湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應課件

湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應——現(xiàn)狀、科學問題與研究思路

沈吉中國科學院南京地理與湖泊研究所2013年7月1日(廣州)沈吉2013年7月1日1一、現(xiàn)狀二、科學問題三、研究思路報告提綱一、現(xiàn)狀報告提綱2一、現(xiàn)狀PAGES全球變化正深刻地改變著地表過程及陸地生態(tài)環(huán)境一、現(xiàn)狀PAGES全球變化正深刻地改變著地表過程及陸地生態(tài)3最新一輪湖泊調查表明：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)域特色鮮明最新一輪湖泊調查表明：以增溫為主要特征的全球變化對我國不同區(qū)4在增溫背景下，我國西北地區(qū)內陸封閉湖泊總體呈消亡態(tài)勢。新疆地區(qū)最近50年來因干旱原因消失的1km2以上的湖泊就達62個（羅布泊、居延海）。50年內水位下降了3.3m，湖水礦化度由0.38g/L上升為1.96g/L，從淡水湖變?yōu)槲⑾趟┧跪v湖咸化2003年艾比湖2010年艾比湖艾比湖1958年面積1100km2，現(xiàn)在面積不足500km2，縮小了一半以上湖泊干涸湖底成為沙塵暴源區(qū)在增溫背景下，我國西北地區(qū)內陸封閉湖泊總體呈消亡態(tài)勢。新疆地5新聞報道

“……湖泊的持續(xù)萎縮導致周邊綠洲土地沙化嚴重，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)生災難性的影響。艾比湖面積從1100km2（1958年）下降至不足500km2（近年來），環(huán)湖地區(qū)流動沙地面積增加了1000多km2，流沙掩埋了大片農田和村莊”。新聞報道“……湖泊的持續(xù)萎縮導致周邊綠洲土地6另一方面，增溫導致青藏高原冰川的快速消融，許多受冰川補給的湖泊近年來湖面呈快速擴張態(tài)勢，湖泊水位的持續(xù)上漲，淹沒湖周牧場，引起牧民恐慌。納木錯

1971-1991冰融水占總補給量百分比1992-2004冰川融水百分比(%)03060冰融水占兩時段總補給量增量百分比90另一方面，增溫導致青藏高原冰川的快速消融，許多受冰川補給的湖7云貴高原是我國深水湖泊的集中分布區(qū)，近年來在氣候變化和人類活動干擾下，生態(tài)系統(tǒng)急劇退化，生物多樣性下降。云南土著魚種類急劇下降瀘沽湖滇池云貴高原是我國深水湖泊的集中分布區(qū)，近年來在氣候變化和人類活8湖泊調查結果據(jù)2008年度湖泊生物調查，在云南地區(qū)湖泊內，外來種（銀魚、水葫蘆）入侵現(xiàn)象嚴重，且增溫使得這種入侵變得更加容易；增溫導致湖泊內生物種類的小型化（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90年代以前的94種減少到現(xiàn)在的14種。湖泊調查結果據(jù)2008年度湖泊生物調查，在云南地區(qū)湖泊內，外9東部地區(qū)淺水湖泊和濕地發(fā)育，人類活動干擾強烈，普遍出現(xiàn)水質惡化、生物多樣性喪失，導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能嚴重退化。2011年洞庭湖蓄洪能力下降太湖藍藻水華持續(xù)時間延長(Duanetal.,2009)東部地區(qū)淺水湖泊和濕地發(fā)育，人類活動干擾強烈，普遍出現(xiàn)水質惡10宋明清30-40年代80年代90年代次/年1/61/42/51/21/1宋代以來洞庭湖洪災頻率不斷增加宋明清30-40年代80年代9011

近50年來，三江平原濕地面積減少達80%，環(huán)境由濕生向旱生轉化我國內陸濕地主要分布在東北、長江中下游和江河源區(qū)。最近幾十年來，氣候變暖導致地表水文過程發(fā)生變化，造成濕地面積銳減，僅三江平原濕地面積減少就達80%，鹽堿地規(guī)模不斷擴大；黃河源若爾蓋濕地面積的急劇減少，加速了草地退化和沙化過程。近50年來，三江平原濕地面積減少達80%，我國內12不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應存在明顯差異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，并制定保護與恢復對策具有迫切的國家需求不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應存在明顯差異因13湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應研究是PAGES、IHDP、WFD、HD、RAMSAR、MA等國際組織和研究計劃關注的熱點。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。研究現(xiàn)狀氣候變化湖泊生態(tài)系統(tǒng)人類活動揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化特征與氣候變化的關系，是評估未來氣候變化影響、并制定相關保護策略的關鍵。湖泊生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應研究是PAGES、IHD14（a）近似線性的漸變模式脅迫因子（b）臨界狀態(tài)災變模式（c）多穩(wěn)態(tài)災變模式（Schefferetal,2001;2009)關于湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化，以Scheffer等研究為代表，總結了湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的3種模式：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)系統(tǒng)長期演化的研究加以證實與完善理論研究（a）近似線性的漸變模式脅迫因子（b）臨界狀態(tài)災變模式（c）15湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測網(wǎng)絡“全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)絡GLEON”（美國）湖泊生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（中科院）湖泊生態(tài)系統(tǒng)定點監(jiān)測北美五大湖、貝加爾湖（最早不超過100年）我國湖泊水質生態(tài)監(jiān)測小于50年（東湖、太湖）湖沼沉積可以提供更長生態(tài)系統(tǒng)演化的記錄生態(tài)系統(tǒng)模擬控制試驗揭示氣候、環(huán)境和生物之間的關系（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)的復雜性長期生態(tài)系統(tǒng)觀測與控制試驗湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測網(wǎng)絡“全球湖泊生態(tài)觀測網(wǎng)絡GLEON”（美國16

水生生態(tài)系統(tǒng)模擬研究

PAMOLARE水質-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（西澳大學水研究中心）

非點源污染負荷SWAT模型（美國農業(yè)部）

歐洲水文系統(tǒng)模型SHE模型（美國農業(yè)部）

太湖流域的ECOTAIHU生態(tài)模型(中國)……概念模型（靜態(tài)模型）

過程模型（動態(tài)模型）

綜合模型（耦合人類活動、自然過程等）

局限：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生態(tài)系統(tǒng)的長期演化如何設置和擴展模擬邊界場，提高模型對長時間尺度的模擬能力水生生態(tài)系統(tǒng)模擬研究PAMOLARE水質-生態(tài)模型(17綜合國際研究態(tài)勢，并針對當前我國湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題，我們提出古今湖沼學相結合的全新研究思路：以我國不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演化為研究對象，認識生態(tài)系統(tǒng)演變過程中突變或災變的環(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)的驅動機制；提出不同區(qū)域應對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復對策。為此，聚集以下三個科學問題：綜合國際研究態(tài)勢，并針對當前我國湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的問題，我們182.典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的歷史演化過程，災變的閾值與早期信號3.氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅動機制

目的：尋求不同區(qū)域應對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復對策

1.不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征及關鍵控制因子

關鍵科學問題1.如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征？指標系列

主要研究思路2.如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的過程？過程獲取3.如何定量識別氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅動？機制分析二、科學問題與研究思路2.典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的歷史演化過程，災變的閾值與早期信號3.19分區(qū)調查典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)，確定生態(tài)系統(tǒng)功能群及其主控因子；分析表層沉積中生物遺存/生物標志化合物，并與現(xiàn)生生物進行比較，獲得有效指示生態(tài)系統(tǒng)特征的沉積指標體系。建立不同區(qū)域表征生態(tài)系統(tǒng)特征的指標體系

問題1：如何表征不同區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)特征？

分區(qū)調查典型湖泊生態(tài)系統(tǒng)，確定生態(tài)系統(tǒng)功能群及其主控因子；20提取湖泊的沉積巖芯，建立以年代為標尺的高分辨率生物與氣候指標序列，同時獲取生態(tài)系統(tǒng)的自然本底；從沉積巖芯指標中定量提取氣候（溫度、降水）、水文（水位、水溫）、水質（營養(yǎng)鹽、鹽度）和生物（初級生產(chǎn)力、種群）等要素變化信息；重建十-百-千年典型湖泊生態(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2：如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長期演化的過程？提取湖泊的沉積巖芯，建立以年代為標尺的高分辨率生物與氣候指標21應用統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬方法闡明生態(tài)系統(tǒng)結構、生物多樣性演變與環(huán)境因子的關系；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)演化的驅動機制。問題3：如何定量識別氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅動？應用統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬方法闡明生態(tài)系統(tǒng)結構、生物多樣性演變與22通過模型參數(shù)選定和不同情景設置，對未來氣候條件下湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢進行模擬預測；根據(jù)模擬預測結果，參考生態(tài)恢復的自然本底，提出應對氣候變化的生態(tài)系統(tǒng)恢復和保護對策。目標：提出不同區(qū)域應對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復對策

目標：提出不同區(qū)域應對氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復對策23國家重大科學研究計劃（2012CB956100）湖泊與濕地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應及生態(tài)恢復對策研究

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業(yè)生態(tài)研究所

蘭州大學、中科院青藏高原研究所

暨南大學、中科院城市環(huán)境研究所2012年1月～2016年12月項目首席：沈吉國家重大科學研究計劃（2012CB956100）主持單位：中24

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

研究區(qū)域與點位選擇●●●●●●●●●●●●●●●●13134214111516121097658西北干旱區(qū)東部平原區(qū)西南濕潤區(qū)青藏高原區(qū)研究區(qū)域與典型湖泊濕地分布綜合考慮氣候分區(qū)、人類活動強度、湖泊濕地類型、緯度和海25硅藻搖蚊元素：Ca和PTOC和TN臨界點穩(wěn)態(tài)1滯后效應穩(wěn)態(tài)2例子1：湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化以洱海為例硅藻搖蚊元素：Ca和PTOC和TN臨界點穩(wěn)態(tài)1滯后效應穩(wěn)態(tài)226硅藻變率自相關偏態(tài)洱海數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結論：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的各個指標都上升，而是表現(xiàn)為變率升高和相關性的降低。Flickering理論可能在現(xiàn)實生態(tài)系統(tǒng)中更有效的指導早期信號的探測變率偏態(tài)自相關殘差硅藻變率自相關偏態(tài)洱海數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結論：在強烈干擾的現(xiàn)實生態(tài)27Nature

Vol.493,January31,2013NatureVol.493,January31,228以長江下游太白湖、巢湖為例，利用湖泊沉積指標（60項），再現(xiàn)了過去180年來湖泊-流域調節(jié)功能的變化各種生態(tài)指標的變化YearRegulating

servicenormalizedvalue例子2：湖泊生態(tài)服務功能變化以長江下游太白湖、巢湖為例，利用湖泊沉積指標（29過去180年來湖泊流域生態(tài)服務功能變化的驅動因子

（John，Yangetal.,PNAS,2012）思路創(chuàng)新:對湖泊沉積指標的重新定義；自然科學與人文科學的結合；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)服務功能的關系NormalizedvalueY