湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)

1、湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)應(yīng) 現(xiàn)狀、科學(xué)問題與研究思路現(xiàn)狀、科學(xué)問題與研究思路 沈沈 吉吉 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所20132013年年7 7月月1 1日日 ( (廣州廣州) )PAGES全球變化正深刻地改變著地表過程及陸地生態(tài)環(huán)境最新一輪湖泊調(diào)查表明：以增溫為主要特征的全球變化對我國最新一輪湖泊調(diào)查表明：以增溫為主要特征的全球變化對我國不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)影響強烈，各區(qū)域特色鮮明不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)影響強烈，各區(qū)域特色鮮明5050年內(nèi)水位下降了年內(nèi)水位下降了3.3m3.3m，湖水礦化度由，湖水礦化度由0.38g/

2、L0.38g/L上升為上升為1.96g/L1.96g/L，從淡水湖變?yōu)椋瑥牡優(yōu)槲⑾趟⑾趟┧跪v湖咸化博斯騰湖咸化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年面積年面積1100km1100km2 2，現(xiàn)在面積不足，現(xiàn)在面積不足500km500km2 2，縮小了一半以上，縮小了一半以上湖泊干涸湖底成為沙塵暴源區(qū)湖泊干涸湖底成為沙塵暴源區(qū)新聞報道 “.湖泊的持續(xù)萎縮導(dǎo)致周邊綠洲土地沙化嚴(yán)重，干涸的湖底沉積物直接成為沙塵暴的物源，對周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。艾比湖面積從1100km2 （1958年）下降至不足500km2 （近年來）

3、，環(huán)湖地區(qū)流動沙地面積增加了1000多km2，流沙掩埋了大片農(nóng)田和村莊”。納木錯納木錯 1971-1991冰融水占總補給量百分比冰融水占總補給量百分比1992-2004冰川融水冰川融水百分比百分比(%)(%)03060冰融水占兩時段總補給量增量百分比90瀘沽湖瀘沽湖滇池滇池湖泊調(diào)查結(jié)果 據(jù)2008年度湖泊生物調(diào)查，在云南地區(qū)湖泊內(nèi)，外來種（銀魚、水葫蘆）入侵現(xiàn)象嚴(yán)重，且增溫使得這種入侵變得更加容易；增溫導(dǎo)致湖泊內(nèi)生物種類的小型化（如魚類等），但藻類和微生物等異常增殖；土著魚類數(shù)量從二十世紀(jì)90年代以前的94種減少到現(xiàn)在的14種。 2011 2011年洞庭湖年洞庭湖蓄洪能力下降蓄洪能力下降太湖藍

4、藻水華持續(xù)時間延長太湖藍藻水華持續(xù)時間延長(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宋代以來洞庭湖洪災(zāi)頻率不斷增加宋代以來洞庭湖洪災(zāi)頻率不斷增加 1954年土地利用耕地林地草地水體居民工礦用地未利用地沼澤濕地1986年土地利用水田旱田林地草地水體居民工礦用地未利用地沼澤濕地u不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)存在明顯差異u氣候變化和人類活動疊加共同影響湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng) 因此，評估氣候變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響，并制定保護與恢復(fù)對策具有迫切的國家需求 湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變

5、化的響應(yīng) 研究是 PAGES、IHDP、WFD、HD、RAMSAR、MA等國際組織和研究計劃關(guān)注的熱點。氣候變化-人類活動-湖泊生態(tài)系統(tǒng)相互作用是研究的核心。 揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化特征與氣候變化的關(guān)系，是評估未來氣候變化影響、并制定相關(guān)保護策略的關(guān)鍵。（a a）近似線性的漸變模式）近似線性的漸變模式脅迫因子（b b）臨界狀態(tài)災(zāi)變模式）臨界狀態(tài)災(zāi)變模式（c c）多穩(wěn)態(tài)災(zāi)變模式）多穩(wěn)態(tài)災(zāi)變模式（Scheffer et al, 2001;2009)關(guān)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化，以關(guān)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化，以Scheffer等研究等研究為代表，總結(jié)了湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的為代表，總結(jié)了湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的3

6、種模式：種模式：漸變、突變、多穩(wěn)態(tài)，但這些模式目前尚停留在漸變、突變、多穩(wěn)態(tài)，但這些模式目前尚停留在理論和假說階段，有待通過不同地區(qū)湖泊生態(tài)系理論和假說階段，有待通過不同地區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的研究加以證實與完善統(tǒng)長期演化的研究加以證實與完善u 理論研究理論研究“全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)GLEON”（美國）湖泊生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（中科院）北美五大湖、貝加爾湖（最早不超過100年）我國湖泊水質(zhì)生態(tài)監(jiān)測小于50年（東湖、太湖）揭示氣候、環(huán)境和生物之間的關(guān)系（2003年開始的丹麥長期人工池實驗）難以表達自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性u 長期生態(tài)系統(tǒng)觀測與控制試驗長期生態(tài)系統(tǒng)觀測與控制試驗u 水生生態(tài)系統(tǒng)模擬研究

7、水生生態(tài)系統(tǒng)模擬研究 PAMOLARE水質(zhì)-生態(tài)模型(聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 ) AQUATOX流域生態(tài)模型（美國環(huán)保署） CAEDYM水生生態(tài)模型（西澳大學(xué)水研究中心） 非點源污染負荷SWAT模型（美國農(nóng)業(yè)部 ） 歐洲水文系統(tǒng)模型SHE模型（美國農(nóng)業(yè)部 ） 太湖流域的ECOTAIHU生態(tài)模型(中國)局限：局限：目前的模型主要基于短期觀測資料，目前的模型主要基于短期觀測資料， 模擬的變幅與變率偏小模擬的變幅與變率偏小綜合國際研究態(tài)勢，并針對當(dāng)前我國湖泊生綜合國際研究態(tài)勢，并針對當(dāng)前我國湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題，我們提出態(tài)系統(tǒng)面臨的問題，我們提出古今湖沼學(xué)相古今湖沼學(xué)相結(jié)合的全新研究思路：結(jié)合的全新研究

8、思路： 以我國不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演化為研以我國不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演化為研究對象，認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)演變過程中突變或災(zāi)究對象，認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)演變過程中突變或災(zāi)變的環(huán)境閾值與早期信號；揭示氣候變化和變的環(huán)境閾值與早期信號；揭示氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動機制；提出人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動機制；提出不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對策。為此，聚集以下三個科學(xué)問題：對策。為此，聚集以下三個科學(xué)問題：2.2.典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的歷史演化典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的歷史演化過程過程，災(zāi)變的閾值與早期信號，災(zāi)變的閾值與早期信號3.3.氣候變化和人類活動對湖泊生氣

9、候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動機制態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動機制 目的：尋求目的：尋求不同區(qū)域應(yīng)對氣候變不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對策化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對策 1.1.不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征及不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征及關(guān)鍵控制因子關(guān)鍵控制因子 關(guān)鍵科學(xué)問題關(guān)鍵科學(xué)問題1.1.如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征？指標(biāo)系列系統(tǒng)特征？指標(biāo)系列 主要研究思路主要研究思路2.2.如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的過程？過程獲取演化的過程？過程獲取3.3.如何定量識別氣候變化和人如何定量識別氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)

10、演化的驅(qū)動？機制分析動？機制分析u分區(qū)調(diào)查典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)，確定生態(tài)系統(tǒng)功能群及其主控因子；u分析表層沉積中生物遺存/生物標(biāo)志化合物，并與現(xiàn)生生物進行比較，獲得有效指示生態(tài)系統(tǒng)特征的沉積指標(biāo)體系。 建立不同區(qū)域表征生態(tài)系統(tǒng)特征的指標(biāo)體系建立不同區(qū)域表征生態(tài)系統(tǒng)特征的指標(biāo)體系 問題問題1 1：如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征？如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征？ u提取湖泊的沉積巖芯，建立以年代為標(biāo)尺的高分辨率生物與氣候指標(biāo)序列，同時獲取生態(tài)系統(tǒng)的自然本底；u從沉積巖芯指標(biāo)中定量提取氣候（溫度、降水）、水文（水位、水溫）、水質(zhì)（營養(yǎng)鹽、鹽度）和生物（初級生產(chǎn)力、種群）等要素變化信息；u重建十-百-

11、千年典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化歷史，剖析生態(tài)系統(tǒng)演化的行為特征，包括生態(tài)系統(tǒng)突變的早期信號和閾值，揭示不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演化差異。問題問題2 2：如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的過程？如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的過程？u應(yīng)用統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬方法闡明生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生物多樣性演變與環(huán)境因子的關(guān)系；u定量區(qū)分人類活動和氣候變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的影響；揭示不同區(qū)域和不同類型湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動機制。 問題問題3 3：如何定量識別氣候變化和人類活動：如何定量識別氣候變化和人類活動 對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動？對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動？u通過模型參數(shù)選定和不同情景設(shè)置，對未來氣候條件下湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢進

12、行模擬預(yù)測；u根據(jù)模擬預(yù)測結(jié)果，參考生態(tài)恢復(fù)的自然本底，提出應(yīng)對氣候變化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和保護對策。目標(biāo)：提出不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化的目標(biāo)：提出不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對策湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對策 國家重大科學(xué)研究計劃國家重大科學(xué)研究計劃（2012CB9561002012CB956100）湖泊與濕地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的湖泊與濕地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)及生態(tài)恢復(fù)對策研究響應(yīng)及生態(tài)恢復(fù)對策研究 主持單位：中科院南京地理與湖泊研究所主持單位：中科院南京地理與湖泊研究所參加單位：中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所參加單位：中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 蘭州大學(xué)、中科院青藏高原研究所蘭州大學(xué)、中科

13、院青藏高原研究所 暨南大學(xué)、中科院城市環(huán)境研究所暨南大學(xué)、中科院城市環(huán)境研究所 2012 2012年年1 1月月20162016年年1212月月項目首席：沈 吉 綜合考慮氣候分區(qū)、人類活動強度、湖泊濕地類型、緯度和海拔等13134214111516121097658西北干旱區(qū)西北干旱區(qū)東部平原區(qū)東部平原區(qū)西南濕潤區(qū)西南濕潤區(qū)青藏高原區(qū)青藏高原區(qū)研究區(qū)域與典型湖泊濕地分布硅藻硅藻搖蚊搖蚊元素：元素：Ca和和PTOC和和TN臨界點臨界點穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)1滯后效應(yīng)滯后效應(yīng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)2例子例子1 1：湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化：湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化-以洱海為例以洱海為例硅藻硅藻變率變率自相關(guān)自相關(guān)偏態(tài)偏態(tài)洱海數(shù)據(jù)洱海數(shù)據(jù)模型

14、數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)論：在強烈干擾的現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)結(jié)論：在強烈干擾的現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)中，早期信號并不是先前模型揭示中，早期信號并不是先前模型揭示的各個指標(biāo)都上升，而是表現(xiàn)為變的各個指標(biāo)都上升，而是表現(xiàn)為變率升高和相關(guān)性的降低。率升高和相關(guān)性的降低。FlickeringFlickering理論可能在現(xiàn)實生態(tài)系理論可能在現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)中更有效的指導(dǎo)早期信號的探測統(tǒng)中更有效的指導(dǎo)早期信號的探測變率變率偏態(tài)偏態(tài)自相關(guān)自相關(guān)殘差殘差Nature Vol.493, January 31, 2013 以長江下游太白湖、巢湖為例，利用湖泊沉積指標(biāo)以長江下游太白湖、巢湖為例，利用湖泊沉積指標(biāo)（60項），再現(xiàn)了過去項），再現(xiàn)了

15、過去180年來湖泊年來湖泊-流域調(diào)節(jié)功能的變化流域調(diào)節(jié)功能的變化各各 種種 生生 態(tài)態(tài) 指指 標(biāo)標(biāo) 的的 變變 化化YearRegulating service normalized value例子例子2 2：湖泊生態(tài)服務(wù)功能變化：湖泊生態(tài)服務(wù)功能變化過去過去180180年來湖泊流域生態(tài)服務(wù)功能變化的驅(qū)動因子年來湖泊流域生態(tài)服務(wù)功能變化的驅(qū)動因子（John， Yang et al., PNAS, 2012）: :對湖泊沉積指標(biāo)的重新定義；對湖泊沉積指標(biāo)的重新定義； 自然科學(xué)與人文科學(xué)的結(jié)合；自然科學(xué)與人文科學(xué)的結(jié)合； 利用長期變化數(shù)據(jù)揭示了社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系利用長期變化數(shù)據(jù)揭示了社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系Normalized valueYearu 科學(xué)研究層面科學(xué)研究層面 建立表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征的有效指標(biāo)體系，重建不建立表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征的有效指標(biāo)體系，重建不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變序列同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變序列; ; u 技術(shù)手