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人類活動對長江中下游湖泊生態系統的影響取得進展

  長江中下游湖泊是人類活動干擾較為嚴重的區域,主要包括富營養化、水產養殖和受損湖泊的人工修復等。這些活動究竟如何影響湖泊生態系統,分別影響了哪些生態過程,是認識和管理湖泊亟需回答的難題。

  敏感屬種和α-多樣性變化通常用于評價湖泊生態系統的變化,然而這些指標缺乏對生態系統變化內在過程的解析。面對外在的環境壓力,生物首先通過調整其群落結構適應環境的變化,當無法承受環境壓力時生態系統才會發生轉變。網絡結構和β-多樣性可以反映生物之間的相互作用模式,并可以對群落結構的內在變化規律進行分解分析,因此可以作為生態系統轉變的早期預警信號。

  浮游動物作為初級消費者,在湖泊生態系統中起著“承上啟下”的作用,且其對環境變化十分敏感,能快速對人類活動引起的水質、食物組成和捕食壓力的變化作出響應,因此從浮游動物的群落結構入手有助于認識湖泊生態系統的變化。近期,中科院南京地理與湖泊研究所陳非洲研究員團隊基于長江中下游湖泊調查和五里湖長時間序列監測的浮游動物數據,深入分析了浮游動物群落結構對湖泊富營養化、魚類養殖和水體修復的響應過程。

  對長江中下游湖泊浮游動物的研究顯示,營養鹽和魚類的捕食對浮游動物多樣性和生態網絡有協同影響。α-多樣性主要受營養條件的限制,營養鹽升高抑制了α-多樣性;而β-多樣性同時受營養鹽和濾食性魚類的影響,濾食性魚類對β-多樣性的影響呈單峰模式。浮游動物多樣性的變化主要原因在于群落結構的變化,因為群落結構的調整過程發生在多樣性變化之前,浮游動物網絡偏度與TN正相關與濾食性魚類密度負相關。當濾食性魚類密度高于200kg/ha后,浮游動物網絡結構負偏(圖1)。研究結果顯示下行效應對浮游動物群落的影響強于上行效應,魚類捕食誘導了浮游動物群落的結構調整(圖2),意味著廣布種優勢度增加,進而削弱了空間上的β-多樣性(Limnology and Oceanography)。

圖1 不同魚類密度組別浮游動物的beta多樣性和網絡偏度的變化


圖2 魚、浮游植物、總磷和總氮對偏度、alpha多樣性和beta多樣性的相對解釋率

  那么浮游動物多樣性的變化究竟如何影響生態系統功能呢?在此研究基礎上,進一步調查了40個漁業管理加強后的長江中下游湖泊。結果表明,人類活動導致的土地利用變化與湖泊營養狀態指數緊密相關,隨著營養狀態指數的升高,原核藻類、真核藻類和浮游動物的異質性均下降,這種變化不僅與營養水平升高緊密相關,也與環境異質性下降緊密相關。營養水平升高和環境異質性下降可以通過影響藻類的組成和多樣性間接影響浮游動物多樣性,進而削弱其下行控藻功能(圖3)(Science of the Total Environment)。

圖3 湖泊營養狀態指數和環境異質性對浮游動物多樣性和控藻功能的影響

  浮游動物下行控藻功能的減弱會導致富營養水體藍藻增長不受控制,生態修復是受損生態系統恢復的重要措施,但如何評價富營養湖泊的修復效果需要深入的探索。通過對無錫五里湖19年的跟蹤研究,對修復前后輪蟲的多樣性進行比較,結果表明湖泊修復后輪蟲敏感屬種密度增加、輪蟲群落的季節性β-多樣性加大、年際間的β-多樣性下降,但是物種豐富度沒有增加(圖4)。湖泊修復后盡管營養水平顯著下降,但是修復后氮磷比下降導致藍藻生物量增加,對輪蟲產生了不利影響。研究表明修復后營養鹽比例的控制仍需引起重視。盡管α-多樣性的變化不明顯,但是時間序列的β-多樣性顯示輪蟲群落的穩定性增強了,說明β-多樣性的變化比α-多樣性更為敏感,在今后的研究中應加強對浮游動物群落結構的監測和長時間序列β-多樣性變化的分析,有助于認識湖泊修復的效果(Water Research)。

圖4 五里湖修復前后輪蟲時間序列β-多樣性的變化

  上述研究表明,(1)流域土地利用的改變、外源營養負荷的控制和魚類調控在長江中下游湖泊的管理中有著重要的作用;(2)湖泊修復后內源負荷的影響需要進一步關注;(3)如何對湖泊進行有效的生態評估,需要更廣泛研究并運用新的生態評價方法。該系列研究有望對長江中下游湖泊評估和管理提供科學參考。研究得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院南京地理與湖泊研究所“一三五”專項和青年科學家小組等項目的聯合資助,同時得到了中國科學院太湖湖泊生態系統研究站和東湖湖泊生態系統試驗站的聯合支持。研究成果分別發表在國際知名期刊Limnology and Oceanography、Water Research和Science of the Total Environment上,李蕓助理研究員為第一作者。

  論文鏈接:

  Limnology and Oceanography - “Eutrophication and predation mediate zooplankton diversity and network structure”,https://doi.org/10.1002/lno.11957

  Water Research – “Impacts of nutrient reduction on temporal β-diversity of rotifers: a 19-year limnology case study on Lake Wuli, China”,https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118364

  Science of the Total Environment – “Eutrophication decrease compositional dissimilarity in freshwater plankton communities”,https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153434

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