模拟生态系统的长期演化
综合国际研究态势，并针对当前我国湖泊生 态系统面临的问题，我们提出古今湖沼学相 结合的全新研究思路：
以我国不同区域湖泊生态系统的演化为研 究对象，认识生态系统演变过程中突变或灾 变的环境阈值与早期信号；揭示气候变化和 人类活动对湖泊生态系统的驱动机制；提出 不同区域应对气候变化的湖泊生态系统恢复 对策。为此，聚集以下三个科学问题：
理论研究
关于湖泊生态系统长期演化，以Scheffer等研究 为代表，总结了湖泊生态系统演化的3种模式： 渐变、突变、多稳态，但这些模式目前尚停留在 理论和假说阶段，有待通过不同地区湖泊生态系 统长期演化的研究加以证实与完善
（a）近似线性的渐变模式
（b）临界状态灾变模式
（c）多稳态灾变模式
胁迫因子
技术手段层面 开发气候-水量-水质-生物综合生态模型，进行生态系 统长期演化的模拟和预测，揭示气候变化和人类活动 对湖泊生态系统演化的驱动机制;
国家需求层面 提出不同区域生态系统修复的参考目标和保护对策， 加强我国应对全球变化的能力。
谢谢各位代表！
1986年土地利用
水田 水体 旱田 居民工矿用地 林地 未利用地 草地 沼泽湿地
近50年来，三江平原湿地面积减少达80%， 环显差异
气候变化和人类活动叠加共同影响湖泊（湿地） 生态系统
因此，评估气候变化对湖泊生态系统的影响， 并制定保护与恢复对策具有迫切的国家需求
在增温背景下，我国西北地区 内陆封闭湖泊总体呈消亡态势。 新疆地区最近50年来因干旱原 因 消 失 的 1km2 以 上 的 湖 泊 就 达 62个（罗布泊、居延海）。
博斯腾湖咸化
2003年 艾比湖
湖泊干涸湖底成为沙尘暴源区
50年内水位下降了3.3m，湖水矿化度由
20100年.38g/L上升为1.96g/L，从淡水湖变为 艾比微湖咸水湖
• CAEDYM水生生态模型（西澳大学水研究中心） • 非点源污染负荷SWAT模型（美国农业部 ） • 欧洲水文系统模型SHE模型（美国农业部 ） • 太湖流域的ECOTAIHU生态模型(中国) ……
如何设置和扩展模 拟边界场，提高模 型对长时间尺度的 模拟能力
局限：目前的模型主要基于短期观测资料， 模拟的变幅与变率偏小
二、科学问题与研究思路
关键科学问题
1.如何表征不同区域湖泊生态
系统特征？指标系列
主要研究思路
1.不同区域湖泊生态系统特征及 关键控制因子
2.如何获取湖泊生态系统长期
演化的过程？过程获取
3.如何定量识别气候变化和人
类活动对湖泊生态系统演化的驱 动？机制分析
2.典型湖泊生态系统的历史演化 过程，灾变的阈值与早期信号
3.气候变化和人类活动对湖泊生 态系统演化的驱动机制
目的：寻求不同区域应对气候变 化的湖泊生态系统恢复对策
问题1：如何表征不同区域湖泊生态系统特征？
分区调查典型湖泊生态系统，确定生态系统功能 群及其主控因子；
分析表层沉积中生物遗存/生物标志化合物，并与 现生生物进行比较，获得有效指示生态系统特征 的沉积指标体系。
建立不同区域表征生态系统特征的指标体系
问题2：如何获取湖泊生态系统长期演化的过程？
提取湖泊的沉积岩芯，建立以年代为标尺的高 分辨率生物与气候指标序列，同时获取生态系 统的自然本底；
从沉积岩芯指标中定量提取气候（温度、降 水）、水文（水位、水温）、水质（营养盐、 盐度）和生物（初级生产力、种群）等要素变 化信息；
目标：提出不同区域应对气候变化的 湖泊生态系统恢复对策
通过模型参数选定和不同情景设置，对未来气候 条件下湖泊生态系统的演变趋势进行模拟预测；
根据模拟预测结果，参考生态恢复的自然本底， 提出应对气候变化的生态系统恢复和保护对策。
国家重大科学研究计划（2012CB956100）
湖泊与湿地生态系统对全球变化 的响应及生态恢复对策研究
滇池 泸沽湖
云南土著鱼种类急剧下降
湖泊调查结果
• 据2008年度湖泊生物调查，在云南地区湖 泊内，外来种（银鱼、水葫芦）入侵现象 严重，且增温使得这种入侵变得更加容易 ；增温导致湖泊内生物种类的小型化（如 鱼类等），但藻类和微生物等异常增殖； 土著鱼类数量从二十世纪90年代以前的94 种减少到现在的14种。
●6西北干旱区
●2
●4 ●7
青藏高原区
●3 1●
116西4●●●南15●湿13润区
12● 11●
9● 10●
例子1：湖泊生态系统变化----以洱海为例
临界点
硅藻 摇蚊
稳态1
稳态2
元素：Ca和P TOC和TN
滞后效应
洱海数据 硅藻 残差
变率 偏态 自相关
模型数据
变率
偏态
自相关
结论：在强烈干扰的现实生态系统 中，早期信号并不是先前模型揭示 的各个指标都上升，而是表现为变 率升高和相关性的降低。 Flickering理论可能在现实生态系 统中更有效的指导早期信号的探测
（Scheffer et al, 2001;2009)
长期生态系统观测与控制试验
湖泊生态系统定点监测 湖泊生态系统观测网络 生态系统模拟控制试验
北美五大湖、贝加尔湖（最早不超过100年） 我国湖泊水质生态监测小于50年（东湖、太湖）
“全球湖泊生态观测网络GLEON”（美国） 湖泊生态系统野外观测站（中科院）
过去180年来湖泊流域生态服务功能变化的驱动因子
Year
（John， Yang et al., PNAS, 2012）
思路创新:对湖泊沉积指标的重新定义； 自然科学与人文科学的结合； 利用长期变化数据揭示了社会经济发展与生态系统服务功能的关系
总体目标
科学研究层面 建立表征湖泊生态系统特征的有效指标体系，重建不 同区域湖泊生态系统演变序列;
项目首席：沈 吉
主持单位：中科院南京地理与湖泊研究所 参加单位：中科院东北地理与农业生态研究所
兰州大学、中科院青藏高原研究所 暨南大学、中科院城市环境研究所
2012年1月～2016年12月
研究区域与点位选择
综合考虑气候分区、人类活动强度、湖泊湿地类型、纬度和海拔等
研究区域与典型湖泊湿地分布
● 5 ●8
我国内陆湿地主要分布在东北、长江中 下游和江河源区。 最近几十年来，气候 变暖导致地表水文过程发生变化，造成 湿地面积锐减，仅三江平原湿地面积减 少就达80%，盐碱地规模不断扩大；黄河 源若尔盖湿地面积的急剧减少，加速了 草地退化和沙化过程。
1954年土地利用
耕地 居民工矿用地 林地 未利用地 草地 沼泽湿地 水体
艾比湖1958年面积1100km2，现在面积不足 500km2，缩小了一半以上
新闻报道
“……....湖泊的持续萎缩导致周边绿洲土地 沙化严重，干涸的湖底沉积物直接成为沙 尘暴的物源，对周边区域生态环境产生灾 难性的影响。艾比湖面积从1100km2 （1958 年）下降至不足500km2 （近年来），环湖 地区流动沙地面积增加了1000多km2，流沙 掩埋了大片农田和村庄”。
Nature Vol.493, January 31, 2013
Regulating service normalized value
例子2：湖泊生态服务功能变化 以长江下游太白湖、巢湖为例，利用湖泊沉积指标
（60项），再现了过去180年来湖泊-流域调节功能的变化
Year
各种生态指标的变化
Normalized value
东部地区浅水湖泊和湿地发育， 人类活动干扰强烈，普遍出现水 质恶化、生物多样性丧失，导致 生态系统服务功能严重退化。
太湖蓝藻水华持续时间延长
(Duan et al., 2009)
2011年洞庭湖
蓄洪能力下降
宋代以来洞庭湖洪灾频率不断增加
1/1 次/年
2/5
1/2
1/6
1/4
宋
明清 30-40年代 80年代 90年代
揭示气候、环境和生物之间的关系 （2003年开始的丹麦长期人工池实验）
难以表达自然生态系统的复杂性
湖沼沉积可以提供更长生态系统演化的记录
水生生态系统模拟研究
概念模型
（静态模型）
过程模型
（动态模型）
综合模型
（耦合人类活动、自然过程等）
• PAMOLARE水质-生态模型(联合国环境规划署 )
• AQUATOX流域生态模型（美国环保署）
另一方面，增温导致青藏高原冰 川的快速消融，许多受冰川补给 的湖泊近年来湖面呈快速扩张态 势，湖泊水位的持续上涨，淹没 湖周牧场，引起牧民恐慌。
纳木错
百分比(%)
90 冰融水占总补给量百分比
1971-1991 1992-2004
60
冰融水占两时段总
补给量增量百分比
30
0
冰川融水
云贵高原是我国深水湖泊的集中 分布区，近年来在气候变化和人 类活动干扰下，生态系统急剧退 化，生物多样性下降。
重建十-百-千年典型湖泊生态系统演化历史， 剖析生态系统演化的行为特征，包括生态系统 突变的早期信号和阈值，揭示不同区域生态系 统演化差异。
问题3：如何定量识别气候变化和人类活动 对湖泊生态系统演化的驱动？
应用统计模型和数值模拟方法阐明生态系统结构、 生物多样性演变与环境因子的关系；
定量区分人类活动和气候变化对湖泊生态系统演化 的影响；揭示不同区域和不同类型湖泊生态系统演 化的驱动机制。
研究现状
湖泊生态系统对全球变化的响应 研究是 PAGES、 IHDP、WFD、HD、RAMSAR、MA等国际组织和研究计划 关注的热点。气候变化-人类活动-湖泊生态系统相互 作用是研究的核心。
气候变化
人类 活动
湖泊 生态系统
揭示湖泊生态系统长期演化特征与气候变化的关系，是 评估未来气候变化影响、并制定相关保护策略的关键。