驱动湖泊稳态转换的沉积物关键因子及其作用阈值

研究湖泊生态系统的多稳态性对于湖泊管理有重要的现实意义，可定量指导预防灾变和制定管理目标。目前，国际上相关研究基本上以实验模拟和模型推导为主，对稳态转换阈值的定量也不足，且基本集中关注水柱。我们的最近研究通过大尺度的区域比较对浅水湖泊的多稳态性进行了证实，确定了水柱中驱动稳态转换的关键因子及其作用阈值。作为稳态转换的原始驱动力，沉积物的作用在将来的研究中应受到关注。针对长江流域湖泊大范围由清变浊等生态系统退化问题，本项目拟通过10个湖泊实际调查和近50个湖泊现有资料分析，进一步开展区域湖沼学研究，分析沉积物中驱动稳态转换的关键因子及其作用阈值，并通过对各稳态阶段的定量表征反演稳态转换的发生过程。本研究在国际上首次运用大尺度数据定量分析沉积物对稳态维持和转换驱动的贡献，也将为长江流域富营养化湖泊治理实现浊清有利稳态转换提出具普适性的定量化操作依据。总体可达国际先进水平，并促进多稳态理论的发展

长江中下游流域分布着大量的浅水湖泊。近几十年来，人为富营养化使得不少湖泊从草型清水状态转变为藻型浊水状态。目前国际上对于浅水湖泊稳态转换的研究基本上以实验模拟和模型推导为主，对稳态转换阈值的定量也不足，且基本集中关注水柱。针对长江浅水湖群的现实问题和已有研究的缺陷，本项目开展了区域比较和长期监测相结合的大尺度研究。在本项目的支持下，项目组完成了对13个代表性湖泊的两周年调查和对历史资料较丰富的保安湖的三周年监测，结合历史资料开展分析，获得了如下成果：(1)系统论证了亚热带浅水湖泊的多稳态性；（2）发现沉积物再悬浮对浊度的贡献明显高于浮游藻类，且这种再悬浮的强度主要受水深和沉水植物的影响；（3）确定沉积物总磷含量为沉积物中驱动稳态转换的关键因子，相应的清-浊和浊-清稳态转换发生阈值分别为0.8g/kg和0.4g/kg；（4）比较分析了草型、藻型湖泊及不同江湖连通度下底栖动物的群落特征；（5）发现颤蚓科寡毛类能有效反应水柱和沉积物特征，并指示生态系统所处状态，将清-浊和浊-清稳态转换发生的颤蚓类生物量指示阈值分别确定为0.07g/m2和2.5g/m2，清-浊稳态转换发生的颤蚓类密度阈值初步确定为130 ind/m2；（6）发现了不同气候带稳态转换湖水总磷阈值的一致性，清-浊和浊-清稳态转换的阈值分别约为100μg/L和50μg/L；（7）发现水深可影响稳态转换的浊度阈值，较深湖正反向转换的浊度阈值均低于较浅湖；水深对总磷阈值的作用不明显；在一定范围内湖泊面积的影响不大；（8）根据水草和藻类的相对优势度将湖泊划分为草型、藻型和中间过渡性三个阶段，并对各个阶段的生态系统特征进行了表征和比较。本项目较具科学意义的发现主要有如下四个方面：沉积物再悬浮对稳态维持的定量贡献、稳态转换的沉积物阈值的界定、不同气候带湖泊稳态转换水柱总磷阈值的一致性、中等水深范围内稳态转换水柱总磷阈值基本不变。这些发现对于完善浅水湖泊稳态转换理论有一定的贡献，也有望对实际湖泊管理提供定量化的操作依据。