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食物鏈長度改變了湖泊生態系統對增溫的響應

  湖泊生態系統對全球變化的響應及其應對策略是湖沼學研究的熱點之一?;跍貛Ш吹睦碚摵徒涷炑芯烤砻?,增溫會加劇捕食者的下行級聯效應,促進浮游植物的生長,進而影響湖泊生態系統功能。然而,對于亞熱帶或熱帶地區淺水湖泊,相關研究還主要集中在氣候變化與營養鹽(N、P等)循環的疊加或交互作用方面,多從上行效應(營養鹽富集)的角度考察氣候變化(如增溫)對富營養化的放大作用。從食物網結構的角度揭示湖泊生態系統對氣候變化的響應及其機理的研究還相對較少。

  食物鏈長度是刻畫食物網結構的一個重要指標。在熱帶或亞熱帶地區,大多數淺水湖泊的食物網可從功能上簡單認為是三個營養級,即浮游植物、浮游動物和食浮游生物魚類。而在生態修復中,通過工程手段調控魚類,食物網能夠在短期內表現為兩個營養級,即浮游動物和浮游植物。在氣候變化的背景下,兩種長度的湖泊食物鏈對增溫的響應及其機理還有待研究。

  在國家自然科學基金重點項目和國家重點研發計劃的資助下,中國科學院南京地理與湖泊研究所劉正文研究員團隊通過受控實驗比較了兩種食物鏈長度(有魚vs無魚)系統中浮游生物生物量和物候對模擬增溫(+3°C)的響應規律。結果顯示:在三營養級(有魚)系統中,增溫促進了魚類生長,其對浮游動物的捕食釋放了浮游植物的牧食壓力;同時增溫促進了沉積物磷釋放,生態系統最終轉為濁水態;與之相反,在二營養級(無魚)系統中,增溫對浮游動物的負面影響較弱,大型浮游動物對浮游植物的牧食使得生態系統一直保持著清水態(圖1)。研究結果表明,食物鏈長度可以調節溫暖地區湖泊生態系統對增溫的響應。因此,在實際的湖泊管理與修復工作中,加強魚類調控可能是抑制氣候變暖對湖泊富營養化影響的有效策略之一(圖2)。

圖1:兩種食物鏈長度條件下增溫對魚類、浮游動物、浮游植物以及水體總磷的影響(正值代表促進,負值代表抑制,絕對值大小代表影響幅度)

圖2:實驗對湖泊管理的啟示(魚類調控能夠減緩氣候變暖對湖泊生態系統的負面效應)

  在種群和群落水平上,增溫同樣影響了浮游生物春季物候,實驗結果表明在二營養級系統中,增溫條件下浮游動物關鍵屬種溞(Daphnia)的孵化時間明顯提前,但由于食物資源的限制,其種群增長率和環境容納量均較低,最終溞的春季高峰到達的時間(4月中旬)和對照組相比并沒有顯著提前,同時由于溞在增溫條件下對浮游植物的強力牧食,浮游植物春季高峰在增溫條件下消失;對于三營養級系統,增溫極大的抑制了溞的種群發展,導致浮游植物呈幾何級數增長,最終形成一個遲到但是暴發幅度顯著增加的春季水華過程(圖3)。研究第一次從多營養級角度探討亞熱帶湖泊浮游生物物候對增溫的響應,強調了食物網結構(食物鏈長度)對生物物候的影響。

圖3:浮游動物關鍵屬-溞(Daphnia)和浮游植物的春季物候對增溫的響應(基于亞熱帶氣候)

  成果分別發表浮游生物領域經典期刊Journal of Plankton Research和環境期刊Water Research,何虎助理研究員為第一兼通訊作者。全文鏈接:

  https://doi.org/10.1093/plankt/fbab078

  https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.07.055

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