西北干旱区高山—绿洲湖泊近两千年来生态变化及可能机制

摘要

在全球变化的背景下，全球范围内的湖泊生态系统均出现了不同程度的退化，其中干旱区湖泊面临的生态问题更为严峻。干旱区湖泊作为区域水资源循环的主要环节，其变迁敏感的记录着气候波动和人类活动变化。过去2000年人类轻度利用自然时期，干旱区湖泊水生生态系统状态稳定，而近200年来受气候变暖和人类活动的强烈影响，其水生生态系统稳定状态被打破。其中干旱区绿洲湖泊水生生态系统各要素波动幅度及频率呈增加趋势，出现了诸如水位下降、水体咸化、富营养化及生物多样性降低等生态问题。而对于干旱区高山湖泊，目前已经开展了众多古生态方面的研究，揭示了包括北极、高山等偏远地区湖泊在内的湖泊水生生态在过去200年发生了巨大转变。因高山湖泊不受人类活动的直接干扰，驱动其生态系统转变的原因有二：其一气候变暖；其二人类活动引起的大气污染，如氮沉降、酸沉降等过程。然而目前鲜少有基于古湖沼学在长时间尺度上探讨湖泊水生生态系统状态演变及其对气候变化和人类活动的响应的较为系统的研究，亦缺少揭示受人类活动影响程度不同的湖泊水生生态系统状态转变机制异同的研究。　　本研究选择位于我国西北干旱区的高山湖泊—阿尔泰山双湖及绿洲湖泊—天山南麓博斯腾湖作为研究对象，探讨以上两个湖泊长期生态演变历史及其对气候和人类活动的响应。对双湖钻孔沉积物进行精准定年后，选用生态代用指标硅藻，以及磁化率、粒度、TOC和TN等环境代用指标，分别重建了过去两千年以来双湖湖泊水生生态和环境变化过程，并探讨了其生态变化的可能驱动机制；在博斯腾湖，通过集成前人研究结果，提取了包括指标数据（古湖沼和树轮）、器测数据和社会经济数据等相关资料，并以此为基础同时构建了博斯腾湖水生生态系统演变序列、气候变化序列及博斯腾湖区人类活动变化序列，利用上述序列开展综合对比，探寻博斯腾湖古生态变化可能的驱动机制。得到如下主要结论：　　1. SH12B钻孔138 个样品共鉴定出21个属，94个种。双湖主要硅藻属种包括 Fragilaria、Achnanthes 和 Navicula，且主要硅藻种类体型都较小。将双湖主要硅藻属种按其生活形式分为浮游种、兼性浮游种及底栖种，优势属种为兼性浮游种和底栖种，占硅藻组合的80-99%，主要包括Fragilaria construns、F pin nata、Achananthes minutissima和Navicula atomus。　　2.过去两千年来双湖水生生态系统变化：　　1）硅藻组合中底栖种硅藻丰度虽低但其种类繁多，且多为个体较小的种，说明湖泊水体透光度差，长期处于贫营养状态；优势属种从始至终都是Fragilar ia属，该属在碱性、贫营养的高山湖泊中极具优势，可在湖面长期冰封，透光度差的条件下正常生长繁殖。另外，硅藻中并无新种出现。综上，双湖过去2000年硅藻组合变化稳定，优势属种为耐寒的Fragilaria，浮游种硅藻相对丰度极低。因此认为双湖水生生态环境长期处于稳定状态，结构和功能未发生变化。另外，根据沉积物磁化率、粒度和 TOC 等指标记录的信息，发现双湖湖区过去 2000年来气候变化稳定，干湿波动小。　　2）过去200年，双湖沉积物磁化率出现突增，与此同时硅藻组合中富营养种Navicula atomus相对丰度达全钻最高。综合分析湖泊流域过程及大气氮沉降概况后，认为其主要原因是大气氮沉降影响增强，使得进入湖泊的磁性颗粒和营养物质，尤其是N，随之增多。　　3.基于博斯腾湖岩芯多种微体古生物指标（摇蚊、硅藻、介形虫等）记录，结合其他气候代用资料和现代观测数据，构建了近千年来博斯腾湖生态系统状态和区域气候变化序列，认为在千年和百年尺度上，气候因素是控制湖泊生态变化的主要因素；但在1950 年之后生态系统各要素的变化频率和振幅均处于过去2 00年甚至1000年来自然气候变化为主导时从未出现的状态，而导致其出现异常波动的主要原因是叠加于气候变化之上的人类活动。　　4.对于绿洲湖泊，在千年尺度上驱动其生态系统转变的主控因素是气候，而近200年人类活动取代气候成为改变湖泊生态系统的主导因素，且人类活动通过直接参与其物质及能量循环，进而改变其生态系统；对于高山湖泊，千年来其水生生态系统变化的主导因素为气候变化，但是近百年来人类通过改变大气沉降等自然过程对其生态系统的间接影响程度逐渐增强。

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