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第三课题中科院南京地理与湖泊研究所王荣团队结合项目的需求,研究在人类活动背景下,湖泊环境梯度上,生物群落的演替特征。主要通过对比硅藻群落的多样性和嵌套性特征对湖泊生态系统在全球变化驱动下,结构的变化进行研究。相关研究成果发表在SCI二区TOP杂志Science of the TotalEnvironment期刊上。

研究选取了长江中下游位于江苏、安徽、湖南、湖北和江西的76个湖泊。流域人类活动方式包括农业、工业、鱼类养殖、城市化等。前期的研究已经表明该地区湖泊受到严重的富营养化的影响,湖泊总磷梯度大,湖泊治理难度加大。对于湖泊环境变化阈值的研究存在争议,湖泊调查的结果显示把湖泊的总磷阈值定在0.1mg/l是合理的;可是,参考环境的研究建议将湖泊的总磷阈值定为0.06mg/l。无论何种研究都忽略了对湖泊生物群落结构的研究。针对这些方面,本研究从湖泊生物群落结构入手,对长江中下游湖泊生物群落结构响应营养的特点进行的深入探讨。


图 本次调查的76个湖泊。其中标注出湖泊相对位置,点的大小表示湖泊的TP的浓度。

研究以现代湖泊中的硅藻群落为研究对象。首先将湖泊分为三中不同类型,即低营养类型湖泊,中营养类型湖泊以及高营养类型湖泊。我们分别计算了不同类型湖泊中硅藻群落的嵌套性指标(NODF)、多样性指标(richness和beta多样性)。研究结果表明,硅藻群落的嵌套性在低富营养化湖泊中的值最低,随着营养的升高,中营养湖泊高于低营养湖泊,而高营养湖泊中的硅藻群落的嵌套性最高;相对而言,多样性的表现,无论是richness还是beta多样性,与嵌套性的表现有所不同。具体表现在,低营养和中营养中湖泊的多样性的差异不大。在环境梯度的变化上,只有当湖泊位于高营养时,多样性减少的特征才表现出来。因此嵌套性和多样性的对比研究显示硅藻群落的演替具有一定的规律性。可能的解释是,在湖泊富营养之初,富营养属种的不断加入群落中,替换了寡营养属种,从而使得生物群落的嵌套性升高,但是可以维持多样性不变。

通过进一步研究嵌套性和多样性在整个湖泊营养梯度上的表现情况,以期能够确定湖泊生态系统生物群落在富营养化过程中结构变化的阈值。研究结果表明,硅藻群落多样性在营养梯度上的变化阈值在TP=0.1mg/l。该阈值与湖泊面上调查的阈值类似。但是,硅藻群落的嵌套性指标表现出的营养阈值要比多样性的阈值低,在TP=0.06mg/l。该阈值与古湖沼学揭示的湖泊参考环境类似。综合来看,虽然诸多研究表明,生物群落的多样性和生态系统稳定性具有一定关系。但是通过本研究发现,二者的关系并不明确,由于湖泊内部生物群落不同属种之间存在强烈的演替,多样性在表征湖泊生态系统状态的时候具有明显的局限性,具体原因在于其并没有揭示不同功能属种的演替规律。因此,我们建议在湖泊生态系统响应环境的演变研究中,充分考虑生态系统群落结构的变化,利用能够反映生态系统生物群落结构的指标来反映生态系统响应环境变化的过程。这样可以更加灵敏的揭示湖泊生态系统的响应过程,为生态系统管理提供更有效的科学支撑。就长江中下游湖泊而言,我们建议湖泊管理和修复的总磷阈值应该设定在TP=0.06mg/l。