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

沈吉中國科學(xué)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(xué)問題三、研究思路報(bào)告提綱一、現(xiàn)狀報(bào)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(diào)查表明：以增溫為主要特征的全球變化對(duì)我國不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)影響強(qiáng)烈，各區(qū)域特色鮮明最新一輪湖泊調(diào)查表明：以增溫為主要特征的全球變化對(duì)我國不同區(qū)4在增溫背景下，我國西北地區(qū)內(nèi)陸封閉湖泊總體呈消亡態(tài)勢(shì)。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(dá)62個(gè)（羅布泊、居延海）。50年內(nèi)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(nèi)陸封閉湖泊總體呈消亡態(tài)勢(shì)。新疆地5新聞報(bào)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(duì)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），環(huán)湖地區(qū)流動(dòng)沙地面積增加了1000多km2，流沙掩埋了大片農(nóng)田和村莊”。新聞報(bào)道“……湖泊的持續(xù)萎縮導(dǎo)致周邊綠洲土地6另一方面，增溫導(dǎo)致青藏高原冰川的快速消融，許多受冰川補(bǔ)給的湖泊近年來湖面呈快速擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，湖泊水位的持續(xù)上漲，淹沒湖周牧場(chǎng)，引起牧民恐慌。納木錯(cuò)

1971-1991冰融水占總補(bǔ)給量百分比1992-2004冰川融水百分比(%)03060冰融水占兩時(shí)段總補(bǔ)給量增量百分比90另一方面，增溫導(dǎo)致青藏高原冰川的快速消融，許多受冰川補(bǔ)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(dòng)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(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。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9東部地區(qū)淺水湖泊和濕地發(fā)育，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，普遍出現(xiàn)水質(zhì)惡化、生物多樣性喪失，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能嚴(yán)重退化。2011年洞庭湖蓄洪能力下降太湖藍(lán)藻水華持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)(Duanetal.,2009)東部地區(qū)淺水湖泊和濕地發(fā)育，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，普遍出現(xiàn)水質(zhì)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(zāi)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(dá)80%，環(huán)境由濕生向旱生轉(zhuǎn)化我國內(nèi)陸濕地主要分布在東北、長(zhǎng)江中下游和江河源區(qū)。最近幾十年來，氣候變暖導(dǎo)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(dá)80%，鹽堿地規(guī)模不斷擴(kuò)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(dá)80%，我國內(nèi)12不同區(qū)域湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)存在明顯差異氣候變化和人類活動(dòng)疊加共同影響湖泊（濕地）生態(tài)系統(tǒng)因此，評(píng)估氣候變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響，并制定保護(hù)與恢復(fù)對(duì)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(duì)全球變化的響應(yīng)存在明顯差異因13湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)研究是PAGES、IHDP、WFD、HD、RAMSAR、MA等國際組織和研究計(jì)劃關(guān)注的熱點(diǎn)。氣候變化-人類活動(dòng)-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(dòng)揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期演化特征與氣候變化的關(guān)系，是評(píng)估未來氣候變化影響、并制定相關(guān)保護(hù)策略的關(guān)鍵。湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)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(zāi)變模式（c）多穩(wěn)態(tài)災(zāi)變模式（Schefferetal,2001;2009)關(guān)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期演化，以Scheffer等研究為代表，總結(jié)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(zhǎng)期演化的研究加以證實(shí)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(zāi)變模式（c）15湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)“全球湖泊生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)GLEON”（美國）湖泊生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)站（中科院）湖泊生態(tài)系統(tǒng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(cè)小于50年（東湖、太湖）湖沼沉積可以提供更長(zhǎng)生態(tài)系統(tǒng)演化的記錄生態(tài)系統(tǒng)模擬控制試驗(yàn)揭示氣候、環(huán)境和生物之間的關(guān)系（2003年開始的丹麥長(zhǎng)期人工池實(shí)驗(yàn)）難以表達(dá)自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性長(zhǎng)期生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)與控制試驗(yàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)“全球湖泊生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)GLEON”（美國16

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(diǎn)源污染負(fù)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)……概念模型（靜態(tài)模型）

過程模型（動(dòng)態(tài)模型）

綜合模型（耦合人類活動(dòng)、自然過程等）

局限：目前的模型主要基于短期觀測(cè)資料，模擬的變幅與變率偏小模擬生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期演化如何設(shè)置和擴(kuò)展模擬邊界場(chǎng)，提高模型對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度的模擬能力水生生態(tài)系統(tǒng)模擬研究PAMOLARE水質(zhì)-生態(tài)模型(17綜合國際研究態(tài)勢(shì)，并針對(duì)當(dāng)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(xué)相結(jié)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(duì)象，認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)演變過程中突變或?yàn)?zāi)變的環(huán)境閾值與早期信號(hào)；揭示氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制；提出不同區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)策。為此，聚集以下三個(gè)科學(xué)問題：綜合國際研究態(tài)勢(shì)，并針對(duì)當(dāng)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(zāi)變的閾值與早期信號(hào)3.氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

目的：尋求不同區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)策

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

主要研究思路2.如何獲取湖泊生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期演化的過程？過程獲取3.如何定量識(shí)別氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動(dòng)？機(jī)制分析二、科學(xué)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(zāi)變的閾值與早期信號(hào)3.19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；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(jìn)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

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(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；20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(shí)獲取生態(tài)系統(tǒng)的自然本底；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(yíng)養(yǎng)鹽、鹽度）和生物（初級(jí)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(hào)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(zhǎng)期演化的過程？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)21應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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；定量區(qū)分人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)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(dòng)機(jī)制。問題3：如何定量識(shí)別氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動(dòng)？應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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22通過模型參數(shù)選定和不同情景設(shè)置，對(duì)未來氣候條件下湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢(shì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)；根據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，參考生態(tài)恢復(fù)的自然本底，提出應(yīng)對(duì)氣候變化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和保護(hù)對(duì)策。目標(biāo)：提出不同區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)策

目標(biāo)：提出不同區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)策23國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2012CB956100）湖泊與濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)及生態(tài)恢復(fù)對(duì)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(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

蘭州大學(xué)、中科院青藏高原研究所

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

綜合考慮氣候分區(qū)、人類活動(dòng)強(qiáng)度、湖泊濕地類型、緯度和海拔等

研究區(qū)域與點(diǎn)位選擇●●●●●●●●●●●●●●●●13134214111516121097658西北干旱區(qū)東部平原區(qū)西南濕潤(rùn)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(dòng)強(qiáng)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(diǎn)穩(wěn)態(tài)1滯后效應(yīng)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(diǎn)穩(wěn)態(tài)1滯后效應(yīng)穩(wěn)態(tài)226硅藻變率自相關(guān)偏態(tài)洱海數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)論：在強(qiáng)烈干擾的現(xiàn)實(shí)生態(tài)系統(tǒng)中，早期信號(hào)并不是先前模型揭示的各個(gè)指標(biāo)都上升，而是表現(xiàn)為變率升高和相關(guān)性的降低。Flickering理論可能在現(xiàn)實(shí)生態(tài)系統(tǒng)中更有效的指導(dǎo)早期信號(hào)的探測(cè)變率偏態(tài)自相關(guān)殘差硅藻變率自相關(guān)偏態(tài)洱海數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)結(jié)論：在強(qiáng)烈干擾的現(xiàn)實(shí)生態(tài)27Nature

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

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

（John，Yangetal.,PNAS,2012）思路創(chuàng)新:對(duì)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；利用長(zhǎng)期變化數(shù)據(jù)揭示了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系NormalizedvalueY