高山湖泊枝角类对近两百年环境变化响应研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yucunjiang
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近两百年来,气候变暖和人类活动引起的污染物排放正在改变着全球生态系统,即使是边远地区(极地、亚极地和高海拔地区)也正在经历着比以往更加强烈的环境压力。高山地区湖泊通常较少地受到人类活动的直接影响,这些湖泊中物种稀少、食物网结构简单、生产力低下,且对气候和营养变化敏感,能提供较高分辨率的沉积记录,成为研究全球环境变化的理想平台。  川西高原位于我国青藏高原东南缘,山地地形发育,高海拔地带分布着大量的小型淡水湖泊。不断增加的大气活性氮(Nr)沉降和持续的气候变暖引起该地区湖泊生长期延长,流域植被发育,营养物质增多,初级生产力上升,湖泊生态结构也随之发生改变。作为湖泊食物链中的重要一环,浮游动物枝角类对环境变化非常敏感,其化石组合和绝对丰度变化能很好地反映湖泊生态演化历史。但目前为止,还没有关于该地区高山湖泊枝角类对气候变暖和大气沉降响应的研究。为了获得一个关于高山湖泊枝角类是否具有与硅藻、色素类似的响应气候和营养变化的清晰认识,本研究选择了川西高原两个位于树线以上的小型湖泊,以枝角类为代用指标,通过现代过程监测了解高山湖泊枝角类的生态特征,通过钻孔分析建立了枝角类演化序列,并与硅藻、藻类色素、同位素和元素地球化学等多指标对比分析。同时,结合大气氮沉降数据和重建的区域气候数据,探讨大气氮沉降和气候对高山湖泊枝角类组合和生物量的影响,进而揭示了高山湖泊生态演化过程和机制。本论文主要研究结果如下:  月亮湖枝角类群落主要由盘肠溞科组成,浮游种含量较低。这些枝角类大多数为耐寒种,在高寒地区水体中比较常见。全湖表层沉积物样品中浮游种Daphnia sp.的含量随着水深增加而增加,而沿岸种枝角类没有明显的空间分布规律。沿岸带与深水区的生境和食物差异是影响枝角类空间分布的主要因素,湖盆结构和枝角类残体迁移过程都可能会影响到深水区枝角类分布。月亮湖捕获器监测结果显示了枝角类的季节变化和空间分布。不同水层的捕获器中的枝角类揭示了一些常见种的生态属性,Chydorus sphaericus是湖泊中的常见种,在深水区和沿岸带均比较常见,Acroperus harpae也是一个常见种,但主要分布在沿岸带;浮游枝角类(Daphnia)主要分布在敞水区,其生长期较短,限于仲夏至晚秋。  两个湖泊沉积钻孔中枝角类种类均比较少。月亮湖枝角类组合中除了优势种盘肠溞外,还有少量的溞科和象鼻溞科;而吉人湖钻孔中枝角类以沿岸种为绝对优势种,浮游枝角类比例非常低。吉人湖较低的浮游枝角类既可能与该湖相对比较平坦的湖盆结构有关,也可能与受冰川融水补给有关。冰融水补给不仅导致湖水长期处于低温状态,限制了藻类的生长,由此可能限制了吉人湖浮游枝角类的生长。冰融水和流域矿物质输入的增多还可能引起了水体pH值上升,从而导致喜酸性枝角类Alona rustica和Alona guttata相对丰度出现明显下降。另外,月亮湖浮游枝角类Bosmina在1900年代以后被耐受紫外辐射的Daphnia取代可能与不断增强的水体紫外辐射有关,也可能是两个浮游种对敞水区有限食物资源竞争的结果。  温度是影响高山湖泊钻孔中枝角类组合变化的主要因素之一。1900年代之前,温度对两个湖泊枝角类组合的影响比较明显,小冰期寒冷气候条件下水温极低、生长期很短使得耐寒的沿岸种具有较高的相对丰度。1860年代之前的月亮湖枝角类和1850年代之前吉人湖枝角类均以耐寒的沿岸种为主。小冰期结束后,随着气候开始转暖,生长期延长,尤其是降水偏少的晚夏和秋季水温开始增加,月亮湖中喜好较暖环境的浮游种Bosmina和Daphnia开始出现并增长,吉人湖中对温度较敏感的枝角类Alonella nana、C.sphaericus和Pleuroxus sp.相对丰度在1850年代后出现上升。1900年代之前两个湖泊的枝角类通量受到温度变化较为明显的影响,小冰期降温期两个湖泊枝角类生物量都很低并持续到约1880年代,之后随着气候变暖而开始上升。但1900年代以后,虽然吉人湖中偏好较暖环境的C.sphaericus和Pleuroxus sp.仍持续上升,但温度变化对枝角类生物量的影响不太明显,而且两个湖泊枝角类通量上升趋势与温度变化也并不一致。温度变化可能更主要是通过间接方式影响湖泊物理(生长期、生境、水体光透度)、化学(pH,DOC)过程和营养循环,最终影响枝角类生物量。  人类活动引起的氮沉降以及流域产生的有机物质输入,是支撑两个湖泊沉积钻孔中枝角类通量在过去200年中持续上升的另一个主要驱动因子。月亮湖δ15N的下降指示明显的大气氮沉降。虽然吉人湖δ15N变化不是很明显,但不断上升的金属元素Hg和近三十年来沉积物中明显增加的总磷含量指示了大气沉降和风尘作用引起的污染物和营养物质输入的增多。大气氮沉降和流域植被的发育不仅为浮游动物提供直接的营养元素和食物(有机碎屑),还会影响流域植被、土壤发育,改变湖泊的营养水平,提高藻类生物量,并通过营养(N)——藻类——浮游动物的营养传递方式而影响枝角类的生长和繁殖。两个湖泊枝角类通量的明显上升趋势都与沉积记录中硅藻以及藻类色素变化趋势一致,但在时间节点上两个湖泊枝角类生物量又均滞后于硅藻和色素。月亮湖钻孔中枝角类丰度的每一次增多均滞后色素和硅藻以及地球化学指标约4-5年,可能是由于钻孔年代平移误差所致,也可能是由于湖泊中营养级传递的原因。吉人湖所用代用指标取自一个钻孔,同样存在着枝角类通量变化滞后于藻类生物量变化的现象,反映存在营养传递,即藻类通过上行效应促进了枝角类生产力。  整体而言,两个湖泊枝角类组合并没有发生重组,湖泊生态系统尚没有偏离自然演化的轨迹,表明湖泊生态系统尚未突破生态阈值。但两个高山湖泊水生生物群落结构正由底栖(沿岸)向浮游群落结构转变:月亮湖浮游硅藻和浮游枝角类的相对丰度都有较明显上升,吉人湖浮游枝角类也有细微的上升。而且两个湖泊的硅藻和枝角类通量都呈现上升趋势。预测按当前的增温趋势和人类活动对高山地区的影响强度发展,将会造成树线上升和流域森林发育,营养水平持续上升,湖泊营养限制模式可能随之发生改变,湖泊生物的生长期将进一步延长。未来高山湖泊生态环境将不可避免地发生显著变化:浮游动物生产力进一步提高,生物组合发生重组的可能性加大。
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