长江中下游湖泊生态系统弹性变化与临界转换

Ecological resilience is one of the hot research topics now, but its related theories are bounded in laboratory and mathematic models which need to be widely tested within field observations. In consideration of the situation of critical and scientific difficulties, this proposal will choose lake ecosystems from Lower Yangtze River Basin as main study area. We will firstly conduct studies through modern lake ecosystem observations to study the relationship between ecosystem structure, like biodiversity, biological connectivity and nestedness, and ecological resilience, and then get a suitable indicator for ecosystem resilience. Four representative lakes, i.e.Chao Hu, Taibai Hu, Shitang Hu, and Liangzi Hu, are then selected to reconstruct ecosystem dynamic in long term scale through palaeolimnological method in order to consider change rate, range, and phase of lake ecological resilience dynamic in temporal scale. Then early warning signals and sensitivity species in lake critical transitions under human perturbations are discussed based on the ecological resilience indicators, and mathematic models will be employed to test the hypothesis from the above observations. Based on the above analysis, we will discuss the nonlinear relationship between lake’s ecological resilience and external perturbations, and evaluate the safe operation space of lake ecosystem under enhanced human activities. This proposal is challenge as it is first time to discuss the relationship of ecological resilience and ecosystem structure with field observation data, and the results may reveal the nature of ecosystem critical transition so that the related theories can be applied in real world ecosystem management rather than stuck in laboratory or computer. The achievement will be not only benefit to lake management in Lower Yangtze River, but also be possible to apply in widely sustainable subjects.

生态系统弹性是学术界广泛关注，但至今尚未取得重大理论突破的学科前沿研究方向。针对该研究的科学问题和难点，本项目拟选择长江中下游地区湖泊为研究对象，通过现代生态调查，分析并提取指示生态系统结构的生物多样性、关联性和嵌套性指标，获得表征系统弹性的有效指标；通过4个典型湖泊（巢湖、太白湖、石塘湖和梁子湖）过去200年以来生态系统变化过程的重建，获得生态系统弹性随时间变化的速率、幅度和相位等特征，揭示临界转换发生的早期信号和敏感指示物种，采用生态系统动力学模型，模拟并验证研究结果的可靠性。在此基础上，综合探讨湖泊生态系统弹性变化对外部驱动力的非线性响应机理、以及生态系统反馈动力学机制，评估典型湖泊生态系统的安全空间。项目研究具有挑战性，可望实现生态系统弹性和临界转换研究从理论到实际应用质的飞跃；研究成果将为研究区浅水湖泊生态环境的保护和治理提供科学依据，并有重要推广价值。

围绕生态系统弹性和临界转换研究的关键科学问题和难点，项目选择了长江中下游地区浅水湖泊作为研究对象，在大量面上湖泊调查、以及多个典型湖泊古生态记录分析、生态系统模拟（PC-Lake模型）基础上，取得以下主要研究成果：（1）建立了反映生态系统结构变化的系列指标，包括生态曲线（如第一主成分得分）、α和β多样性、关联性和嵌套性指标，定量表征了生态系统弹性的变化；（2）重建了过去200年来高分辨率生物群落演替与环境变化序列，揭示了气候和人类活动影响下研究区湖泊生态环境变化的规律和原因；（3）定量重建了生态系统结构变化的过程，判识了区域生态系统临界转换的临界点和模式，计算了转换发生前的早期预警信号特征（自相关性和变率），探讨了临界转换与弹性损失的关系；（4）模拟了太白湖生态系统临界转换的过程，并获得了古生态记录的验证，通过场景模拟对未来生态系统的恢复速率进行了预测；（5）基于古生态数据的综合分析、生态与环境本底确定、临界转换特征研究，评估了人类活动持续干扰对湖泊生态系统服务长期变化的影响，构建了湖泊生态安全操作空间研究的理论框架。项目到目前为止共发表研究论文43篇（第一标注论文16篇），包括SCI论文36篇，中文论文7篇。项目培养硕博研究生9人，博士后1人，中科院人才计划1人。项目执行期间，与法国、丹麦、英国和澳大利亚多个大学等开展了广泛的国际合作交流。项目组织召开了“人类世以来淡水生态系统弹性变化”国际研讨会。项目研究较好地完成了预期目标，尚有一些后续研究和成果待完成。研究揭示的浅水湖泊总磷和生态本底值、生态变化趋势和阶段性特征、临界转换和早期信号，可为长江中下游地区湖泊水质目标管理、监测预警、生态修复目标确定等提供重要依据。项目负责人获得2017年度中国科学院“朱李月华优秀教师”奖和2020年度中国科学院教育成果奖（证书号：202039，排名第三）。研究部分成果获得2019年度江苏省科学技术奖一等奖（证书号：2019-1-21-R2）。