王 榮,張 科,劉建寶,董旭輝,羊向東,2

(1:中國科學院南京地理與湖泊研究所,南京 210008)(2:中國科學院大學,北京 101408)(3:中國科學院青藏高原研究所,北京 100101)(4:廣州大學地理科學與遙感學院,廣州 510006)

全球變化已經(jīng)顯著影響了地球環(huán)境,造成了氣溫持續(xù)升高、污染加劇、生物多樣性不斷減少等生態(tài)環(huán)境問題,地球的宜居條件面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。不同學者從多個角度評估了全球變化對地球系統(tǒng)的影響,闡述了地球環(huán)境和地球生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和演化歷史,并從自然過程和文明發(fā)展等方面明晰了導致這些變化的原因。多數(shù)學者的共同觀點是,地球系統(tǒng)近百年來顯著變化的根本原因是人類活動,包括人口增長、化石燃料的使用和城市化等過程,持續(xù)而深刻地改變了地球各圈層。大氣化學家Paul J. Crutzen (1933-2021)和古湖沼學家Eugene F. Stoermer在2000年率先提出“人類世”作為一個新的地質(zhì)時期,以表明我們?nèi)祟惍斍八幍奶厥鈺r期[2]?！叭祟愂馈备拍畹恼教岢鲲@然更好地團結(jié)了不同學科的學者,使其擁有了更有效的溝通語言,以共同面對當前生態(tài)環(huán)境危機。關(guān)于人類世的諸多爭議,尹志勇和劉曉東進行了詳盡的梳理[3],在此不再贅述。2023年國際地層委員會人類世工作組推薦將加拿大Crawford湖作為人類世標準層型剖面(俗稱“金釘子”)、我國四海龍灣瑪珥湖為輔助層型剖面,進一步引起了學者對人類世的關(guān)注[4-5]。湖泊流域系統(tǒng)是受人類活動影響最廣泛和深刻的地球系統(tǒng)之一,其本身所具有的特征也為人類世研究做出了重要貢獻。本文將重點討論湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)演化對人類世研究的重要意義。

1 全球變化導致人類世湖泊流域系統(tǒng)發(fā)生顯著變化

近百年來,以人類活動和氣候變化為主要驅(qū)動力的全球變化對湖泊流域系統(tǒng)產(chǎn)生了非常顯著的影響。人口增長和社會轉(zhuǎn)型導致的工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市化、水庫建設(shè)、植被砍伐顯著改變了流域土地利用方式[6],引起流域侵蝕增強[7]、水文水動力改變[8]、水體富營養(yǎng)化、藻類異常增殖和生物多樣性下降[9-11]。氣溫的升高、極端降水的增加使得淺水湖泊藻類暴發(fā)風險更大[12]。增溫導致極地地區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)生物群落更替速率更快,湖泊生態(tài)穩(wěn)定性顯著下降[13]。溫度的持續(xù)升高加劇了深水湖泊熱力分層,而極端氣候會造成深水湖泊沉積物更多營養(yǎng)釋放,提升了深水湖泊的生態(tài)風險[14]?，F(xiàn)有研究表明,全球63%的大型湖庫發(fā)生了富營養(yǎng)化[15]。近20年來,全球12.8%的湖泊發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,并且隨著時間的推移,發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的湖泊越來越多[16]。

中國湖泊生態(tài)系統(tǒng)在全球變化下受到顯著的影響[9,17]。在青藏高原地區(qū),氣候變化和冰川融水造成湖泊水面擴張[18-19]。在云貴高原地區(qū),氣候變化、流域土地利用、農(nóng)業(yè)化肥使用、工業(yè)和旅游發(fā)展等因素造成湖泊面積縮減、營養(yǎng)富集和藍藻水華頻發(fā)[9,17]。這些問題疊加外來物種入侵、過度捕撈等因素,顯著減少了湖泊沉水植物、魚類、浮游藻類等生物多樣性[9]。氣候變化也普遍引起該地區(qū)深水湖泊(如撫仙湖)分層加劇[20]。在長江中下游地區(qū),共建設(shè)有43600個水壩,改變了區(qū)域江湖關(guān)系[8],結(jié)合農(nóng)業(yè)化肥使用和魚類養(yǎng)殖等影響,多數(shù)湖泊經(jīng)歷了快速富營養(yǎng)化[11],且大型水生生物多樣性下降[21],對我國的湖泊水安全造成顯著影響。極端增溫進一步加劇了該地區(qū)的富營養(yǎng)化過程,提高了營養(yǎng)削減和管理的難度[12]。一項綜合研究表明,中國70%以上的湖泊自20世紀以來發(fā)生了至少一次生態(tài)突變,而這些生態(tài)變化與社會經(jīng)濟發(fā)展顯著相關(guān)[22]?？偠灾?人類世全球變化已經(jīng)導致了全球湖泊發(fā)生了顯著變化。人類活動是湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化的最主要驅(qū)動力,湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)的變化正逐漸成為全球變化的重要部分。

2 全球變化背景下湖泊流域系統(tǒng)研究能助力構(gòu)建人類世研究框架

人類世意味著人為營力超過了自然營力,根本性地改變了地球系統(tǒng)狀態(tài)和功能[1,23]。地球系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)的多個單元構(gòu)成。當前,對人類活動影響地球環(huán)境的研究多數(shù)是聚焦于單一系統(tǒng),例如氣候系統(tǒng)[24]、陸地生態(tài)[25]、冰川凍土[26]、土壤[27]等。然而,地球系統(tǒng)不同圈層間存在交互作用,人類活動的影響不僅改變了地球各個系統(tǒng),也加強了各系統(tǒng)間的交互作用關(guān)系[28-29]。人類活動如何改變各圈層間交互作用,使得地球環(huán)境進入新的地質(zhì)時期,是人類世研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。為此,相關(guān)工作不僅需要查明各個地球系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及對全球變化的響應(yīng)特征,也要識別、研究、評估這些子系統(tǒng)之間交互作用的變化。為實現(xiàn)這一目標,需要一個能進行跨圈層研究的整體方案。

湖泊流域系統(tǒng)能為不同圈層交互作用研究提供有力參考。一方面,湖泊流域系統(tǒng)是地球多個圈層的交匯點。流域河流和湖泊水體是水圈的重要組成部分;流域植被和水生生物是生物圈的一部分;區(qū)域氣候?qū)儆诖髿馊?而高山高原湖泊流域的冰川凍土屬于冰凍圈。全球變化促進了各單元的變化,而流域內(nèi)人類聚居點對各單元的直接影響,能更容易觀測人類活動如何改變各單元間的關(guān)系。因此,湖泊流域是研究地球各圈層變化的理想實驗場,為人類活動驅(qū)動各圈層交互作用變化提供相似體。第二,與其它類型生態(tài)系統(tǒng)不同,湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)具有相對穩(wěn)定的邊界,包括明確的湖岸和流域界線。這有利于明確物質(zhì)和能量的流動,更容易厘清外部驅(qū)動和內(nèi)部交互作用關(guān)系。這點也有益于多圈層綜合模型的開發(fā),從而為人類活動影響評估提供整體方案。第三,湖泊流域系統(tǒng)具有明確的交互作用關(guān)系,包括食物網(wǎng)和反饋機制。湖泊流域自然系統(tǒng)通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與社會系統(tǒng)相連[30]。人類社會持續(xù)從自然系統(tǒng)中獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),從而改變了湖泊流域環(huán)境,而湖泊流域環(huán)境的改變迫使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變,從而能夠不斷塑造人類社會[31]。自然系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-人類社會間形成的反饋機制正是人類世地球環(huán)境演變的關(guān)鍵過程。古湖沼學、環(huán)境科學、遙感科學的發(fā)展,確保能夠提取和觀測湖泊流域系統(tǒng)各要素的變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化[32],而當前的生態(tài)學理論研究為把握全球變化驅(qū)動下湖泊流域各單元交互作用關(guān)系提供較好的理論基礎(chǔ)?？傊?具有相對明確邊界、清晰內(nèi)部過程以及可用的長期演變記錄的湖泊流域系統(tǒng)能夠更好地為人類世地球環(huán)境演變規(guī)律研究提供天然實驗場。

3 湖泊流域系統(tǒng)長期演化研究,為人類世定義和評估人類活動影響提供更有說服力的證據(jù)

人類世地球環(huán)境是地球系統(tǒng)上億年演化的結(jié)果。地質(zhì)學家用不同地質(zhì)紀年來區(qū)分其演化的不同階段,人類世可能成為最新的地質(zhì)年代,意味著地球系統(tǒng)進入了全新的以人類活動顯著影響為特征的地球環(huán)境階段。關(guān)于人類世的開端,當前存在很多爭議[3]。不同觀點和研究支持的人類世時間界限存在差異,包括全新世早期[33]、全新世中期[34]、工業(yè)革命開始[2]及20世紀50年代[1]。明晰人類世與其它地質(zhì)時期的差異,厘清人類活動影響的過程和機制,必須要考慮更長時間尺度的地球環(huán)境演化歷史。湖泊流域系統(tǒng)則可以為該研究提供無可替代的材料[35]。湖泊沉積檔案能夠完整地記錄湖泊流域萬年以來的生態(tài)環(huán)境變化歷史,重建不同時期的湖泊流域變化特征。無論是百年、千年還是萬年尺度,古湖沼學都能夠提供較好的年代測定手段和敏感的湖泊流域生態(tài)環(huán)境變化指標。因此,古湖沼學在全新世全球/區(qū)域氣候和湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)演化等方面已做出了卓越貢獻[8]。

在地球氣候環(huán)境演變的研究中,基于湖泊沉積與冰芯、石筍、黃土、樹輪等記錄起到了重要作用。不僅如此,古湖沼學還可以為人類世中人類活動對地球生態(tài)系統(tǒng)的影響提供強有力的數(shù)據(jù)支撐[8,35-36]。湖泊沉積指標不僅能夠定量重建不同時間尺度的氣候要素、流域侵蝕強度、水文水動力、污染等環(huán)境演化歷史,還可以反演水體浮游動植物、陸生植被等生物群落的演替歷史,為湖泊流域生物群落響應(yīng)環(huán)境變化提供時間序列數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[37]。因此,湖泊沉積生物-理化指標能夠更全面反映人類世湖泊流域系統(tǒng)的變化過程[35]。沉積物DNA技術(shù)的成熟應(yīng)用將進一步拓展沉積記錄的解釋范疇,使得古湖沼學不僅可以利用微體生物遺存,還可以利用大型生物例如哺乳動物、鳥類和魚類的DNA遺存信息解釋湖泊流域陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)交互作用[38]。當前的工作已采用湖泊沉積DNA重建了早期農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、生物多樣性特征以及外來物種入侵對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響[39-40],未來的發(fā)展將使得時間序列上湖泊流域系統(tǒng)食物網(wǎng)的研究更加全面,不同圈層交互作用研究也將會更加深入。湖泊流域系統(tǒng)面貌更清晰的重建,使得研究者可以更清楚地對比生態(tài)系統(tǒng)在人類世階段的狀態(tài)和自然初始狀態(tài),以便確立生態(tài)系統(tǒng)自然本底,自然背景下的演變規(guī)律,人類活動導致生態(tài)系統(tǒng)偏離自然本底的程度、變化速率,以及人類活動影響生態(tài)系統(tǒng)的主要過程等[8]。這些研究為進一步明確人類世的內(nèi)涵具有明確意義。

4 湖泊流域系統(tǒng)的突變研究能為人類世研究提供更科學的思路

從全新世進入人類世,意味著地球系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)態(tài)。需要特別指出的是,本文中討論的穩(wěn)態(tài)并非指系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定不變,而是指系統(tǒng)維持在一定的平衡態(tài)內(nèi),具有相對穩(wěn)定的特征。比如全新世之前更新世的冰期-間冰期的交替特征以及全新世氣候穩(wěn)定特征都屬于穩(wěn)態(tài)。著名社會-生態(tài)系統(tǒng)彈性研究組織斯德哥爾摩彈性中心將生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換(regime shift)定義為是社會生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的巨大而持久的變化,對這些系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了實質(zhì)性影響的轉(zhuǎn)變[41]。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的理解能夠為人類世特征研究提供諸多啟示。人類世是否應(yīng)該被確定,以及其起始年代是否應(yīng)該被確定在某個時刻,需要對當前和歷史狀態(tài)特征進行總體評述;需要區(qū)分當前狀況的地球環(huán)境是否是從全新世穩(wěn)態(tài)快速轉(zhuǎn)換為新的穩(wěn)定時期,還是快速變化到一個穩(wěn)態(tài)的中間過渡階段。

當前,地球上許多生態(tài)系統(tǒng)可能都經(jīng)歷過或者正在發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換[42]。這些穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在湖泊、森林、海洋、草地等生態(tài)系統(tǒng)中[43]。這些生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換導致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的急劇下降,可持續(xù)發(fā)展面臨威脅[44-45]。評估持續(xù)的全球變化是否會導致地球各系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的連鎖反應(yīng),引起地球環(huán)境整體的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,一直是全球變化研究和政策制定的核心問題[46]。全球環(huán)境發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換,和地球環(huán)境從全新世走向人類世的觀點,是從兩個不同角度看待地球環(huán)境的演化。人類世側(cè)重地球環(huán)境的演化歷史,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換側(cè)重地球系統(tǒng)狀態(tài)本身,包括狀態(tài)定義、維持機制、變化過程、驅(qū)動因子、響應(yīng)方式等。顯而易見的是,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的研究能夠更深刻地理解當前地球環(huán)境演化的階段,進一步明晰關(guān)于人類世相關(guān)問題的爭議。

當前穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的研究依然面臨很多問題。比如,如何定量描述一個系統(tǒng)的狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和評估手段,系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持機制以及和生物多樣性的關(guān)系,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的突變點是否可以被預(yù)測或預(yù)警等。在當前的理解水平下,科研工作者和管理人員無法在所有系統(tǒng)中驗證關(guān)于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的相關(guān)假設(shè)。從本身固有特點以及目前的參與度來看,湖泊生態(tài)系統(tǒng)是明確回答穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)問題的最優(yōu)選擇之一。本文上述章節(jié)已經(jīng)說明了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的獨特特點,即湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有相對明確的邊界、清晰的交互作用關(guān)系以及長期研究的材料,能夠較好地探討關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換研究的相關(guān)課題。作為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的核心研究內(nèi)容,系統(tǒng)中各要素反饋機制在外力驅(qū)動下的是否加強是導致一個系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖粋€穩(wěn)態(tài)的主導因素。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換機制的研究需要特定的對象如湖泊流域系統(tǒng),以便清晰揭示系統(tǒng)內(nèi)部過程對外力驅(qū)動的非線性響應(yīng)特征,從而能夠拓展到地球系統(tǒng)各圈層的交互作用研究中。湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有可辨識的穩(wěn)態(tài)特征,例如草型湖的清水狀態(tài)和藻型湖的濁水狀態(tài),對于主導這些穩(wěn)態(tài)的反饋機制,目前的室內(nèi)試驗研究、野外操控、以及觀測研究已經(jīng)給出了相對明確的答案。湖泊沉積物保存的長時間序列理化和生物要素變化特征,能夠揭示理化-生物環(huán)境的長時間演化過程,在自然系統(tǒng)中揭示了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[36]、驗證突變點早期預(yù)警信號理論[47]等。

5 挑戰(zhàn)與展望

深入理解人類世湖泊流域系統(tǒng)響應(yīng)人類活動的過程和機制,既能為解決湖泊流域在人類世面臨的問題提供科學建議,也能為人類世地球系統(tǒng)變化研究提供重要價值。隨著遙感技術(shù)、系統(tǒng)理論、模擬手段以及沉積物DNA方法的不斷完善,湖泊流域各系統(tǒng)交互作用的研究將變得越來越可行,更多關(guān)于多過程演變規(guī)律的研究也將涌現(xiàn),未來場景下湖泊流域變化的模擬預(yù)測也將更加精確。這些發(fā)展將促進湖泊流域系統(tǒng)管理更加有效,更好地為可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。從湖泊流域多種手段和技術(shù)融合發(fā)展產(chǎn)生的結(jié)果,將必然會形成多圈層研究的新框架和生態(tài)系統(tǒng)演變的新理論。

同時,我們也清晰地認識到,在人類世框架下湖泊流域系統(tǒng)的研究還面臨諸多挑戰(zhàn)。首先,湖泊流域系統(tǒng)不同過程響應(yīng)人類活動的尺度存在差異。例如,土地利用的改變可能是過去千年變化的結(jié)果,外來物種入侵以及農(nóng)業(yè)化肥的使用可能從20世紀中葉開始作用于湖泊流域,氣候變化在最近幾十年和未來可能更多影響湖泊流域系統(tǒng);另外,營養(yǎng)富集和土壤侵蝕是影響湖泊流域的一個持續(xù)性過程,而極端氣候是影響湖泊流域的一個事件性過程。如何綜合評估不同尺度的驅(qū)動和響應(yīng)過程,是人類世湖泊流域研究的一個挑戰(zhàn)。其次,湖泊流域作為一個整體響應(yīng)人類活動變化,但其類型多樣,不同類型湖泊流域的響應(yīng)過程存在差異。例如冰川補給和降水補給的湖泊,氣候變化影響不同;牧業(yè)主導和農(nóng)業(yè)主導的湖泊流域,人類活動的影響不同;社會系統(tǒng)的文化和發(fā)展階段不同,流域土地和湖泊資源利用方式存在差異,從而導致人地關(guān)系和湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的不同。如何有效整合不同湖泊流域的異同點,形成多個層級的湖泊流域研究手段、研究方案和研究結(jié)果是人類世湖泊流域系統(tǒng)研究的挑戰(zhàn)。最后,湖泊流域系統(tǒng)研究的理論支撐是人類世湖泊流域演化研究的挑戰(zhàn),也是最終實現(xiàn)湖泊流域精確模擬的必要前提。目前能夠支撐湖泊流域系統(tǒng)演化研究的理論,如諸多生態(tài)學理論和地理學假說,在獨立研究系統(tǒng)各單元中發(fā)揮著重要作用,在整合湖泊流域系統(tǒng)變化研究中呈現(xiàn)不足。彈性理論或許能夠成為指導湖泊流域系統(tǒng)演化研究的重要支撐,但依然需要更多研究案例以及多種手段的數(shù)據(jù)支持。