MA等国际组织和研究计划关注的热点。气候变化-人类活动-湖泊生态系统相互作用是研究的核心。 揭示湖泊生态系统长期演化特征与气候变化的关系，是评估未来气候变化影响、并制定相关保护策略的关键。（a a）近似线性的渐变模式）近似线性的渐变模式胁迫因子（b b）临界状态灾变模式）临界状态灾变模式（c c）多稳态灾变模式）多稳态灾变模式（Scheffer et al, 2001;2009)关于湖泊生态系统长期演化，以关于湖泊生态系统长期演化，以Scheffer等研究等研究为代表，总结了湖泊生态系统演化的为代表，总结了湖泊生态系统演化的3

6、种模式：种模式：渐变、突变、多稳态，但这些模式目前尚停留在渐变、突变、多稳态，但这些模式目前尚停留在理论和假说阶段，有待通过不同地区湖泊生态系理论和假说阶段，有待通过不同地区湖泊生态系统长期演化的研究加以证实与完善统长期演化的研究加以证实与完善u 理论研究理论研究“全球湖泊生态观测网络GLEON”（美国）湖泊生态系统野外观测站（中科院）北美五大湖、贝加尔湖（最早不超过100年）我国湖泊水质生态监测小于50年（东湖、太湖）揭示气候、环境和生物之间的关系（2003年开始的丹麦长期人工池实验）难以表达自然生态系统的复杂性u 长期生态系统观测与控制试验长期生态系统观测与控制试验u 水生生态系统模拟研究

7、水生生态系统模拟研究 PAMOLARE水质-生态模型(联合国环境规划署 ) AQUATOX流域生态模型（美国环保署） CAEDYM水生生态模型（西澳大学水研究中心） 非点源污染负荷SWAT模型（美国农业部 ） 欧洲水文系统模型SHE模型（美国农业部 ） 太湖流域的ECOTAIHU生态模型(中国)局限：局限：目前的模型主要基于短期观测资料，目前的模型主要基于短期观测资料， 模拟的变幅与变率偏小模拟的变幅与变率偏小综合国际研究态势，并针对当前我国湖泊生综合国际研究态势，并针对当前我国湖泊生态系统面临的问题，我们提出态系统面临的问题，我们提出古今湖沼学相古今湖沼学相结合的全新研究思路：结合的全新研究

8、思路： 以我国不同区域湖泊生态系统的演化为研以我国不同区域湖泊生态系统的演化为研究对象，认识生态系统演变过程中突变或灾究对象，认识生态系统演变过程中突变或灾变的环境阈值与早期信号；揭示气候变化和变的环境阈值与早期信号；揭示气候变化和人类活动对湖泊生态系统的驱动机制；提出人类活动对湖泊生态系统的驱动机制；提出不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复对策。为此，聚集以下三个科学问题：对策。为此，聚集以下三个科学问题：2.2.典型湖泊生态系统的历史演化典型湖泊生态系统的历史演化过程过程，灾变的阈值与早期信号，灾变的阈值与早期信号3.3.气候变化和人类活动对湖泊生气

9、候变化和人类活动对湖泊生态系统演化的驱动机制态系统演化的驱动机制 目的：寻求目的：寻求不同区域应对气候变不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复对策化的湖泊生态系统恢复对策 1.1.不同区域湖泊生态系统特征及不同区域湖泊生态系统特征及关键控制因子关键控制因子 关键科学问题关键科学问题1.1.如何表征不同区域湖泊生态如何表征不同区域湖泊生态系统特征？指标系列系统特征？指标系列 主要研究思路主要研究思路2.2.如何获取湖泊生态系统长期如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？过程获取演化的过程？过程获取3.3.如何定量识别气候变化和人如何定量识别气候变化和人类活动对湖泊生态系统演化的驱类活动对湖泊生态系统

10、演化的驱动？机制分析动？机制分析u分区调查典型湖泊生态系统，确定生态系统功能群及其主控因子；u分析表层沉积中生物遗存/生物标志化合物，并与现生生物进行比较，获得有效指示生态系统特征的沉积指标体系。 建立不同区域表征生态系统特征的指标体系建立不同区域表征生态系统特征的指标体系 问题问题1 1：如何表征不同区域湖泊生态系统特征？如何表征不同区域湖泊生态系统特征？ u提取湖泊的沉积岩芯，建立以年代为标尺的高分辨率生物与气候指标序列，同时获取生态系统的自然本底；u从沉积岩芯指标中定量提取气候（温度、降水）、水文（水位、水温）、水质（营养盐、盐度）和生物（初级生产力、种群）等要素变化信息；u重建十-百-

11、千年典型湖泊生态系统演化历史，剖析生态系统演化的行为特征，包括生态系统突变的早期信号和阈值，揭示不同区域生态系统演化差异。问题问题2 2：如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？u应用统计模型和数值模拟方法阐明生态系统结构、生物多样性演变与环境因子的关系；u定量区分人类活动和气候变化对湖泊生态系统演化的影响；揭示不同区域和不同类型湖泊生态系统演化的驱动机制。 问题问题3 3：如何定量识别气候变化和人类活动：如何定量识别气候变化和人类活动 对湖泊生态系统演化的驱动？对湖泊生态系统演化的驱动？u通过模型参数选定和不同情景设置，对未来气候条件下湖泊生态系统的演变趋势进

12、行模拟预测；u根据模拟预测结果，参考生态恢复的自然本底，提出应对气候变化的生态系统恢复和保护对策。目标：提出不同区域应对气候变化的目标：提出不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复对策湖泊生态系统恢复对策 国家重大科学研究计划国家重大科学研究计划（2012CB9561002012CB956100）湖泊与湿地生态系统对全球变化的湖泊与湿地生态系统对全球变化的响应及生态恢复对策研究响应及生态恢复对策研究 主持单位：中科院南京地理与湖泊研究所主持单位：中科院南京地理与湖泊研究所参加单位：中科院东北地理与农业生态研究所参加单位：中科院东北地理与农业生态研究所 兰州大学、中科院青藏高原研究所兰州大学、中科

13、院青藏高原研究所 暨南大学、中科院城市环境研究所暨南大学、中科院城市环境研究所 2012 2012年年1 1月月20162016年年1212月月项目首席：沈 吉 综合考虑气候分区、人类活动强度、湖泊湿地类型、纬度和海拔等13134214111516121097658西北干旱区西北干旱区东部平原区东部平原区西南湿润区西南湿润区青藏高原区青藏高原区研究区域与典型湖泊湿地分布硅藻硅藻摇蚊摇蚊元素：元素：Ca和和PTOC和和TN临界点临界点稳态稳态1滞后效应滞后效应稳态稳态2例子例子1 1：湖泊生态系统变化：湖泊生态系统变化-以洱海为例以洱海为例硅藻硅藻变率变率自相关自相关偏态偏态洱海数据洱海数据模型

14、数据模型数据结论：在强烈干扰的现实生态系统结论：在强烈干扰的现实生态系统中，早期信号并不是先前模型揭示中，早期信号并不是先前模型揭示的各个指标都上升，而是表现为变的各个指标都上升，而是表现为变率升高和相关性的降低。率升高和相关性的降低。FlickeringFlickering理论可能在现实生态系理论可能在现实生态系统中更有效的指导早期信号的探测统中更有效的指导早期信号的探测变率变率偏态偏态自相关自相关残差残差Nature Vol.493, January 31, 2013 以长江下游太白湖、巢湖为例，利用湖泊沉积指标以长江下游太白湖、巢湖为例，利用湖泊沉积指标（60项），再现了过去项），再现了

15、过去180年来湖泊年来湖泊-流域调节功能的变化流域调节功能的变化各各 种种 生生 态态 指指 标标 的的 变变 化化YearRegulating service normalized value例子例子2 2：湖泊生态服务功能变化：湖泊生态服务功能变化过去过去180180年来湖泊流域生态服务功能变化的驱动因子年来湖泊流域生态服务功能变化的驱动因子（John， Yang et al., PNAS, 2012）: :对湖泊沉积指标的重新定义；对湖泊沉积指标的重新定义； 自然科学与人文科学的结合；自然科学与人文科学的结合； 利用长期变化数据揭示了社会经济发展与生态系统服务功能的关系利用长期变化数据揭示了社会经济发展与生态系统服务功能的关系Normalized valueYearu 科学研究层面科学研究层面 建立表征湖泊生态系统特征的有效指标体系，重建不建立表征湖泊生态系统特征的有效指标体系，重建不同区域湖泊生态系统演变序列同区域湖泊生态系统演变序列; ; u 技术手