长江中下游地区典型湖泊摇蚊亚化石时空分布及环境意义

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人类活动和气候变化共同作用引起的淡水水体富营养化已然成为当前全球范围内最为突出的生态环境问题之一。长江中下游地区分布着我国最大的淡水湖群之一,丰沛的降水和良好的水热配置条件使得该地区拥有悠久的人类活动历史,因此生态环境遭到严重破坏。湖泊面积普遍萎缩,水体营养盐富集严重,水生植被大量消亡,湖泊生态系统结构和服务功能面临重大挑战,水质型缺水现象日趋突出。针对浅水湖泊富营养化问题,湖泊管理决策者及相关学者进行了大量的实验论证和实践探索,但收效甚微,水质恶化问题亟待解决。古湖沼学研究能为现代湖泊生态修复参考目标的确立提供所需的湖泊本底环境信息。  本论文选择长江中下游地区湖泊为研究对象,以沉积物中摇蚊头壳亚化石为主要代用指标,在空间上:  1)分析长江中下游摇蚊分布模式,同时基于摇蚊组合将摇蚊-环境数据库中51个湖泊进行分类;  2)探讨大型富营养化湖泊-巢湖、太湖内部摇蚊空间分布特征及主要调控因子,并选择太湖、洪湖、青菱湖和严东湖为研究对象,尝试探索摇蚊与水生植被之间的密切关系;在时间上,基于优化的摇蚊-湖水总磷转换函数;  3)恢复华阳盆地不同类型湖泊(武山湖、太白湖和龙感湖)或太湖不同类型湖区近代营养演化过程;  4)重建千年尺度上太白湖水体总磷变化,结合收集的太白湖流域气候和人类活动历史数据,探讨摇蚊对气候和人为胁迫因子的响应,定量区分人地相互作用在湖泊环境演化过程中的作用。  本论文旨在利用空间分析结果提高古湖沼学解译准确性,以期在缺乏长期监测数据背景下,为湖泊管理决策者提供有价值的湖泊生态修复参考信息,包括长江中下游地区湖泊营养本底值及历史时期湖泊生态系统对不同驱动要素响应的变化。  长江中下游地区湖泊中摇蚊种群以摇蚊亚科(Chironominae)中的摇蚊族(Chironomini)含量最为丰富。基于表层沉积物中摇蚊组合差异,摇蚊-环境数据库中51个浅水湖泊可划分为四组:组1a多为富营养或重富营养型湖泊,Tanypus和Microchironomus tabarui-type为该组摇蚊群落指示属种;组1b中湖泊多处于中-富营养水平;组2a营养水平低于其它三组,为中等营养水平湖泊,主要指示属种为Tanytarsus pallidicornis-type、Polypedilum nubifer-type和Procladius;组2b平均总磷浓度处于组1b和2a之间,Paratanytarsus penicillatus-type平均丰度最高。摇蚊族(Chironomini)和长足摇蚊亚科(Tanypodinae)在高营养水平湖泊平均含量最高,而直突摇蚊亚科(Orthocladiinae)和长跗摇蚊族(Tanytarsini)在中营养水体重含量较为丰富。  典型湖泊内部摇蚊分布特征分析结果表明,巢湖内部摇蚊组成空间异质性较差,单一样点摇蚊组合基本可以反映整个巢湖摇蚊组成情况。在如太湖的大型浅水富营养化湖泊中,水深可通过溶氧变化间接影响摇蚊属种组成;东部湖区水生植被的大量发育提供了摇蚊生长所需的食物及良好庇护所,显著影响了摇蚊种群组成;在大型湖泊(比如>1000km2)中,空间因子是生物分布格局的显著驱动因子,研究大型湖泊生物组成和分布时,有必要对空间因子的调控作用进行探讨。长江中游地区草型湖泊不同植被群丛间摇蚊组成差异性研究表明,摇蚊属种对植被群落类型并未表现出明显选择性,而沉水植被生物量则主导了摇蚊组成,同时数据揭示了Corynoneura edwardsi-type可能是苦草群丛的典型指示摇蚊种。  武山湖和太白湖摇蚊种群优势属种分别于1920s和1950s左右由中等营养水平、水生植被指示属种(如P.penicillatus-type,Polypedilum nubeculosum-type,Cricotopus sylvestris-type)转变为富营养、耐污种(如M.tabarui-type,Chironomus plumosus-type,Tanypus),并先后出现水体营养盐的迅速富集,出现富营养化现象。龙感湖沉积岩芯中P.penicillatus-type,C.sylvestris-type与Microchironomus含量互为消长,是三个主要优势种,1920s年后重建湖水总磷略有降低。结果表明,50μg/L可视为长江中下游地区湖泊营养本底值。上世纪50年代以来龙感湖与武山湖、太白湖呈现出截然不同的营养演化轨迹,水生植被在龙感湖生态环境演化中发挥重要作用,但过度的人为干预可能会破坏湖泊生态系统的可持续发展。太湖北部湖湾摇蚊序列较好地记录了该湖区水体营养演化过程,而开敞湖区和西山北部湖区岩芯中摇蚊对营养盐的响应可能由于微环境中其它胁迫因子叠加作用而受到干扰,说明太湖单个岩芯记录无法准确反映整个湖泊生态环境变化。  太白湖在1940/1950-1970AD20-30年间,完成了生态系统由草型向藻型湖泊的转变,而80-110μg/L TP浓度可视为两种稳态转换的阈值,这为长江洪泛平原地区湖泊环境保护和生态修复提供了重要参考目标。方差配置分析结果表明,气候和人为驱动都对太白湖生态环境演替产生了极其重要的调控作用。气候变化在较长时间尺度上显著地改变湖泊生态环境,百年及十年时间尺度上人类活动干扰则对湖泊环境变化起了显著推动作用,尤其近几十年来,流域人为因素引起湖泊内部营养水平升高最终导致湖泊状态发生量到质的改变。同时,两种驱动要素之间相互调节,也对600年来太白湖生态环境的演变发挥了极为重要的作用。本论文尝试利用方差配置方法将气候变化和人类活动在不同时间尺度内湖泊演变过程中的作用明显地区分开来,这对评估现代湖泊对未来可能环境变化的响应方式提供了可行性检验及案例支撑。
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