湖泊与湿地生态系统对全球变化的响应及生态恢复对策研究

项目名称：湖泊与湿地生态系统对全球变化的响应及生态恢复对策研究首席科学家：沈吉中国科学院南京地理与湖泊研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、关键科学问题我国湖泊与湿地生态系统的演化具有明显的区域特色。针对不同区域湖泊与湿地水资源、生态资源严重退化等问题、以及应对气候变化的生态保护和恢复决策需求，本项目拟重点研究过去2000年来我国不同区域湖泊与湿地生态系统演化的历史和对气候变化与人类活动干扰的响应和适应机制，进而提出适合不同区域的生态系统保护和恢复理论与对策。主攻的关键科学问题是：（1）表征不同区域湖泊与湿地生态系统特征的指标系列我国不同区域气候和自然环境差异明显，这就决定了湖泊与湿地生态系统结构功能及其演化具有明显的区域特色。因此，开展生态系统演化对全球变化响应的研究，首先必须了解各个区域湖泊与湿地的现生生物种类组成、群落结构及其与环境因子的关系；分析沉积物中生物遗存的组成，选择并建立能有效指示不同区域湖泊与湿地生态系统特征的指标体系，这是开展项目研究的关键。此外，依据现代湖泊与湿地的观测、分析和遥感解译数据，确定气候与生物、主要环境要素之间的函数关系，为定量序列的建立、模拟和综合集成研究提供支撑。（2）不同区域湖泊与湿地生态系统对气候变化响应的规律与模式，生态系统突变或灾变的阈值与早期信号湖泊与湿地生态系统对胁迫或干扰的响应可能呈现三种基本模式：1）近似线性的渐变模式；2）在某一临界值发生剧变的灾变模式；3）多稳态的灾变模式。我国湖泊与湿地生态系统类型多，在不同的气候带和不同人类活动强度下演变的模式和机理不同，诊断湖泊与湿地生态系统对气候变化响应的模式及机制，分析系统的敏感性、弹性或恢复力、突变（灾变）的阈值及其早期信号，这些是预测未来发展趋势和分析系统脆弱性、制定生态保护与恢复对策的科学依据。（3）气候变化和人类活动对湖泊与湿地生态系统演化影响的定量识别区分人与自然对生态系统的影响迄今仍是许多国际计划和学术界需要解决的瓶颈问题。开展该关键科学问题研究的意义在于揭示并分辨气候对关键环境过程（水文、营养循环）、生态系统与生物多样性的影响作用，并将这些影响设计到减缓和适应未来气候变化的策略中，以减少预测结果的不确定性。未来的湖泊与湿地生态系统状况并不会简单地响应于气候变化，还必须考虑人类活动的影响和不同驱动因子之间的相互作用。在这种情况下，必须了解不同时间尺度上生态系统综合响应气候变化与人类活动的行为方式和特点，并用定量化指标加以表达，通过模拟手段加以区分。2、主要研究内容（1）不同区域湖泊与湿地生态系统特征及关键控制因子根据我国湖泊与湿地分布和气候变化影响的特征，分区调查不同环境梯度湖泊与湿地生态系统结构，确定影响生态系统的功能群、关键生态和环境因子、及其在表层沉积物中的记录，依此建立表征我国不同区域典型湖泊与湿地生态系统结构的指标体系；结合环境梯度分析与定点观测和遥感数据，明确生态系统特征（生物种类组成、群落结构、生物多样性等）与关键环境因子（水文、盐度、营养盐等）和气候要素（气温、降水）的关系，为定量重建气候要素、环境因子的变化过程奠定基础。（2）典型湖泊与湿地生态系统的历史演化过程分析我国不同区域典型湖泊与湿地的沉积记录，建立以年代为标尺的高分辨率理化与生物/生物标志物指标序列，定量提取气候要素（温度和降水）、湖泊水文（水位和盐度）、水质（营养盐）变化信息，重建过去2000年来典型湖泊与湿地生态系统和生物多样性演化历史，剖析生态系统演化的行为特征，包括生态系统灾变的早期信号和阈值，揭示不同区域生态系统演化的差异，同时开展气候变化对湖泊与湿地碳埋藏通量影响的研究。（3）气候变化和人类活动对湖泊与湿地生态系统演化的驱动机制在建立我国不同区域典型湖泊与湿地生态系统的环境因子及生物指标序列的基础上，应用统计模型和数值模拟方法阐明生态系统结构、生物多样性演变与环境因子的关系；通过比较不同人类活动强度和不同气候影响的湖泊与湿地生态系统演化特征，结合不同区域的气候参数、人类活动信息、以及历史文献记载，定量区分人类活动和气候变化对湖泊与湿地生态系统演化影响的贡献，揭示不同区域和不同类型湖泊与湿地生态系统演化的自然和人为驱动机制。（4）不同区域应对气候变化的湖泊与湿地生态系统恢复对策在确定我国不同区域湖泊与湿地生态系统演化特征及其与人类活动、气候变化关系的基础上，建立包括气候、水量、水质、生物等的生态系统演化综合模型，通过模型参数选定和不同情景设置，对未来气候条件下湖泊与湿地生态系统的演变趋势进行模拟预测，揭示不同区域的生态演变模式及其差异特征；结合不同区域人类活动的特征与强度，提出应对气候变化的生态系统恢复和保护对策，包括建立生态恢复的参考目标、降低人类活动与气候变化的综合影响、提高生态系统恢复力，提出应对生态灾变的对策（如流域土地利用、湖泊与湿地水资源配置、污染负荷管理、资源合理开发和生态系统结构调控等）。上述研究内容中，第1项内容主攻表征不同区域湖泊与湿地生态系统特征的有效指标体系，并建立气候要素/环境因子/生物种类之间的函数关系，为第2项研究内容中沉积物指标分析奠定基础，也为定量重建气候、环境要素序列提供方法；第2项内容主攻各个区域湖泊与湿地生态系统演化历史，并定量重建气候要素、环境因子的变化过程，回答生态系统演化的行为特征，为第3、第4项内容的开展提供数据、模拟参数和边界条件；第3项内容主攻不同区域生态系统演变的动力机制，区分人与自然对生态系统变化的贡献，为模拟预测提供依据；第4项内容主攻生态系统演变的未来情景预测，并提出适应与减缓气候变化影响的策略，是整个项目的出口。二、预期目标总体目标在科学贡献方面，本项目将完善湖泊与湿地生态系统长期演化的理论与方法，发展气候变化和人类活动影响下生态系统区域演化模式，引领我国湖沼科学的发展，拓展生态学研究领域；进一步提升古湖沼学在过去全球变化研究中的地位和作用，促进古湖沼学与湖沼学、水文学、生态学、环境科学等相关学科的交叉与融合，为全球变化研究和地球表层系统科学的发展作出贡献。在国家需求方面，针对我国不同区域、不同类型湖泊与湿地生态系统退化引发的生态环境问题，评估气候变暖背景下湖泊与湿地生态系统的环境效应及未来趋势，提出生态系统保护与恢复对策，加强我国应对全球变化的能力。具体目标1、理论方面的预期进展（1）项目预期在国际学术界广泛关注的湖泊与湿地生态系统演化对全球变化响应机制方面取得突破性进展，在生态系统突变或灾变阈值、早期信号和发生机理、湖泊与湿地生态系统响应气候变化的区域差异、以及气候变暖对生态系统结构变化的影响等方面提出新见解，发展湖泊与湿地生态系统演化的区域模式。项目还通过浅水湖泊与湿地碳埋藏通量的研究，对陆地碳埋藏的过程与机制提出新的认识。（2）项目将从生态系统长期演化的视角，模拟不同增温条件下湖泊与湿地生态系统响应的情景，提出不同区域湖泊与湿地生态系统恢复和保护策略，以及生态系统恢复的参考标准。（3）以现代湖泊与湿地过程监测和表层沉积记录分析比较为主要手段，以生态系统特征指标为纽带，促进古湖沼学、湖沼学和生态学的有机衔接，发展湖泊与湿地生态系统研究的理论体系，丰富全球变化研究的内涵。2.方法方面的预期进展（1）在生态系统演化研究上，将通过现代湖泊与湿地水体生物和表层沉积物中生物遗存调查对比与分析，建立表征不同区域湖泊与湿地生态系统特征的有效指标体系。（2）通过不同区域湖泊与湿地环境-生物数据库的建立与应用，获得气候要素、环境要素（水文、盐度、营养水平等）和生物种类之间的多种函数关系，重建不同地区湖泊与湿地生态系统变化的定量序列。（3）采用统计学方法和生态模型，发展包括气候、水量、水质和生物等的生态系统演化综合模拟方法，进行生态系统演化的模拟和预测。3、人才培养和基地建设项目将培养一批具有综合创新能力、能够引领学科发展和具备国际竞争能力的学术带头人和中青年骨干人才；建设一支稳定的、能够立足于国际科学前沿的、研究湖泊与湿地生态系统演化的学术团队。建设以国家/部门重点实验室、野外台站为依托的生态系统长期演化研究基地和实地观测、实验模拟平台。预期培养杰出青年基金获得者或百人计划人才2-3名，培养博士生15-20人、硕士生15-20人以上。项目将在国内外主流学术刊物上发表学术论文120篇左右，其中SCI论文60-80篇，出版专著1-2部。提交不同区域湖泊与湿地生态系统研究的有关生态、水环境、沉积记录、定量重建和模拟结果等数据集。提交不同区域湖泊与湿地生态系统保护和恢复对策研究报告，以及国家咨询报告2-3份。三、研究方案1、总体研究思路围绕科学和国家目标，项目的研究思路是：调查监测不同区域现代湖泊与湿地生态系统结构，建立表征生态系统特征的关键生物类群及其与气候、环境因子之间的函数关系；通过沉积物中生物遗存、间接指示生物种类的有机地化指标、生物标记物等多指标分析，重建过去2000年来不同区域湖泊与湿地生态系统演变的过程，包括气候、水文、营养水平、生物组成及生物多样性变化等。揭示我国不同区域典型湖泊与湿地不同生态系统演化的规律与模式，确定其变率与变幅、弹性与恢复力、灾变的阈值与早期信号等生态系统演化特征；利用统计分析和数值模拟等多种手段，阐明气候变化、人类活动对湖泊与湿地生态系统演化的影响与驱动机制；最后，运用气候-人类活动-生态系统综合模型定量区分人类活动的影响，并预测不同增温条件下生态系统演化的情景，提出我国不同区域湖泊与湿地生态系统恢复及保护的对策和相应的生态恢复参考目标。项目总体研究思路框图2、研究区域选择我国湖泊与湿地分布广泛，生态类型多样。在不同的气候环境梯度背景下，我国不同区域湖泊与湿地生态系统响应全球变化的特点、胁迫因子的差异、响应规律及模式、参考生态标准，是当前制定生态建设与恢复策略亟待解决的问题。青藏高原气候寒冷，受人类活动影响弱，分布着世界上海拔最高的湖泊，近年来该区增温明显，冰雪融水增加，湖泊扩张；非冰融水补给为主的湖泊持续萎缩。不同补给类型湖泊生态系统演化对气候变暖的响应差异研究极具区域代表性，有助于深入理解全球变化、冰川进退、流域与湖泊生态系统相互作用的关系，并在高海拔寒冷地区湖泊生态系统响应增温的机理方面提出新的认识。分布于西北干旱区的不同类型湖泊（山地湖泊、绿洲湖泊、荒漠湖泊），对气候变化及其引起的水量平衡的响应程度不同，人类活动对这三类湖泊的干扰强度也不同。深入理解这些类型湖泊的水文-生态系统对气候变化和人类活动的响应过程与机制，可为干旱区湖泊生态恢复和区域生态建设决策提供重要的科学依据。云贵高原地处西南季风湿润区，本区地形高差大，植被带的空间分布高度浓缩，是我国生物多样性最丰富的地区。由于新构造运动强烈，该地区的湖泊分布以高山湖泊和断陷谷地深水湖泊为特征，具有半封闭的特点，形成了以土著种为特色的生态系统。在气候和人类活动影响下，一些湖泊生态系统急剧退化，而另一些湖泊至今仍保持着基本自然的生态状态。揭示不同海拔深水湖泊生态系统和生物多样性演化对气候变化的响应规律和机制，可为不同深水湖泊生态环境的保护和管理提供相应对策，并为验证深水湖泊生态演化理论提供重要实证。长江中下游和东北平原是我国淡水、浅水湖沼湿地主要分布区。在强烈人类活动干扰下，出现水质恶化、生物多样性急剧下降、生态系统服务功能退化等严重生态环境问题。目前，东部平原地区大部分浅水湖泊藻类异常增殖并已形成灾害，部分重污染的湖泊可能已经超过生态系统自然演化的阈值。东北平原是我国湿地集中分布区之一，大规模的垦殖已使湿地面积丧失近2/3，在气候变化和人类活动的共同作用下，水土流失严重，盐碱化规模不断扩大，湿地生态系统和生物多样性严重退化。重建该区浅水湖泊和沼泽湿地生态系统的长期演化过程，区分人类活动的影响份额，可为受损生态系统的恢复提供对策。综上所述，以上四个地区分布了我国主要的湖泊和湿地，并且这些地区气候差异显著，是我国湖泊与湿地生态系统响应于全球变化的代表区域。由此，项目选择上述四个地区的典型湖泊和湿地开展研究。3、研究方案和技术路线（