大型深水水库浮游植物功能群对环境异质性的响应

Classical theory of limnology regarded phytoplankton fluctuation as an important cyclic event in aquatic ecosystems, emphasized the uniform effects of regional climate and potentially ignored the diverse responses to environmental heterogeneity. As an intermediate type between river and natural lake, a reservoir is characterized by environmental heterogeneity at longitudinal and vertical scales which provides a gold opportunity to better understand the relative importance of regional and local factors. The simplicity and generality of temporal coherence make it seductive as a tool to understand a key question in ecology concerns that is what factors affect the fluctuation of ecosystems over time and space. Using Taipinghu Reservoir (a large deep reservoir, Anhui Province) as a case, the present study will explore the responses of phytoplankton functional groups to environmental heterogeneity. The main works of the study will include three points: (i) to calculate spatial heterogeneity index of major physical and chemical parameters along both longitudinal and vertical profile of the reservoir shaping the dynamics of phytoplankton; (ii) to estimate the responses diversity of phytoplankton functional groups based on the analysis of temporal coherence; (iii) to understanding the regulating mechanisms of responses diversity by modeling the relationships between temporal coherence and heterogeneity index. Independently of these mechanisms explaining phytoplankton fluctuations, the present study has possibly perspectives to provide some scientific basics for ecosystem management of Taipinghu Reservoir and improve classical theory of limnology about ecological fluctuations.

湖沼学经典理论认为浮游植物波动是水生态系统的一个重要循环事件，并强调区域气候的一致性效应而可能忽视了对环境异质性的多样性响应。作为河流与天然湖泊的过渡类型，水库在纵向和垂向上具有的环境异质性，为理解区域和局部因素的相对重要性提供了难得的机会。时间相干性因其原理简单和普遍适用性而成为生态学研究的一个重要工具，可用来理解生态学的一个关键问题，即生态系统在时空尺度上波动的影响因素。本研究拟以太平湖水库（安徽省境内的一个大型深水水库）为例，探索浮游植物功能群对环境异质性的响应。主要的研究内容包括3个方面：(i)计算可能影响浮游植物动态的主要理化因素的空间异质性指数；(ii)基于时间相干性分析评估浮游植物动能群响应的多样性；(iii)建模时间相干性和异质性指数的关系以理解响应多样性的调控机制。这些研究可能的前景是，为太平湖水库生态系统管理提供一些科学基础并完善湖沼学关于生态波动的经典理论。

由于单个系统内部在纵向尺度和垂向尺度具有高度的环境异质性，水库可作为一个天然的系统实验室用于对浮游植物波动的理论假说进行湖沼学理论模型检验，还可用于识别区域和局部因素对水生生物作用的相对重要性。本项目以位于安徽省境内的一座大型深水水库(太平湖水库)作为天然的湖沼学实验室，观测和收集了包括浮游植物和环境要素在内为期两周年的科学数据集，并在理论上运用同步性构建了一个“考虑如何将类似的水库数据集转化为水库生态系统可持续性管理可用的科学知识”的概念性框架。该概念性框架在所收集的太平湖水库数据集的示范分析发现，种群层面上的同步性距离-衰减模型的斜率和截距因浮游植物功能群(物种)的不同而表现出明显的变化；而且还发现浮游植物群落结构相似性距离衰减模型的斜率和截距具有季节性动态，表现为春夏季节在水库尺度上的生物地理学格局具有“典型的异质性”，但在秋冬季节可能因水文驱动下的同质化过程使得该格局不具有“典型的异质性”。项目所构建的基于同步性和相似性的概念型框架对于水库研究中理解和建模生态过程和格局的多种限制因子的交互效应可能也具有实际的应用价值。此外，项目还尝试参照水域信息管理数据库指南(http://aquaticinformatics.com/)对所收集数据进行了格式化，以便促进太平湖水库具体数据集在学术界和管理部门使用及共享。学术界和管理部门现可通过发送电子邮件给项目负责人(yyxu@iue.ac.cn)，以免费获得本项目所收集的太平湖水库具体数据集的使用。