湖泊沉积物DNA在气候环境变化和生态系统响应研究中的应用

随着气候与生态问题的不断涌现,气候环境变化与生态系统响应研究的重要性日益凸显,而传统方法逐渐难以满足深入研究的需要.现代分子生物技术的快速发展使针对湖泊沉积物的DNA分析逐渐被引入相关研究中,有效弥补了传统研究方法的不足,为研究者提供了理解过去气候和环境变化、生态系统响应的新视角.湖泊沉积物中的DNA蕴藏着丰富的生物群落演变信息,不仅是重建古气候、古环境变化历史的有力工具,更有助于研究生态系统的长期演化过程及内部机制,探讨气候环境变化及人类活动对生态系统的影响.本文分析了保存在湖泊沉积物中DNA的特点,着重介绍湖泊沉积物DNA分析在气候环境变化及生态系统响应研究中的应用,并对该技术目前存在的挑战、可能的解决方案及未来发展潜力进行了总结与展望.     

长江中下游典型湖泊营养盐历史变化模拟

湖泊营养盐变化在自然条件下受到气候水文因素控制,同时受到湖泊生态系统生物群落作用和反馈.作为动力机制探讨,本文试图基于水文和生态动力学方法,分别构建气候-流域水文作用于湖泊营养盐的外源模式和湖泊生物群落作用于湖泊营养盐的內源模式.针对长江中下游典型湖泊,经过控制实验和率定,发现营养盐模拟与观测数据在时间序列上达到90%百分位的正相关,因此用来模拟1640 1840 A.D.期间的营养盐演变历史.研究表明:(1)模拟的湖泊营养盐变化与沉积钻孔揭示的历史营养盐变化基本一致,沉积记录与模式模拟的7个湖泊的营养盐变化均显著相关;(2)气候因素是湖泊营养盐历史演变的主控因子,来自于湖泊生物群落的反馈作用贡献约占40%;(3)在温度和降水因子的驱动下,湖泊营养盐历史变化主要受降水控制,在极端干旱时期,60%的营养盐变化同步响应于降水变化.同时,面积在400 km2以下的湖泊营养盐对气候变化的响应比2000 km2以上的大湖更为敏感.研究结果对长江中下游湖泊营养状态的长期变化机理认识和趋势控制提供科学依据.     

抚仙湖沉积物多指标记录的过去5000年湖泊环境变化

我国西南地区湖泊众多,利用湖泊沉积物已开展了大量全新世植被、降水、温度和水位等的重建工作.然而,代用指标的季节性差异和气候演变的区域差异使得不同代用指标和地区重建的古气候结果存在较大差异,需要更多可靠记录来相互佐证和构建我国西南地区气候变化的详细图景.本文以云南抚仙湖FXH-6钻孔沉积物为研究对象,对正构烷烃和色度指标作了分析,在厘清其来源及环境指示意义的基础上,重建过去近5000年抚仙湖有机质的来源和湖泊水位的变化,探讨了湖泊环境变化与区域气候变化的关系.结果表明,抚仙湖沉积物中正构烷烃n-C₂₃和n-C₃₁可有效指示内源沉水植物和外源陆生植物.近5000年抚仙湖湖泊环境经历了3个阶段:在5000—2300 cal a BP阶段,沉水植物广泛分布,湖泊水位处于高位;在2300—2000 cal a BP阶段,抚仙湖沉积环境快速变化,内源沉水植物生物量锐减,水位快速下降;2000 cal a BP至今,沉水植物生物量持续减少,湖泊水位保持低水位;同时,人类活动也影响了该阶段(2000 cal a BP至今)陆源植物的输入.本研究重建的抚仙湖持续降低的水位变化和湖泊生产力趋势与过去5000年西南地区的年平均温逐渐降低、年平均降水量逐渐减小的总体趋势相对应,表明区域气候变化是湖泊沉积环境变化的主要驱动力.     

云南错恰湖两百年来气候环境变化与重金属污染

高海拔地区由于特殊的自然环境对气候变化和营养输入的响应十分敏感.在人类活动逐渐加强的背景下,高山湖泊高分辨率的沉积物记录了人与自然相互作用的演变过程.选取云南西北部典型高山湖泊——错恰湖,获取长度37 cm的连续湖泊沉积序列,基于铅铯测年法得到年代深度模型,并对湖芯样品进行总有机碳、总氮及正构烷烃的多指标测定和元素测量,结合气象监测数据探讨分析错恰湖的有机质来源和流域环境演化特征.根据气候代用指标的变化,两百年来错恰湖泊环境及区域气候演化可以分成4个主要阶段：1807-1900年：湖泊水位上升、湖面扩大,有机质丰度下降,有机质以外源贡献为主,内源比例上升;1900-1950年：湖泊水位开始下降、湖面收缩,有机质丰度下降,外源有机质来源增加;1950-1982年：湖泊水位下降、湖面进一步收缩,有机质丰度下降,外源输入比例继续增加;1982-2007年：湖泊水位下降、湖面收缩,有机质含量上升且以陆源输入为主,同时内源贡献比例开始增加.在元素测定结果中,人类活动对应了湖泊沉积重金属含量变化的3个阶段：1950年以前,重金属含量低且稳定,可视作自然背景阶段,人类影响忽略不计;1950年以后,湖泊流域工农业逐渐发展,人为干扰凸显;直到1982年以后,冶炼工业的进步加强了重金属的污染态势,并通过大气传输沉降被湖泊沉积物记录.错恰湖沉积记录的分析讨论在总结该区域气候环境演化历史的同时,加深了对气候人类活动湖泊生态系统相互作用过程的理解,为高山湖泊响应人类活动影响提供了证据.     

古生态记录揭示的长江中下游太白湖生态系统稳态转换过程

长江中下游浅水湖泊在过去百年内受到强烈的人类活动影响,生态系统状态发生显著的变化,服务功能逐渐丧失.为了更科学有效地管理浅水湖泊,当前迫切需要了解湖泊的生态系统转变过程.以长江中下游典型富营养化浅水湖泊太白湖为例,结合历史资料和监测数据,基于铅铯同位素重建年代序列,利用粒度、地化指标和沉积物中硅藻群落的时间序列数据,对太白湖过去百年间生态系统转变进行分析.基于T检验的STARS法检测硅藻群落的结果显示,有2个稳态转换分别发生在1950s末和1990s末.1950s末太白湖硅藻群落代表的生态系统状态发生了显著突变,这主要归因于由于建闸筑坝造成的水文条件和营养条件的改变;1990s期间的湖泊生态系统整体转变则是由长期营养输入和渔业活动加强导致的生态系统弹性损失引起的.讨论了不同阶段太白湖生态系统主要要素间反馈机制在水文条件改变和营养富集影响下的变化,加深了对人类活动干扰下太白湖生态系统结构变化过程的理解,为建立浅水湖泊系统动力学模型提供基础.     

中国湖泊古生态研究进展

湖泊古生态学是古湖沼学的一个主要分支学科,主要通过沉积记录中的各种生物化石指标分析,重建不同时空尺度的湖泊生态系统演化过程,回答生态学、全球变化和环境管理应用方面的议题.本文回顾了国内外湖泊古生态研究的发展历程,在介绍湖泊古生态系列指标和研究基本原理基础上,着重评述了过去20 a来我国湖泊古生态研究取得的主要进展和成果,包括:(1)建立了基于多种生物和生物标记化合物指标进行古气候环境要素(温度、盐度、水体总磷等)定量重建的系列转换函数模型;(2)重点揭示了不同地质历史时期和近百年来湖泊生态环境演变的规律,及其对自然和人为驱动的响应特征与机理;(3)利用古生态记录诊断了湖泊生态系统突变模式与早期信号特征,定量揭示了湖泊生物群落演替与生态系统弹性损失的关系.上述成果为湖泊环境管理和治理提供了重要依据.本文最后对我国湖泊古生态研究进行了展望,提出了今后研究的重点方向.     

云南云龙天池枝角类群落演替对1950s以来人类活动影响信号的识别

从1950s开始, 云南地区部分湖泊受到了水文调控(如筑坝)和鱼类引入等流域开发活动的直接影响, 湖泊水环境与生态系统结构已出现明显改变. 开展浮游动物群落的长期生态响应评价有助于认识气候波动和人为胁迫的影响模式. 本文选取云龙天池进行了沉积物记录分析, 在重建过去100年环境变化历史的基础上开展了枝角类群落的多指标分析(物种组成、个体大小、生物量等), 进一步结合多变量分析识别了枝角类群落构建的关键驱动因子. 结果显示, 云龙天池在过去100年间经历了明显的水位波动, 约1962年以前水位较低, 1950s起的水文调控(筑坝)导致湖泊水位波动上升, 2006年以来略有下降. 枝角类群落随水位波动呈现由底栖种向浮游种占优转变的模式, 并在2006年以来底栖种略有增加. 总体上, 低水位时期底栖枝角类占优, 高水位时期浮游枝角类占优. 水体营养水平也对枝角类群落产生了较为显著的影响. 在沉积物总氮和有机质通量上升时, 长额象鼻溞(Bosmina longirostris)相对丰度和枝角类浓度都明显上升. 枝角类象鼻溞个体大小表明, 1969年鱼类引入后象鼻溞的壳长、壳刺长度、触角长度显著减小, 反映了鱼类捕食压力上升的影响. 本研究进一步揭示了水文调控和鱼类引入对湖泊环境和生物群落结构的驱动影响. 其中, 1960s以前云龙天池处于自然波动的状态, 湖泊环境和枝角类群落变化主要受气候(如降水、气温)的影响; 1960s以来人类活动的影响强度已经掩盖了气候变化的信号, 成为影响湖泊生态演化轨迹的主要因素. 为了开展有效的湖泊保护与生态治理, 有必要综合评估水文调控、鱼类引入等人类活动对湖泊生态健康的长期影响.     

过去40年太湖剧烈的湖泊物理环境变化及其潜在生态环境意义

过去40年,全球气候变暖、辐射变暗和变亮、风速减弱、气候异常波动等自然环境变化以及筑坝建闸、岸堤硬质化和调水引流等强烈人类活动势必会深刻改变太湖湖泊物理环境和过程,驱动湖泊生态系统演化.基于历史文献、档案数据以及气象水文和透明度等长期观测数据,本文系统梳理了太湖气温、水温、风速、水位和透明度等物理环境空间分布和长期变化特征,探讨了气温和风速、水位和透明度相互协同作用机制及其潜在生态环境意义.受全球变化和城市化等影响,过去40年太湖气温和水温呈现显著升高趋势,而近地面风速则表现为持续下降,湖泊增温和风速下降有利于藻类生长和蓝藻水华漂浮聚集,某种程度上增加了蓝藻水华出现频次和集聚的面积.为防洪和满足流域日益增长的水资源需求,闸坝管控和调水引流使太湖水位呈现缓慢增加趋势,而入湖污染物增加和富营养化则造成水体透明度逐渐下降,致使透明度与水位(水深)的比值明显降低,减少了湖底可利用光强,恶化水下光环境,在一定程度上驱动了太湖水生植被和草型生态系统退化.湖泊物理环境长期变化逐渐拓展了太湖藻型生境空间而压缩了草型生境空间,加剧了草型生态系统向藻型生态系统转化和增强了藻型生态系统的自我长期维持.太湖湖泊物理环境的显著变化也会部分抵消流域营养盐削减和湖体营养盐下降对藻类生物量和蓝藻水华的控制,增加了太湖蓝藻水华防控和湖泊富营养化治理的难度.这意味着未来流域控源截污需要更加严格的标准,而湖泊水位等物理环境的有效管控是应对藻华加剧和恢复草型生态系统的适应性管理策略.     

青藏高原湖泊表层沉积物GDGTs分布特征及其影响因素

过去温度变化的定量记录对于深入探讨气候变化机制非常重要,不仅有助于检验并改善气候模式模拟的准确性,也可以为全球变化背景下的气候变化幅度提供参考.青藏高原由于其特殊的地理位置影响着大气环流格局,研究青藏高原气候变化有助于理解高原对全球气候变化的响应及其与全球气候系统之间的关系.生物标志化合物代用指标在气候变化研究中的应用为定量重建高原过去温度变化提供了可能.湖泊沉积物中甘油二烷基甘油四醚类化合物(GDGTs)来源相对复杂,其分布特征受多种气候与环境因素影响.本文对青藏高原27个湖泊表层沉积物及部分湖泊流域表土样品GDGTs进行分析,探讨湖泊表层沉积物中GDGTs分布特征的影响因素,并建立其与气候要素的定量关系.结果显示:(1)绝大多数湖泊表层沉积物GDGTs以b GDGTs为主,crenarchaeol和GDGT-0含量较低;(2)高原多数湖泊表层沉积物与表土GDGTs分布没有显著差异,表明i GDGTs可能同时来源于湖泊环境和陆源输入;(3)湖泊表层沉积物i GDGTs分布主要受湖水水化学要素(p H和盐度)及近地表大气年均温的影响,对于青藏高原小型湖泊,TEX86可能反映湖水p H的变化;(4)湖泊表层沉积物b GDGTs分布主要受气候要素(温度和降水)控制;(5)利用已发表的转换方程重建高原同一地区温度差异明显,因此利用GDGTs定量重建青藏高原过去气候前必须开展GDGTs的现代过程调查.本研究基于湖泊表层沉积物b GDGTs分布,分别利用代用指标(MBT,CBT)及不同b GDGTs化合物组分丰度(fabun)与湖泊所在地的年均气温(MAAT)建立了适用于青藏高原湖泊古气候研究的转换方程,为高原古气候定量重建提供研究基础.     

东北松嫩平原区湖泊对气候变化响应的初步研究

以气候变暖为主要特点的气候变化已成为当前研究的焦点,气候变化和不同类型的生态系统之间的相互作用更是受到广泛关注.东北地区作为我国气候变化的一个敏感区,观测记录和多种模式预估显示该区气候变暖显著并将进一步增强,降水变化趋势则不明显或略有增加.东北松嫩平原湖泊群是我国湖泊密度最大的湖区之一,但近几十年来,该区湖泊生态环境不断恶化,其中气候因素最为受人关注.本文从以下几个角度综述了松嫩平原湖泊群对气候变化的响应:(1)湖泊面积和湖泊水位;(2)湖泊水质;(3)湖泊生态多样性.在此基础上,探讨了该区未来气候变化对湖泊的可能影响以及湖泊的演变趋势,也阐述了在这种自然背景下的人类活动对湖泊环境演变的影响.     

中国湖泊水域中磷形态转化及其潜在生态效应研究动态

通过对黑河下游天鹅湖-2孔湖泊沉积柱状岩芯的多环境指标的分析,同时参照相关的历史文献记录,提取了其中包含的气候变化和人类活动信息．根据天鹅湖-2孔湖泊沉积记录,将天鹅湖在近200年的湖泊演化分为七个阶段,影响湖泊演化各个阶段的主导因素各不相同,包括气候变化与人类活动,正是这两者的共同作用导致了天鹅湖及其周围地区的环境变化．湖泊沉积记录的环境演化主要受气候冷暖干湿变化的控制,而人类活动在特定时段对湖泊环境演变产生明显影响．     

青藏高原东南部巴松措现代沉积过程及其对气候变化的响应

湖泊沉积物是记录气候演化信息的重要载体之一,在探讨过去气候变化过程研究中发挥重要作用.然而,沉积物中的许多代用指标对气候的指示意义存在多解性,不同指标所反映的环境信息相互之间有时会存在矛盾.为了能够更准确地解读湖泊沉积物中指标所记录的环境变化信息,开展现代湖泊沉积物指标与环境之间的关系研究,深入探讨各指标对环境变化的响应机制尤为关键.本文选取青藏高原东南部巴松措湖泊表层沉积物作为研究对象,利用²¹⁰Pb与¹³⁷Cs比活度检测结果建立年代序列,对沉积物中粒度、磁化率、有机质含量等指标进行分析,揭示巴松措现代沉积过程.结合沉积物粒度端元组分分析结果,并将不同指标变化与林芝气象站所记录的数据资料进行对比,得出以下主要结论：该地区沉积物来源主要包括径流搬运的冰川碎屑物质和来自青藏高原南部、西南部上空悬浮于大气中的风成物质两部分;其中,通过风力搬运的物质输入主要集中在冬半年,受季节性风向及风速变化影响明显;径流受到冰雪融水与夏季降水的补给,因此通过径流搬运的物质输入量受到温度与降水综合影响;湖泊中磁性矿物碎屑的产生和输入主要受区域降水量影响的流域侵蚀速率变化控制,该湖泊沉积物磁化率波动可以有效的指示该地区降水量变化;沉积物中总有机碳含量和总氮含量变化主要反映湖泊自身初级生产力的变化,对区域温度变化的响应显著.     

滇西北地区高山湖泊沃迪错近两百年来环境变化及枝角类群落响应

区域增温和大气氮沉降作用已成为高山湖泊面临的重要环境胁迫,已有高山湖泊生物群落响应的长期模式研究主要集中于藻类而缺乏更高营养级生物(如浮游动物)的系统调查。本研究选择滇西北地区深水型的高山湖泊沃迪错开展沉积物调查,通过多指标分析(总氮、总磷、叶绿素a、氮稳定同位素等)并结合区域气候重建记录,识别近两百年来该湖泊及流域环境的变化历史,进一步利用枝角类群落指标(物种组成、生物量等)定量评价了湖泊生物群落的响应模式与驱动因子。结果表明,湖泊营养水平(如总氮浓度)和初级生产力(叶绿素a浓度等)在过去近两百年总体呈上升趋势。相关分析显示,大气氮沉降和流域外源输入是影响总氮上升的主要因素,同时区域增温和营养盐富集促进了湖泊初级生产力的不断上升。自1960s以来区域升温明显,湖泊营养水平和叶绿素a浓度呈现加速上升的趋势。钻孔中枝角类群落以浮游属种(Daphnia longispina等)为优势种,在1900AD以前D.longispina相对丰度较为稳定(40.83%±8.02%),之后出现下降趋势且在1948—1965年间明显下降,之后再次明显上升并成为主要优势种。排序分析显示,气温、叶绿素a和总...     

枝角类亚化石揭示的湖北太白湖过去百余年环境演变

近百年来长江中下游地区的浅水湖泊经历了气候变化及日益增强的人类扰动,造成了普遍的湖泊富营养化、水动力条件和水生生态系统的状态转变,水体的生态服务功能明显退化.枝角类作为一种重要的水生生物,敏感地响应于湖泊及其流域的环境变化,但目前对亚热带湖泊中的枝角类亚化石的环境指示意义,与其它古生态指标如硅藻、摇蚊等对环境变化的响应差异尚未明确.因此,本文以浅水湖泊太白湖为研究对象,结合流域历史资料和监测数据,基于沉积岩芯中枝角类群落过去百年来的期演化序列,重建了近百年来太白湖的历史环境演变过程及机制.对比硅藻及摇蚊的群落演化特征,探讨了多门类古生态指标对环境变化的响应差异.本文重点讨论了枝角类对湖泊鱼类产量指示意义及利用枝角类亚化石来重建历史环境的应用前景及不足.     

Impacts of land-use and climate changes on ecosystem productivity and carbon cycle in the cropping-grazing transitional zone in China

Terrestrial ecosystems are both a carbon source and sink, therefore play an important role in the global carbon cycle that act as a link of interactions between human activities and climate changes[1,2]. Climate change impacts ecosystem carbon cycle through af- fecting biological processes, e.g. plant photosynthesis, respiration, and soil carbon decomposition. Land-use change directly modifies the distribution and structure of terrestrial ecosystems and hence the carbon storage and fluxes. Usi…     

基于CiteSpace和知网数据库的《湖泊科学》创刊30年(1989-2018年)发表论文的文献计量学分析

湖泊科学是研究湖泊及其流域在人与自然相互作用下对生态系统、环境间的关系的一门交叉学科.为了探究湖泊科学研究的发展与研究前沿,通过对《湖泊科学》创刊30年（1989-2018年）来发表的全部2555篇论文的统计,分析了年发文量与影响因子年际变化趋势,并运用CiteSpace V软件绘制了可视化知识图谱.结果表明：30年来《湖泊科学》年发文量、被引频次及影响因子整体呈稳步增加的趋势,期刊拥有较为稳定与广泛的学术影响力.相关研究范围主要涉及全球气候变化、湖泊生态系统及群落结构、湖泊富营养化等方面,研究区域则多为湖泊分布较广、生态系统较脆弱且环境问题较为突出地区.文献关键词的分析得出了研究热点与趋势的三个阶段.CiteSpace对作者所在机构的分析表明,近10年来,高校已经超过研究所成为期刊作者主体.关键词词频分析表明,"太湖"、"沉积物"、"富营养化"一直是刊发内容的热点,而近10年来,浮游植物及群落结构、三峡水库逐渐成为热点.随着湖泊研究与遥感技术、统计与模拟、环境化学等进一步交叉,湖泊科学研究向着深入化、精细化方向发展.目前,湖泊科学研究已形成了湖泊水文与生态系统、湖泊生态恢复与环境评价、沉积环境与全球变化等较为稳定的研究团队,高校与科研院所成为湖泊研究主体,具有显著的区域性和集聚效应.期刊论文读者下载量统计分析表明,《湖泊科学》官网（www.jlakes.org）已经成为读者阅读和下载论文的主要渠道.根据知网数据库的统计分析,30年来,刊发论文均获得了不同数量的读者引用,单篇最高被引636次,篇均被引24次.期刊高被引论文分析说明,湖泊作为生态环境保护的重要载体,加强湖泊污染问题的预防、湖泊富营养化预测及其生态修复技术等业已成为相关研究的热点与趋势所在.同时,随着全国湖泊流域数据平台的建设与大数据融合,湖泊流域物质交换、人文影响定量评估、健康与管理、湖泊湿地生态系统保护等方面的研究将进一步加快,而湖泊研究成果在区域的应用,将为改善水环境质量,确保区域生态环境安全,为湖泊生态保护及环境改善提供有力支撑.