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课题1:长江中下游洪泛平原湖泊生态系统演变过程及模式

研究目标:

(1)获得长江中下游浅水湖泊生物、环境、流域气候和人类活动指标数据库,构建浅水湖泊生物-气候-环境要素定量转换函数;

(2)建立表征浅水湖泊生态系统结构的指标体系,表征湖泊生态系统弹性变化;

(3)利用钻孔沉积、长期监测资料和实验室操控实验研究,揭示浅水湖泊系统在温度和营养双重驱动下多尺度变化特征、稳态转换阈值与系统结构响应机理;

(4)综合集成气候、水环境、生物资料,重建典型浅水湖泊生态系统长期变化序列,揭示系统时空变化规律,甄别突变和早期信号。


主要研究内容:


(1)湖泊现代过程调查

在已有数据库的基础上,在长江中下游地区按照湖泊营养梯度选取60个湖泊,分季节开展湖泊生物、水环境系统调查。现场使用YSI记录水温、溶解氧、pH 值、电导率、碱度、盐度、浑浊度等水体参数,使用透明度盘记录水体透明度;将采集表层水体样品2升,野外冷藏保存,以备实验室理化性质的测定;采集表层水体样品2升,在野外使用鲁格溶液固定,用于实验室分析水体硅藻;使用80um浮游动物网过滤10-50升水体,以备实验室枝角类分析;采集2升水体样品,用0.22微米聚碳酸酯膜滤膜过滤,并使用液氮野外保存,用于实验室细菌分析;使用多种孔径鱼网捕获鱼类,调查湖泊中鱼类的分布情况;根据湖泊的深度,按照深度梯度设置2-5个采样点,采集大型水生植物以及湖泊表层沉积物;野外记录大型水生植物种类、密度、估计覆盖度,并保留各个湖泊水生植物样本;不同采样点采集表层沉积物不少于200g,用于沉积物化石硅藻、枝角类、摇蚊等的实验室鉴定;使用彼德逊抓泥器,采集表层沉积物样品1kg,野外过100目网筛并捡出活体摇蚊幼虫,用福尔马林溶液保存,以备实验室鉴定分析;

实验室分析湖泊水样的理化性质,沉积物的理化性质,以及鉴定硅藻、摇蚊、枝角类、鱼类、大型植物以及生标、花粉等湖泊生物组成,构建湖泊生物-环境数据库;利用基因测序手段测定样品中的细菌群落;收集湖泊流域的气候资料和人类活动资料;通过遥感图像的解译,分析湖泊流域植被状况,重点解译流域面积、农业用地和建筑用地;通过统计年鉴资料的整理,收集流域经济活动、社会发展等资料,构建湖泊流域经济-社会数据库,区分湖泊的不同人类活动方式,如围垦、筑坝、农业以及经济发展;为课题三提供长江中下游地区浅水湖泊社会-经济资料、人类活动方式特点、以及生态系统关键组成资料,为构建浅水湖泊生态系统动力学模型,探讨未来增温背景下,人类活动对生态系统服务的影响研究服务。


(2)湖泊水环境和区域气候变化定量研究

综合实验室分析和野外实测的水环境资料,利用多元统计分析手段,使用CANOCA软件分析影响湖泊生物群落的主要环境因子。利用多种模型(WA-classical,WA-inverse,WA-PLS模型等)来拟合生物群落与主要环境因子的关系,重点构建湖泊硅藻、摇蚊、枝角类与湖泊营养、水温的定量转换函数;收集区域花粉与生标资料,利用多元统计分析手段,使用多种模型(WA-classical,WA-inverse,WA-PLS模型等)构件区域花粉、生标与气候要素的关系,构建湖泊流域气候转换函数。


(3)湖泊水环境和流域气候长期变化定量序列重建

选择长江中下游5个典型湖泊(太湖、太白湖、鄱阳湖、东湖、梁子湖)于2017年秋季采集沉积物钻孔(5个平行孔),野外0.5cm分样,冷藏保存以备实验室分析。实验室分析沉积210Pb、137Cs、14C、粒度、磁化率、沉积物元素、硅藻、摇蚊、枝角类等生物和理化指标;使用环境-生物定量转换函数,重建过去千年以来湖泊水环境要素的变化,并为课题三提供长时间尺度湖泊生态系统营养变化资料;应用气象台站资料、树轮与历史文献重建资料,结合气候模拟输出,通过统计降尺度的方法,使用千年气候长积分模型(Eco-G模型)重建研究区千年以来的温度和降水序列;分析沉积钻孔花粉和生标,利用气候转换函数定量重建区域气候长期变化,对比不同手段气候定量重建结果,得到研究区千年以来可靠的气候演化序列。


(4)生态系统结构的定量表征以及与湖泊弹性的关系

使用排序分析手段,如DCA分析和PCA分析、聚类分析手段结合生态系统群落和湖泊环境的欧式距离的计算,分析所有调查湖泊的状态差异,利用湖泊生态系统状态的差异代表湖泊生态系统各类型之间的弹性差异;使用数理统计手段,如Yate’s chi-square检验和Cramér’s V分析湖泊生物群落中各属种之间的关系,构建长江中下游地区湖泊生物网络;分析各湖泊生物群落的多样性、关联性和嵌套性等结构特征,获得湖泊生态系统结构指标;应用食物网模型(ECOPATH)构建浅水湖泊系统的食物网结构和主要反馈;对比湖泊生态系统弹性差异,遴选出合适的表征浅水湖泊生态系统弹性大小的生态系统结构指标。


(5)实验室模拟试验

从典型湖泊采集藻类和浮游动物活体样本,在实验室构建微观生态系统;设定实验室系统的操控条件,注重调整实验控制温度和营养,实现实验室微观操控系统的稳定状态;改变实验条件,模拟系统突变过程,首先调整系统的温度或者营养,记录藻类和浮游动物的变化特征,计算藻类和浮游动物在驱动力变化条件下的群落结构变化指标;其次,同时改变系统的温度和营养,记录生物群落的变化特征以及计算群落结构指标的变化;对比面上调查湖泊中得出的表征生态系统弹性变化的结构指标,验证指标的有效性以及说明自然生态系统数据结构研究的适用范围,且为本课题选择合适结构指标表征生态系统弹性提供建议。


(6)湖泊生态系统结构的季节变化和近千年来的长期演化,突变和早期信号特征

整理典型湖泊(太湖、鄱阳湖、东湖)的长期监测资料,利用生态系统结构分析方法揭示湖泊生态系统结构的季节变化;对比监测的温度和营养的变化,阐明季节尺度上湖泊生态系统结构变化以及其与湖泊生态系统状态的关系;应用现代湖泊生态系统各要素的关系,重建千年以来湖泊生态系统结构的变化;对比上述气候和水环境和人类活动重建数据,分析湖泊生态系统结构变化的主要驱动因子,以及特征暖期、小冰期和现代增温期等特征时期湖泊生态系统结构的变率和变幅;利用 Struchange模型检测生态系统突变临界点,并通过Generic_ews方法计算突变早期信号,评估未来增温和人类活动背景下湖泊生态系统的演化方向。


拟解决的重大科学问题或关键技术问题:

(1)如何通过面上湖泊的调查获取湖泊生态系统各要素之间的量化关系,进而重建过去1000年来湖泊生态系统结构的变化?

(2)如何综合分析多指标、多种实验手段获取的生态系统突变和早期信号特征?

(2)如何通过对比气候、水环境和生态系统结构的长期变化,获得不同气候条件和不同人类活动方式背景下,生态系统响应方式的差异、幅度和变率?