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课题2:西南高原湖泊生态系统演变过程与突变机理


研究目标:

(1)通过现代调查,构建西南季风区高原湖泊生物-环境-气候定量关系,为重建气候变化和湖泊水环境奠定基础 ;

(2)建立表征西南季风区高原深水湖泊生态系统结构的有效指标体系,定量刻画湖泊生态系统弹性;

(3)揭示典型高原湖泊多时间尺度结构演化特征与驱动机理,甄别突变和早期信号


主要研究内容:

(1)湖泊现代过程调查

结合已有的湖泊与流域数据库,按照湖泊营养和气候梯度选取云南、四川地区40个湖泊。系统收集采样湖泊的流域气候、社会经济和人类活动资料,整理主要湖泊已有湖泊地形、水质数据与生物调查资料。利用地理信息系统和遥感技术分析主要湖泊的流域基本特征(包括流域坡度、植被分布)和土地利用类型,通过遥感图像的解译并以每5年为间隔,获取近四十年来土地利用类型的变化特征。基于气候台站监测数据,使用克里格模型内插获得湖泊气候数据。整理统计年鉴、专题报告等资料,收集流域经济活动、社会发展等数据、建立湖泊流域经济-社会数据库,并识别指示社会-经济系统的主要指标。

对采样湖泊分季节开展湖泊生物、水环境与流域综合调查。用 YSI 多参数水质检测仪水温、溶解氧、pH 值、电导率、碱度、盐度、浑浊度等水体参数,同时每个采样点取 2 升水样用于分析总磷、总氮、硅、钙、重金属含量等水质化学参数。使用藻类野外自动分析仪测定采样点的浮游植物叶绿素生产量和藻类组成。采集表层水体样品2升并用鲁格溶液固定,用于实验室分析水体浮游植物和硅藻;使用80微米浮游动物筛网过滤10-50升水,用于枝角类分析;采集2升水样,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;使用网捕法及数字回声探测仪进行鱼类资源调查,主要参数包括鱼类分布、密度、个体大小和生长情况;使用测深仪测定湖泊深度,按照深度梯度设置湖泊3-5个采样点;按标准方法采集大型水生植物并低温保存,记录植物种类、密度并估算覆盖度;采集湖泊表层沉积物样品(不少于200g湿重),用于沉积物硅藻、枝角类、摇蚊、花粉和生标等指标的室内分析。


(2)湖泊生物-环境气候要素定量关系和生态系统结构的表征

为建立湖泊生物群落(硅藻、摇蚊、枝角类)和湖泊水质(营养)和气候(温度)的多变量统计学关系,我们将分析并对比表层沉积物和水体现生生物的群落数据,通过物种响应曲线和环境最优值评价沉积物生物记录的代表性与可靠性。转换环函数的建立将通过应用三种常用统计方法:权重平均法(Weight Averaging; WA)、差异最小平方法(Partial Least Squares; PLS)和权重平均-差异最小平方综合法(WA-PLS)。转换函数性能的评价是通过对模型进行交叉验证,特别是通过检验使用自助抽样法bootstrapping的模型预测误差和回归系数,选取具有最小预测误差和最大相关系数的模型作为用于湖泊水质和气候定量重建。

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),重点分析深水湖泊系统生物要素之间的耦合关系,以构建湖泊生态系统网络。结合不同营养梯级生物的生物量、个体大小特征,应用食物网模型(如ECOPATH)构建深水湖泊系统的营养结构网络和反馈。进一步结合湖泊生物的分类学与功能性状特征,识别生态系统的网络结构(多样性、关联性和嵌套性等结构特征),对比不同类型湖泊和稳态转变前后的系统弹性异同,建立湖泊生态系统弹性的生态系统结构之间表征关系。


(3)湖泊生态系统的长期驱动因子、稳态突变和早期信号甄别

整理典型湖泊(抚仙湖和洱海)的长期监测资料,利用生态系统结构分析方法揭示深水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,阐明季节尺度上深水湖泊生态系统结构变化以及其与湖泊生态系统状态(水体分层、营养盐、生物分布)的关系;选择西南地区5个典型湖泊(星云湖、抚仙湖、洱海、高黎贡山天池、老君山圣母湖)进行沉积物钻孔(5个平行钻)采集,野外0.5cm分样,冷藏保存室内分析。沉积物210Pb、137Cs分析用于建立过去200年的年代模型,结合AMS、14C测年方法建立千年尺度沉积序列;分析沉积物粒度、磁化率、烧失量、元素、稳定同位素等地球化学分析,用于重建湖泊营养水平与生产力变化的长期历史。

对沉积物硅藻、摇蚊、枝角类等多指标开展分析,识别生物群落结构与生产量变化的长期过程。应用限制性聚类方法分析、零模型和strucchange模型,确定过去千年来年5个重点湖泊环境变化的主要阶段和具有统计学意义的生态临界点。

应用已建立的生物-环境转换函数,定量重建近千年来流域气候和湖泊水环境的变化过程,并结合树轮、冰芯、历史文献重建的气候序列,以及气候模拟统计降尺度序列,集成气候定量序列;基于生态系统各要素之间的现代关系,应用于湖泊沉积序列定量恢复湖泊生物群落结构的长期变化。对比定量重建的气候和水环境要素,通过应用多变量回归方法、限制性排序法和方差分解等方法,识别湖泊生态系统结构变化的主要驱动因子及量化不同时期湖泊生态系统结构的变率和变幅,利用Generic_ews等方法识别突变早期信号。

结合已识别的环境临界点、突变早期信号、生态系统稳定性以及与生态系统结构的关系,揭示气候变化和人类活动双重驱动下西南地区深水湖泊生态系统结构的多尺度变化的特征和规律;研究湖泊生态系统结构响应区域未来气候变化的可能方式。为课题三提供长时间气候变化资料,湖泊社会-经济资料、人类活动方式特点、以及深水湖泊生态学系统结构特点,以构建深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。


拟解决的重大科学问题或关键技术问题:

(1)西南季风区湖泊生物群落如何构建?多样性分布与生态系统结构的区域模式是什么?如何确定主控高原湖泊生态环境的空间格局的关键因子?

(2)如何建立评价高原典型湖泊生态系统结构、功能与弹性的指标体系,从而识别出西南季风区湖泊生态系统演变的主要特征、主控因子与突变时点?

(3)如何基于生态系统千年尺度变化记录的多变量统计分析,甄别出西南地区典型湖泊生态系统弹性变化的时空格局、稳态转变模式与突变预警信号?