湖泊生态系统对全球变化的响应分析

湖泊生态系统对全球变化的响应——现状、科学问题与研究思路沈吉中国科学院南京地理与湖泊研究所2013年7月1日(广州)一、现状二、科学问题三、研究思路报告提纲一、现状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不同区域湖泊（湿地）生态系统影响强烈，各区域特色鲜明在增温背景下，我国西北地区内陆封闭湖泊总体呈消亡态势。新疆地区最近50年来因干旱原因消失的1km2以上的湖泊就达62个（罗布泊、居延海）。50年内水位下降了3.3m，湖水矿化度由0.38g/L上升为1.96g/L，从淡水湖变为微咸水湖博斯腾湖咸化2003年艾比湖2010年艾比湖艾比湖1958年面积1100km2，现在面积不足500km2，缩小了一半以上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），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”。另一方面，增温导致青藏高原冰川的快速消融，许多受冰川补给的湖泊近年来湖面呈快速扩张态势，湖泊水位的持续上涨，淹没湖周牧场，引起牧民恐慌。纳木错1971-1991冰融水占总补给量百分比1992-2004冰川融水百分比(%)03060冰融水占两时段总补给量增量百分比90云贵高原是我国深水湖泊的集中分布区，近年来在气候变化和人类活动干扰下，生态系统急剧退化，生物多样性下降。云南土著鱼种类急剧下降泸沽湖滇池湖泊调查结果•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。东部地区浅水湖泊和湿地发育，人类活动干扰强烈，普遍出现水质恶化、生物多样性丧失，导致生态系统服务功能严重退化。2011年洞庭湖蓄洪能力下降太湖蓝藻水华持续时间延长(Duanetal.,2009)宋明清30-40年代80年代90年代次/年1/61/42/51/21/1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近50年来，三江平原湿地面积减少达80%，环境由湿生向旱生转化我国内陆湿地主要分布在东北、长江中下游和江河源区。最近几十年来，气候变暖导致地表水文过程发生变化，造成湿地面积锐减，仅三江平原湿地面积减少就达80%，盐碱地规模不断扩大；黄河源若尔盖湿地面积的急剧减少，加速了草地退化和沙化过程。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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。研究现状气候变化湖泊生态系统人类活动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）近似线性的渐变模式胁迫因子（b）临界状态灾变模式（c）多稳态灾变模式（Schefferetal,2001;2009)关于湖泊生态系统长期演化，以Scheffer等研究为代表，总结了湖泊生态系统演化的3种模式：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统长期演化的研究加以证实与完善理论研究湖泊生态系统观测网络“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）湖泊生态系统定点监测北美五大湖、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）湖沼沉积可以提供更长生态系统演化的记录生态系统模拟控制试验揭示气候、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长期生态系统观测与控制试验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)……概念模型（静态模型）过程模型（动态模型）综合模型（耦合人类活动、自然过程等）局限：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生态系统的长期演化如何设置和扩展模拟边界场，提高模型对长时间尺度的模拟能力综合国际研究态势，并针对当前我国湖泊生态系统面临的问题，我们提出古今湖沼学相结合的全新研究思路：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：2.典型湖泊生态系统的历史演化过程，灾变的阈值与早期信号3.气候变化和人类活动对湖泊生态系统演化的驱动机制目的：寻求不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复对策1.不同区域湖泊生态系统特征及关键控制因子关键科学问题1.如何表征不同区域湖泊生态系统特征？指标系列主要研究思路2.如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？过程获取3.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？机制分析二、科学问题与研究思路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；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问题1：如何表征不同区域湖泊生态系统特征？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；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；重建十-百-千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2：如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？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；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3：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？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行模拟预测；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湖泊生态系统恢复对策国家重大科学研究计划（2012CB956100）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兰州大学、中科院青藏高原研究所暨南大学、中科院城市环境研究所2012年1月～2016年12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、纬度和海拔等研究区域与点位选择●●●●●●●●●●●●●●●●13134214111516121097658西北干旱区西南湿润区青藏高原区研究区域与典型湖泊湿地分布硅藻摇蚊元素：Ca和PTOC和TN临界点稳态1滞后效应稳态2例子1：湖泊生态系统变化----以洱海为例硅藻变率自相关偏态洱海数据模型数据结论：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的各个指标都上升，而是表现为变率升高和相关性的降低。Flickering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变率偏态自相关残差NatureVol.493,January31,2013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180年来湖泊-流域调节功能的变化各种生态指标的变化YearRegulatingservicenormalizedvalue例子2：湖泊生态服务功能变化过去180年来湖泊流域生态服务功能变化的驱动因子（John，Yangetal.,PNAS,2012）思路创新:对湖泊沉积指标的重新定义；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NormalizedvalueYear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，重建不同区域湖泊生态系统演变序列;技术手段层面开发气候-水量-水质-生物综合生态模型，进行生态系统长期演化的模拟和预测，揭示气候变化和人类活动对湖泊生态系统演化的驱动机制;国家需求层面提出不同区域生态系统修复的参考目标和保护对策，加强我国应对全球变化的能力。总体目标谢谢各位代表！