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人類世全球湖泊生態系統突變研究進展

  湖泊作為全球生態系統的重要組成部分,包含了地球上近90%的表層液態淡水資源,發揮著重要的經濟、社會以及生態效益。進入人類世以來,在多重脅迫下,全球湖泊生態系統彈性持續下降,引發一系列突出的生態環境問題,成為制約全球和區域可持續發展的重要因素;另一方面,全球范圍內湖泊修復治理進入瓶頸期,大量生態恢復投入但水環境未發生根本性轉變,甚至水生態持續退化。傳統的湖泊生態修復的理念和方法面臨新的挑戰和質疑,退化湖泊生態系統的可恢復性如何,恢復需要多長時間,以及能恢復到何種程度等成為當前科學界亟需回答的難題。

  隨著系統彈性降低,湖泊生態系統會跨過閾值而發生系統突變,具有速度快、難預測、難恢復等特征。例如,頻繁的湖泊藍藻水華暴發是湖泊生態系統退化的外在“癥狀”,但其內在的原因是湖泊生態系統結構和功能發生了根本性轉變。因此,科學理解全球范圍內湖泊生態系統突變的過程、時空模式及驅動機制,對于全面深入理解當前湖泊的健康狀態,評估湖泊生態環境安全,設置合理修復目標等具有重要的科學價值。

  近期,中科院南京地理與湖泊研究所張科研究員團隊在地學領域國際知名期刊Earth-Science Reviews發表題為Abrupt ecological shifts of lakes during the Anthropocene的相關研究成果。該研究基于元分析和網絡分析方法,綜述了全球范圍內72個湖泊的系統突變時間-驅動因子數據(圖1),首次從全球尺度揭示過去兩百年來不同類型湖泊生態系統突變的時空模式,厘清了導致湖泊突變的主要驅動因子和潛在機制,揭示出各驅動因子及多重驅動對全球湖泊突變影響的相對重要性,進一步提出了基于全球湖泊生態系統突變來界定人類世開端的新思路。該研究為準確評估應對未來氣候變暖和人為擾動帶來的生態風險,發展生態系統動態變化的評估和預測模型具有重要意義。

圖1 人類世全球72個突變湖泊空間分布

  研究發現,全球湖泊生態系統在過去兩百年來突變時間不同步,但在二十世紀五十年代后全球湖泊突變頻率明顯增加,超過三分之二的湖泊在1950s之后發生系統突變(圖2)。不同類型湖泊因自身特性、地理位置以及受人類影響程度不同,突變時間也具有一定差異。因此,為便于對比不同湖泊之間突變時間的差異性,研究將72個湖泊分別按照不同水深、不同海拔和緯度梯度以及受人類影響程度分為三大類。

  分析表明,全球范圍內不同深度的湖泊突變時間較為接近(~1960s),而處于不同緯度和海拔的湖泊,突變時間具有明顯差異。如高山、極地湖泊其突變時間是明顯早于溫、熱帶湖泊。另外,在不同人類影響強度作用下,湖泊突變時間也呈現出差異性變化。比如,位于低人類影響強度地區的湖泊,其突變時間要早于那些受人類影響較強地區的湖泊(圖2)。

圖 2 湖泊生態系統突變時間及各類型湖泊突變時間對比

  湖泊突變驅動因子分析表明導致湖泊突變的驅動因素也各不相同,但在五十年代以前,湖泊生態系統突變主要受控于氣候變化,而在五十年代之后,氣候變化和人為的營養和污染輸入成為湖泊突變的主導因素(圖3a)。受人類活動影響較強的溫、熱帶地區湖泊,主要受到營養和污染的影響,而遠離強人類活動擾動位于高海拔、高緯度的湖泊,更易受到氣候變化的影響。此外,驅動共現網絡分析揭示出多重驅動的交互作用更易導致湖泊突變的發生,其中氣候變化最頻繁地與其他驅動因子發生交互作用,從而導致湖泊生態系統突變。

  研究認為,全球變暖和日益加劇的人為擾動已經使得全球湖泊生態系統逐漸偏離安全操作空間。因此,亟需從全球角度形成湖泊管理策略,以此來降低由多重驅動導致的人類世湖泊生態系統突變風險。

圖3 湖泊生態系統突變驅動因子及驅動共現網絡分析

  基于古生態記錄集成研究分析發現(圖4),二十世紀五十年代全球湖泊生態系統突變頻率的加快與地球系統的“大加速”時期相對應。五十年代之后,全球人口的快速增長,以及人類日益增長的物質需求導致全球農業用地的大幅擴張,全球氮磷化肥使用量急劇增加。因此,大量的外源營養和污染輸入導致湖泊水質持續降級,生態系統突變頻繁發生。本研究揭示了過去兩百年來,在全球變暖背景下,前所未有的人為擾動對全球湖泊生態系統產生了重大影響,同時也從全球湖泊生態系統突變的角度為定義人類世提供了重要的參考和證據。

圖4人類世湖泊生態系統突變的長期軌跡和全球驅動變化

  中國科學院南京地理與湖泊研究所張科研究員以及南京大學沈吉教授為論文共同通訊作者,第一作者為張科研究團隊黃世鑫博士,林琪博士及中國科學院青藏高原研究所劉建寶研究員為共同作者。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院人才計劃等項目的聯合資助。

  論文鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.103981

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