人類(lèi)世全球湖泊生態(tài)系統突變研究進(jìn)展
湖泊作為全球生態(tài)系統的重要組成部分，包含了地球上近90%的表層液態(tài)淡水資源，發(fā)揮著(zhù)重要的經(jīng)濟、社會(huì )以及生態(tài)效益。進(jìn)入人類(lèi)世以來(lái)，在多重脅迫下，全球湖泊生態(tài)系統彈性持續下降，引發(fā)一系列突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，成為制約全球和區域可持續發(fā)展的重要因素；另一方面，全球范圍內湖泊修復治理進(jìn)入瓶頸期，大量生態(tài)恢復投入但水環(huán)境未發(fā)生根本性轉變，甚至水生態(tài)持續退化。傳統的湖泊生態(tài)修復的理念和方法面臨新的挑戰和質(zhì)疑，退化湖泊生態(tài)系統的可恢復性如何，恢復需要多長(cháng)時(shí)間，以及能恢復到何種程度等成為當前科學(xué)界亟需回答的難題。
隨著(zhù)系統彈性降低，湖泊生態(tài)系統會(huì )跨過(guò)閾值而發(fā)生系統突變，具有速度快、難預測、難恢復等特征。例如，頻繁的湖泊藍藻水華暴發(fā)是湖泊生態(tài)系統退化的外在“癥狀”，但其內在的原因是湖泊生態(tài)系統結構和功能發(fā)生了根本性轉變。因此，科學(xué)理解全球范圍內湖泊生態(tài)系統突變的過(guò)程、時(shí)空模式及驅動(dòng)機制，對于全面深入理解當前湖泊的健康狀態(tài)，評估湖泊生態(tài)環(huán)境安全，設置合理修復目標等具有重要的科學(xué)價(jià)值。
近期，中科院南京地理與湖泊研究所張科研究員團隊在地學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊Earth-Science Reviews發(fā)表題為Abrupt ecological shifts of lakes during the Anthropocene的相關(guān)研究成果。該研究基于元分析和網(wǎng)絡(luò )分析方法，綜述了全球范圍內72個(gè)湖泊的系統突變時(shí)間-驅動(dòng)因子數據（圖1），首次從全球尺度揭示過(guò)去兩百年來(lái)不同類(lèi)型湖泊生態(tài)系統突變的時(shí)空模式，厘清了導致湖泊突變的主要驅動(dòng)因子和潛在機制，揭示出各驅動(dòng)因子及多重驅動(dòng)對全球湖泊突變影響的相對重要性，進(jìn)一步提出了基于全球湖泊生態(tài)系統突變來(lái)界定人類(lèi)世開(kāi)端的新思路。該研究為準確評估應對未來(lái)氣候變暖和人為擾動(dòng)帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險，發(fā)展生態(tài)系統動(dòng)態(tài)變化的評估和預測模型具有重要意義。
圖1 人類(lèi)世全球72個(gè)突變湖泊空間分布
研究發(fā)現，全球湖泊生態(tài)系統在過(guò)去兩百年來(lái)突變時(shí)間不同步，但在二十世紀五十年代后全球湖泊突變頻率明顯增加，超過(guò)三分之二的湖泊在1950s之后發(fā)生系統突變（圖2）。不同類(lèi)型湖泊因自身特性、地理位置以及受人類(lèi)影響程度不同，突變時(shí)間也具有一定差異。因此，為便于對比不同湖泊之間突變時(shí)間的差異性，研究將72個(gè)湖泊分別按照不同水深、不同海拔和緯度梯度以及受人類(lèi)影響程度分為三大類(lèi)。
分析表明，全球范圍內不同深度的湖泊突變時(shí)間較為接近（~1960s），而處于不同緯度和海拔的湖泊，突變時(shí)間具有明顯差異。如高山、極地湖泊其突變時(shí)間是明顯早于溫、熱帶湖泊。另外，在不同人類(lèi)影響強度作用下，湖泊突變時(shí)間也呈現出差異性變化。比如，位于低人類(lèi)影響強度地區的湖泊，其突變時(shí)間要早于那些受人類(lèi)影響較強地區的湖泊（圖2）。
圖 2 湖泊生態(tài)系統突變時(shí)間及各類(lèi)型湖泊突變時(shí)間對比
湖泊突變驅動(dòng)因子分析表明導致湖泊突變的驅動(dòng)因素也各不相同，但在五十年代以前，湖泊生態(tài)系統突變主要受控于氣候變化，而在五十年代之后，氣候變化和人為的營(yíng)養和污染輸入成為湖泊突變的主導因素（圖3a）。受人類(lèi)活動(dòng)影響較強的溫、熱帶地區湖泊，主要受到營(yíng)養和污染的影響，而遠離強人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)位于高海拔、高緯度的湖泊，更易受到氣候變化的影響。此外，驅動(dòng)共現網(wǎng)絡(luò )分析揭示出多重驅動(dòng)的交互作用更易導致湖泊突變的發(fā)生，其中氣候變化最頻繁地與其他驅動(dòng)因子發(fā)生交互作用，從而導致湖泊生態(tài)系統突變。
研究認為，全球變暖和日益加劇的人為擾動(dòng)已經(jīng)使得全球湖泊生態(tài)系統逐漸偏離安全操作空間。因此，亟需從全球角度形成湖泊管理策略，以此來(lái)降低由多重驅動(dòng)導致的人類(lèi)世湖泊生態(tài)系統突變風(fēng)險。
圖3 湖泊生態(tài)系統突變驅動(dòng)因子及驅動(dòng)共現網(wǎng)絡(luò )分析
基于古生態(tài)記錄集成研究分析發(fā)現（圖4），二十世紀五十年代全球湖泊生態(tài)系統突變頻率的加快與地球系統的“大加速”時(shí)期相對應。五十年代之后，全球人口的快速增長(cháng)，以及人類(lèi)日益增長(cháng)的物質(zhì)需求導致全球農業(yè)用地的大幅擴張，全球氮磷化肥使用量急劇增加。因此，大量的外源營(yíng)養和污染輸入導致湖泊水質(zhì)持續降級，生態(tài)系統突變頻繁發(fā)生。本研究揭示了過(guò)去兩百年來(lái)，在全球變暖背景下，前所未有的人為擾動(dòng)對全球湖泊生態(tài)系統產(chǎn)生了重大影響，同時(shí)也從全球湖泊生態(tài)系統突變的角度為定義人類(lèi)世提供了重要的參考和證據。
圖4人類(lèi)世湖泊生態(tài)系統突變的長(cháng)期軌跡和全球驅動(dòng)變化
中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所張科研究員以及南京大學(xué)沈吉教授為論文共同通訊作者，第一作者為張科研究團隊黃世鑫博士，林琪博士及中國科學(xué)院青藏高原研究所劉建寶研究員為共同作者。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院人才計劃等項目的聯(lián)合資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.103981