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课题3:季风区湖泊生态系统安全评估与预测预警

研究目标:

(1)发展区域特色的PClake模型,揭示湖泊生态系统临界转换过程及其主要反馈机制

(2)获取典型湖泊生态系统服务的长期变化序列,揭示研究区千年来生态系统服务变化过程、规律。

(3)基于弹性理论构建典型湖泊生态系统服务的合理安全操作空间;利用系统动力学模型,预测未来湖泊生态系统的动态演化趋势。

主要研究内容:

(1)生态系统突变过程模拟与反馈机制

开展典型湖泊现代过程监测(太湖、抚仙湖),基于课题1和课题2面上湖泊调查建立的主要生物和环境要素的定量关系,对PCLake模型的主要功能模块及相关过程进行修正,并对该模型中关键参数进行识别和校正,综合评估模型的可靠性,从而构建适合研究区浅水湖泊及深水湖泊的两种PCLake生态系统模型。通过改变湖泊生态系统主要外在驱动力的变化,比如温度、营养盐等,试验不同的模型模拟结果,分别在过去百年(年际分辨率)和千年(年代际分辨率)尺度上,对不同类型的湖泊使用适宜的PCLake模型进行模拟,反演湖泊生态系统的稳态转化过程,揭示系统突变过程中食物网结构变化特征,识别生态系统主要正负反馈机制、阈值及早期信号的变化,深入探讨正反馈机制在湖泊系统稳态转化前后的变化与作用。另外,依据PCLake模型模拟结果获得突变速率、阈值、临界点和早期预警信号等,并与沉积物记录的相关结果进行对比,加深理解研究区研究区典型湖泊的生态系统弹性变化及稳态转化机制,为生态系统安全操作空间的制定提供依据。

(2)生态系统服务的长期动态变化规律

依据“千年生态系统评估(MA2005)”分类标准,结合研究区湖泊流域人类活动特点,建立湖泊主要生态系统服务指标体系,其中包括水质调节、 洪涝调节、气候调节等主要调节服务(Regulating services);淡水资源供给、水产品供给等主要供给服务(Provisioning services);以及生物多样性等支撑服务(Supporting services)。通过典型湖泊(太湖、抚仙湖)生态监测数据和沉积物岩芯生物与环境指标记录分析,结合课题1和课题2获得其他湖泊钻孔分析结果,以及湖泊流域历史文献记录、遥感影像、统计年鉴等资料,进行数据集成及标准化,建立过去千年来湖泊流域主要生态系统服务指标的变化序列。在此基础上,结合气候定量结果和人类活动记录,揭示研究区不同时间尺度上湖泊主要生态系统服务变化的特征和规律。其中在西南地区,重点揭示过去千年来气候变化对湖泊生态系统服务的影响,尤其是特征时段(如中世纪暖期,小冰期等)湖泊主要生态系统调节服务的变化过程;在人类活动影响为主的长江中下游地区,重点揭示近二百年来湖泊生态系统调节服务和供给服务变化过程的权衡(trade-off)和协同(synergy)关系,同时结合前期关于生态系统突变的研究结果,进一步对比湖泊发生稳态转化前后不同生态系统服务的动态变化特征。

(3)典型湖泊系统安全操作空间和趋势预测

基于古湖沼重建的生态系统服务长期动态变化特征 (速率、幅度、周期、突变、早期预警信号等),结合湖泊流域主要驱动力(土地利用变化、人口、气候、粮食产量、政策等)类型组合和强度,在DISPER (Driver-Pressure-State-Impact-Response) 理论框架下,揭示不同驱动力作用下湖泊生态系统响应的异同,建立典型湖泊变化的动态综合征(Dynamic Syndrome),归纳划分不同湖泊生态系统的动态演化类型。在此基础上,结合课题1和课题2 中关于湖泊生态系统弹性变化的定性及定量重建结果,按类型对湖泊生态系统进行弹性排序,从弹性损失的程度评估不同湖泊生态系统的退化阶段。参照地球边界概念框架(Planetary Boundary )及生态系统安全操作空间(Safe and Just Operating Spaces)框架,通过对比分析千年来不同类型湖泊演化过程中生态系统动态变化特征,从线性及非线性变化角度确定湖泊主要生态系统服务变化的安全边界范围;同时结合问卷调查分析、圆桌讨论、专家访谈等方式,确立湖泊流域不同群体(农民,湖泊管理者,政策制定者等)对湖泊生态系统关键过程的认知,建立区域典型湖泊系统安全操作空间。最后,利用Stella软件平台建立湖泊系统动力模型,构建典型湖泊流域人类系统与自然系统的相互作用及反馈机制,反演人类-自然耦合系统下湖泊生态系统的动态变化过程和机制,同时结合场景分析,模拟预估未来50年不同气候条件和社会发展背景下典型湖泊生态系统的变化趋势,进而评估未来不同类型湖泊发生系统突变的可能性。


拟解决的重大科学问题和关键技术:

(1)如何有效整合古沉积记录和现代观测数据,建立生态系统服务的长期演化序列,探讨不同时间和空间尺度上生态系统服务的动态变化过程与趋势?

(2)如何基于湖泊生态系统的长期变化及相应驱动力类型、组合、强度的变化,对湖泊生态演化进行分类,并基于弹性损失程度进行排序?

(3)如何在社会-自然系统框架下,以弹性变化为理论指导,综合湖泊流域人类和自然数据,构建湖泊流域的合理安全操作空间?

(4)如何构建典型湖泊流域的系统动力学模型,模拟预测未来湖泊生态系统的演化趋势?