人类世全球湖泊生态系统突变研究进展

作者：太湖站  更新时间：2022-04-28

　　湖泊作为全球生态系统的重要组成部分，包含了地球上近90%的表层液态淡水资源，发挥着重要的经济、社会以及生态效益。进入人类世以来，在多重胁迫下，全球湖泊生态系统弹性持续下降，引发一系列突出的生态环境问题，成为制约全球和区域可持续发展的重要因素；另一方面，全球范围内湖泊修复治理进入瓶颈期，大量生态恢复投入但水环境未发生根本性转变，甚至水生态持续退化。传统的湖泊生态修复的理念和方法面临新的挑战和质疑，退化湖泊生态系统的可恢复性如何，恢复需要多长时间，以及能恢复到何种程度等成为当前科学界亟需回答的难题。

　　随着系统弹性降低，湖泊生态系统会跨过阈值而发生系统突变，具有速度快、难预测、难恢复等特征。例如，频繁的湖泊蓝藻水华暴发是湖泊生态系统退化的外在“症状”，但其内在的原因是湖泊生态系统结构和功能发生了根本性转变。因此，科学理解全球范围内湖泊生态系统突变的过程、时空模式及驱动机制，对于全面深入理解当前湖泊的健康状态，评估湖泊生态环境安全，设置合理修复目标等具有重要的科学价值。

　　近期，中科院南京地理与湖泊研究所张科研究员团队在地学领域国际知名期刊Earth-Science Reviews发表题为Abrupt ecological shifts of lakes during the Anthropocene的相关研究成果。该研究基于元分析和网络分析方法，综述了全球范围内72个湖泊的系统突变时间-驱动因子数据（图1），首次从全球尺度揭示过去两百年来不同类型湖泊生态系统突变的时空模式，厘清了导致湖泊突变的主要驱动因子和潜在机制，揭示出各驱动因子及多重驱动对全球湖泊突变影响的相对重要性，进一步提出了基于全球湖泊生态系统突变来界定人类世开端的新思路。该研究为准确评估应对未来气候变暖和人为扰动带来的生态风险，发展生态系统动态变化的评估和预测模型具有重要意义。

图1 人类世全球72个突变湖泊空间分布

　　研究发现，全球湖泊生态系统在过去两百年来突变时间不同步，但在二十世纪五十年代后全球湖泊突变频率明显增加，超过三分之二的湖泊在1950s之后发生系统突变（图2）。不同类型湖泊因自身特性、地理位置以及受人类影响程度不同，突变时间也具有一定差异。因此，为便于对比不同湖泊之间突变时间的差异性，研究将72个湖泊分别按照不同水深、不同海拔和纬度梯度以及受人类影响程度分为三大类。

　　分析表明，全球范围内不同深度的湖泊突变时间较为接近（~1960s），而处于不同纬度和海拔的湖泊，突变时间具有明显差异。如高山、极地湖泊其突变时间是明显早于温、热带湖泊。另外，在不同人类影响强度作用下，湖泊突变时间也呈现出差异性变化。比如，位于低人类影响强度地区的湖泊，其突变时间要早于那些受人类影响较强地区的湖泊（图2）。

图 2 湖泊生态系统突变时间及各类型湖泊突变时间对比

　　湖泊突变驱动因子分析表明导致湖泊突变的驱动因素也各不相同，但在五十年代以前，湖泊生态系统突变主要受控于气候变化，而在五十年代之后，气候变化和人为的营养和污染输入成为湖泊突变的主导因素（图3a）。受人类活动影响较强的温、热带地区湖泊，主要受到营养和污染的影响，而远离强人类活动扰动位于高海拔、高纬度的湖泊，更易受到气候变化的影响。此外，驱动共现网络分析揭示出多重驱动的交互作用更易导致湖泊突变的发生，其中气候变化最频繁地与其他驱动因子发生交互作用，从而导致湖泊生态系统突变。

　　研究认为，全球变暖和日益加剧的人为扰动已经使得全球湖泊生态系统逐渐偏离安全操作空间。因此，亟需从全球角度形成湖泊管理策略，以此来降低由多重驱动导致的人类世湖泊生态系统突变风险。

图3 湖泊生态系统突变驱动因子及驱动共现网络分析

　　基于古生态记录集成研究分析发现（图4），二十世纪五十年代全球湖泊生态系统突变频率的加快与地球系统的“大加速”时期相对应。五十年代之后，全球人口的快速增长，以及人类日益增长的物质需求导致全球农业用地的大幅扩张，全球氮磷化肥使用量急剧增加。因此，大量的外源营养和污染输入导致湖泊水质持续降级，生态系统突变频繁发生。本研究揭示了过去两百年来，在全球变暖背景下，前所未有的人为扰动对全球湖泊生态系统产生了重大影响，同时也从全球湖泊生态系统突变的角度为定义人类世提供了重要的参考和证据。

图4人类世湖泊生态系统突变的长期轨迹和全球驱动变化

　　中国科学院南京地理与湖泊研究所张科研究员以及南京大学沈吉教授为论文共同通讯作者，第一作者为张科研究团队黄世鑫博士，林琪博士及中国科学院青藏高原研究所刘建宝研究员为共同作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院人才计划等项目的联合资助。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.103981