云南异龙湖生态系统灾变的驱动因子与关键过程反演研究

受损浅水湖泊生态系统的灾变性稳态转换与恢复是当前国内外的研究热点，灾变的驱动因子与关键过程是其中亟需回答的基础科学问题；目前常采用大样本湖泊调查分析的研究方法，但在数据获取与共性机理发掘上面临挑战。本项目拟基于复杂数值模型并辅以模拟实验，以高原浅水湖泊异龙湖为典型对象，研究湖泊生态系统灾变的驱动因子、关键过程及生态响应。项目的主要研究内容为：①异龙湖生态系统全面调查，解析异龙湖长期处于高营养负荷状态却能维持良好的草型清水状态、但在2009年突然发生灾变的关键影响因子；②异龙湖生态系统灾变驱动因子识别；③特征模型参数的模拟实验测定；④非线性异龙湖水动力-水质-生态模型构建；⑤异龙湖生态系统灾变驱动因子与关键过程的反演及评估。本项目旨在提出基于复杂数值模型并辅以模拟实验的研究方法，通过数值模型模拟关键过程、以实验模拟反馈和修正模型参数与结构，为我国其他浅水湖泊的灾变研究提供方法和机理借鉴。

灾变性稳态转换会导致湖泊水质在短时间内急剧恶化，加大治理的进程及成本。对受损浅水湖泊生态系统灾变性稳态转换驱动因子的探求是当前国内外的研究热点，亦是科学合理确定湖泊管理策略的关键。本项目基于数据长时间序列分析和沉积物硅藻记录推断异龙湖的生态系统演化和稳态转换过程，开发了能够描述主要组分的生态模块并耦合至水动力-水质模型，评估驱动因及关键驱动过程，取得了系列成果，为我国其他浅水湖泊的灾变研究提供方法和机理借鉴。. 由沉积物分析可知，异龙湖水体富营养化过程可分为6个阶段，其中在1970年代及2009年均发生了不同程度的富营养化灾变。研究使用透明度、总氮和叶绿素a作为指示湖泊物理因子、水质因子和生物因子的指标，采用Rodionav连续t检验法验证异龙湖分别在1996、2009年发生了生态系统稳态转换。水质指标之间的格兰杰因果检验，可以推断营养盐负荷并不是导致异龙湖突发生态灾变的唯一原因，生态系统结构的破坏可能是造成异龙湖灾变的关键因子。梳理历史资料可知，异龙湖在1990年代初为藻草共存稳态，由于1992年至1996年取消网箱养鱼的原因，1996年异龙湖发生恢复性稳态转换，由藻草共存稳态转换为草型清水稳态；2009年由于鱼类过量放养的原因，异龙湖发生灾变性稳态转换，由草型清水稳态转换为浊水稳态。. 项目开发了能够描述营养物质、光照、温度、自遮光、呼吸、鱼类捕食等过程对沉水植物生长消亡影响的生态模块，并将该模块与EFDC模型耦合，形成了涵盖沉水植被动力学、浮游藻类、湖泊底质生物地球化学反应动力学及水体内营养盐的迁移转化动力学的集成模型。基于研发完成的模型平台构建了异龙湖三维水质-水生态-水动力模型，通过关键过程评估及异龙湖稳态转换反演情景分析，证实了鱼类放养是异龙湖2009年灾变性稳态转换的直接驱动因子，而单纯的氮磷负荷增加会引起湖泊营养水平增加，在水生植物覆盖度、生物量并无明显消退的情况下引起藻类生物量增加，使得湖泊处于藻草共存稳态，但不会导致湖泊转换为浊水稳态。然而，当负荷与鱼类放养共同起作用时，负荷与鱼类放养将会有明显的耦合作用，将会诱发比2009年强度更大的生态系统灾变性稳态转换。为促进异龙湖由浊水稳态转换为清水稳态，异龙湖的外源性氮磷负荷需要削减77%的现状负荷，通过负荷削减并控制鱼类放养能够有效降低湖泊的营养盐水平进而控制藻类爆发。