湖泊生态系统对过去1000年气候变化的响应研究——以鄱阳湖生态系统动力学模拟为例

摘要

与陆地生态系统相比,水生生态系统对全球气候变暖的响应敏感而脆弱.鄱阳湖是我国最大面积的淡水湖泊,近年来湖泊水位下降、湖床干涸频发,发生了一系列水生态灾害事件以及生态系统的退化,但气候变化对湖泊生态灾害发生和生态系统退化的过程和机制目前还不清楚.本文基于Lotka-Volterra动力模型的原理和结构,首先构建湖泊初级生产者浮游植物(藻)与高等水生植物(草)的竞争模式,其次构建初级生产者草、藻与顶级猎食者鱼的捕食模式,最后利用气候-湖泊水量与生态因子的物质传递原理,构成气候与生态的动力方程组,设置现代和历史不同时期的试验方案进行数值模拟研究.模拟结果表明,鄱阳湖藻、草、鱼生物群落在各自的环境容纳量、增长率和相互依存/抑制关系下,年内和年际生物量变化构成了稳定和准循环系统(试验Ⅰ).在湖泊水量与生态因子相互作用中,水量生态效应可保持生态系统的动态平衡(试验Ⅱ).应用到过去1000年湖泊生态系统中,模拟发现在气候-水量变化的边界条件下,湖泊生物量增加和减退的速度不对称(试验Ⅲ).水量的反馈可使增加阶段的生物量速度减缓、使衰减阶段的速度加速,从而量化了气候水量变化在生态系统中的负反馈效应.设置小冰期气候的试验Ⅳ模拟表明,在流域降水减少19％、湖泊面积减少33％和湖泊水量减少7％的状况下,湖泊生态系统在600 ～700个月内振荡并衰退.当这个极端气候持续600个月以上,水生群落系统全面崩溃.小冰期中鄱阳湖的沙生和旱生植被替代水生和湿生植被的沉积孢粉证据验证了这个模拟,表明在极端干旱条件下,边界条件变化显著超过了生态系统的应对能力,湖泊生态系统在长期震荡后崩溃.