（环境科学专业论文）全新世东西南极企鹅海豹生态对气候变化的响应与对比.pdf

摘要 对企鹅粪土沉积剖面d g 4 和z o l 4 展开研究，利用指示计反演出沉积剖面中企 鹅粪的相对含量，进而恢复了g a r d n e r 岛过去8 5 0 0 年和z o l o t o v 岛过去18 0 0 年 来阿德雷企鹅种群数量的变化记录。结果显示，g a r d n e r 岛阿德雷企鹅种群数量 在距今4 7 0 0 2 4 0 0 年间达到峰值，对应于晚全新世气候适宜期；而在距今约3 0 0 年前的小冰期阶段，z o l o t o v 岛的阿德雷企鹅种群数量显著下降。阿德雷企鹅在 西福尔丘陵的登陆历史及其种群数量变化都显示其对气候环境变化的灵敏响应。 3 东南极阿曼达湾帝企鹅种群数量的潜在记录 对东南极阿曼达湾帝企鹅粪土沉积p i 开展了生态地质学研究。对p i 剖面的 2 1 0 p b 、1 3 7 c s 定年表明其年龄约为2 4 0 年；分析了沉积物中t c 、t n 、t s 、t h 、 p 、h g 、s e 、c u 、z n 和p b 等元素的浓度剖面变化，发现t c 、t n 、t h 、p 、h g 、 s e 、c u 和z n 等生源元素之间具有显著的相关性且其浓度远高于其在当地基岩中 的含量，而p b 与这些元素呈显著的负相关关系，表明前者很可能主要来源于帝 企鹅粪的输入而p b 则来自于当地的母岩风化。因此，t c 、t n 、t h 、p 、h g 、 s e 、c u 和z n 的浓度剖面变化指示了p i 中帝企鹅粪的相对含量进而指示了在该 集水区活动的幼年帝企鹅数量，同时也反映了该地区帝企鹅种群数量的总体情 况。过去2 4 0 年来该区帝企鹅数量总体呈波动下降的趋势，有趣的是监测数据显 示随着南印度洋不断变暖，东南极过去5 0 年来帝企鹅种群数量也是不断降低的。 本研究表明东南极阿曼达湾帝企鹅数量在2 4 0 年来发生了较大的波动，而生态地 质学方法在一些特定的区域可以用于重建历史时期帝企鹅种群数量变化。 4 历史时期阿德雷企鹅、毛皮海豹食谱营养级的变化记录及其生态意义 现代南极阿德雷企鹅和毛皮海豹的主要食物是南大洋关键种南极磷虾，因此 它们的食谱营养级变化与南大洋磷虾丰度密切相关。研究历史时期阿德雷企鹅、 毛皮海豹的食谱营养级变化有助于理解过去南大洋食物链的动态变化。以粪土沉 积物及其中的企鹅残骨、羽毛和海豹毛为载体，利用稳定c 、n 同位素指标研究 了东南极阿德雷企鹅过去8 0 0 0 年来，南极法尔兹半岛毛皮海豹2 0 世纪以来食谱 营养级变化。结果表明：现代阿德雷企鹅羽毛、骨骼的n 同位素值与历史值存 在着显著的差别，历史时期阿德雷企鹅营养水平较现代要高，同时历史时期同位 素值也存在着明显的变化，气候温暖时期企鹅营养级较高，相对冷期时营养级较 低，现代( 约2 0 0 年前) 阿德雷企鹅较低的营养级源自于其捕食大量磷虾，这可 能主要是由于人类大量的猎杀海豹和捕鲸活动造成了磷虾的相对丰盛，而历史时 期阿德雷企鹅营养级的变化可能主要与受气候、海冰变化影响显著的磷虾种群动 态变化有关；2 0 世纪以来南极法尔兹半岛毛皮海豹的营养级呈显著上升趋势， 对应着此时间段显著变暖的南大洋，而监测数据显示，过去3 0 年来南极半岛附 近海域海冰面积和磷虾种群密度不断减少，与海豹营养级呈显著负相关关系，表 i v 摘要 明不断变暖的南大洋和减弱的海冰密集度极有可能造成了南极磷虾种群密度的 下降，降低了其在毛皮海豹食谱中的比例，导致海豹营养水平不断上升。本研究 表明，南极磷虾的种群动态是阿德雷企鹅和毛皮海豹食谱营养级变化的主要因 素，因此可以通过对阿德雷企鹅和毛皮海豹等k r i l lp r e d a t o r 的长期营养级变化研 究来探讨过去南极磷虾的种群动态及其对气候和环境变化的响应，这对深入理解 历史时期南大洋生态系统变化至关重要。 5 阿德雷企鹅种群生态的环南极对比及其对气候环境变化的响应 对比分析了全新世以来阿德雷企鹅在环南极地区的登陆历史及其种群数量 演变，发现在气候温暖、冰川消退、无冰区出露时期往往伴随的阿德雷企鹅的登 陆，在晚全新世气候适宜时期东南极、南极半岛和罗斯海湾地区阿德雷企鹅种群 数量都处于峰值，而在新冰期和小冰期时段东西南极岛屿企鹅数量均明显下降。 前人的研究表明阿德雷企鹅对南极气候变化的响应机制主要体现在两个方面：气 候变化引起的企鹅繁殖、脱毛和取食地物理环境的改变；气候环境影响下的食物 丰度。综合本文及前人的研究成果和现代阿德雷企鹅种群、气候环境的监测数据 表明：极端冷暖气候均不利于企鹅种群的发展，在气候适宜期时有更多的无冰区 出露供企鹅繁殖、脱毛，适宜期较高海洋生产力也能提供丰富的食物资源，企鹅 种群数量增加：冰期时，企鹅原来的繁殖、脱毛的巢穴可能被陆地冰和积雪覆盖， 失去繁殖的机会，同时冰期时海冰面积增大，企鹅捕食更加困难，企鹅种群数量 减少；近年来南极半岛阿德雷企鹅数量的减少主要是由于气候显著变暖，影响了 其捕食环境( 海冰大面积减少不利于企鹅捕食) 和食物种群丰度( 磷虾种群密度 下降) 。 关键词：南极全新世企鹅海豹种群数量营养级气候变化稳定同位素 v a b s t r a c t a b s t r a c t u n d e r s t a n d i n gt h ep a s ti st h ef o u n d a t i o nf o re v a l u a t et h ep r e s e n ta n dp r e d i c tt h e f u t u r e a st h et o pp r e d a t o r so ft h es o u t h e r no c e a nf o o dw e b s ，a d d l i ep e n g u i na n df u r s e a la r es e n s i t i v et ot h es o u t h e r no c e a ne c o s y s t e mv a r i a b i l i t i e s ，a n dt h u st h e ya r e i n d i c a t o r so ft h es o u t h e r no c e a ns t a t u s l o n g - t e r me c o l o g i c a lc h a n g e so fa d d l i e p e n g u i na n df u rs e a la r eh e l p f u li nu n d e r s t a n d i n gt h e i rr e s p o n s e st o t h ec h a n g i n g m a r i n ee c o s y s t e mi nf u t u r e t od a t em o s to ft h ee c o l o g i c a ls t u d i e so np e n g u i n sa n d s e a l sa r em a i n l yt h r o u g ht h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n dt h er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y ， l o n g - t e r me c o l o g i c a lr e c o r d so fp e n g u i n sa n ds e a l s ，h o w e v e r , a r es c a r c e t h ee c o - g e o l o g yo ft h ea n t a r c t i ci c e f r e ea r e a si sf o c u so nt h ep a s te c o l o g i c a l a n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e si na n t a r c t i c a ，u s i n ga n i m a le x c r e m e n t sa st h en e w i n d i c a t o r s i tc o m b i n e st h ea p p l i c a t i o n so fq u a t e r n a r yg e o l o g y ，e l e m e n t a la n di s o t o p e g e o c h e m i s t r y ，s e d i m e n t o l o g y ，m i n e r a l o g y , g e o t e c t o n i c s ，g e o m o r p h o l o g ya n de c o l o g y ， p a l e o c l i m a t o l o g y ，b i o l o g y ，o r g a n i cc h e m i s t r ya sw e l la sn e wt e c h n o l o g i e st os t u d yt h e m a c r oe c o l o g i c a l ，c l i m a t i ca n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e si na n t a r c t i c af r o mt h em i c r o b i o g e o c h e m i c a lr e c o r d s ，s e al e v e lc h a n g ea n d t h et o p o g r a p h y i nt h ep r e s e n ts t u d y ，w e p e r f o r me c o g e o l o g i c a la n a l y s e so nt h ea d d l i ep e n g u i no m i t h o g e n i cs e d i m e n tc o r e s ( d 0 4a n dz o l 4 ) i nv e s t f o l dh i l l s ，e a s ta n t a r c t i c a , e m p e r o rp e n g u i no m i t h o g e n i c s e d i m e n tc o r e ( p i ) i na m a n d ab a ya n df u rs e a le x c r e m e n ts e d i m e n tc o r e ( h n1 ) i n f i e l d e sp e n i n s u l a , s t u d yt h eh o l o c e n ee c o l o g i c a lc h a n g e so fa d d l i ep e n g u i n sa n df u r s e a l sa n dt h e i rb i o l o g i c a lr e s p o n s e st ot h ep a s tc h a n g e so fc l i m a t ea n de n v i r o n m e n ti n a n t a r c t i c aa n dt h es o u t h e r no c e a n ，a n dt h u st op r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o r u n d e r s t a n d i n gt h ep e n g u i na n ds e a lp e r f o r m a n c ei nt h ec h a n g i n ga n t a r c t i c t h em a i n c o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1i d e n t i f i c a t i o no fi n d i c a t o r so fp e n g u i ng u a n of r o mo r n i t h o g e n i cs e d i m e n t s w ep e r f o r m e de l e m e n t a lc o n c e n t r a t i o na n a l y s e so nt h eo r n i t h o g e n i cs e d i m e n t s d g 4 ，p e n g u i ng u a n oa n db e d r o c kf r o mg a r d n e ri s l a n d ，v e s f f o l dh i l l s ，e x t r a c t e dt h e b i o e l e m e n t so fp e n g u i ng u a n oa sp ，s e ，f ，s ，a s ，c ua n ds r w ec o m p a r e dt h e c o n c e n t r a t i o n so fg u a n o sa n db e d r o c k si nt h i sa r e aa n dt h o s eo fa r d l e yi s l a n da n d f o u n dt h a tpa n ds ea r eo p t i m a li n d i c a t o r so fp e n g u i ng u a n o si nv e s t f o l dh i l l sw h i l e t h o s ei na r d l e yi s l a n da r ef ，pa n ds ，w h i c ha r ed u et ot h ed i f f e r e n tg e o c h e m i c a l b a c k g r o u n d sa n dd i e t a r yc o m p o s i t i o n so fp e n g u i n si na b o v et w oa r e a s 2h o l o c e n ea d 6 1 i ep e n g u i n so c c u p a t i o na n dp o p u l a t i o nd y n a m i c si nv e s t f o l d v i a b s t r a c t i no r d e rt or e c o n s t r u c tt h eo c c u p m i o nh i s t o r yo fa d 6 1 i ep e n g u i ni nv e s t f o l dh i l l s ， w ep e r f o r m e dr a d i o c a r b o nd m i n go nt h ep e n g u i nf o s s i lb o n e sa n df e a t h e r so ft h e o m i t h o g e n i cs e d i m e n tc o r e s ( d g 4 ，z o l 4 ，d m 3a n dr i ) f r o mw e s tc o a s t a li s l a n d si n v e s t f o l dh i l l s t h ec a l i b r a t e d1 4 cd a t e so fp e n g u i nr e m a i n si nt h eb o t t o mo ft h e s e d i m e n tc o r e si n d i c a t et h a ti nv e s t f o l dh i l l s ：a d 6 1 i ep e n g u i no c c u p i e dg a r d n e r i s l a n di n8 5 0 0y e a r sb e f o r ep r e s e n t ，c o r r e s p o n d i n gt oap e r i o do ft h el a n d - i c er e t r e a t ； d u r i n gt h el a t e h o l o c e n ec l i m a t eo p t i m u m ，p e n g u i no c c u p i e dm a g n e t i ci s l a n di n v 2 9 0 0y e a r sb e f o r ep r e s e n ta n da tt h ee n do ft h en e o g l a c i a t i o na r o u n d18 0 0y e a r s b e f o r ep r e s e n t ，a d 6 1 i ep e n g u i no c c u p i e dz o l o t o vi s l a n d w ei n f e r r e dt h ea d 6 1 i e p e n g u i np o p u l a t i o nd y n a m i c sa tg a r d n e ri s l a n do v e rt h ep a s t8 5 0 0y e a r sa n dz o l o t o v i s l a n do v e rt h ep a s t18 0 0y e a r s ，b yu s i n gt h ep e n g u i nb i o - e l e m e n t st oi n d u c et h e r e l a t i v ea b u n d a n c eo fp e n g u i ng u a n oi nt h eb u l ks e d i m e n t sw h i c hc o r r e l a t ew i t ht h e l o c a lp e n g u i np o p u l a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a ta d 6 1 i ep e n g u i n p o p u l a t i o n sg e tt h e i r p e a ki n4 7 0 0 2 4 0 0y e a r sb e f o r ep r e s e n t ，c o r r e s p o n d i n gt ot h el a t e h o l o c e n ec l i m a t e o p t i m u m ；d u r i n gt h e l i t t l ei c ea g e p e r i o da r o u n d3 0 0y e a r sb e f o r ep r e s e n t ，p e n g u i n p o p u l a t i o n sa tz o l o t o vi s l a n ds h o wd r a m a t i cd e c l i n e t h i ss t u d yd e m o n s t r a t et h a tb o t h t h ep e n g u i no c c u p a t i o n sa n d p o p u l a t i o nd y n a m i c s a r es e n s i t i v et ot h ec l i m a t e c h a n g e s 3a p o t e n t i a lr e c o r do fe m p e r o rp e n g u i np o p u l a t i o n si na m a n d ab a y , e a s t a n t a r c t i c a d u r i n gc h i n a r e 一2 4 ( d e c e m b e r2 0 0 7 - m a r c h2 0 0 8 ) ，w ec o l l e c t e da14c ml o n g s e d i m e n tc o r ep if r o mas h a l l o wc a t c h m e n tn e a rt h ee m p e r o rp e n g u i nc o l o n yi n a m a n d ab a y ，e a s ta n t a r c t i c a t h ec o r ec o n s i s t so fd a r ko l i v eg r e ys e d i m e n t s ，f i n e h a i r sa n ds o m eb o n e s ，d i s c h a r g eas t r o n ga n d u n p l e a s a n ts m e l lo fp e n g u i ng u a n o ，a n d i ti si d e n t i f i e da sae m p e r o rp e n g u i no m i t h o g e n i cs e d i m e n t t h ed a t eo fp 1w a s e s t i m a t e da s 一2 4 0y e a rb a s e do n2 1o p ba n d 1 3 7 c sd a t i n go nt h es e d i m e n t s w e a n a l y z e dt h ec o n c e n t r a t i o n so ft c ，t n ，t s ，t h ，p ，h g ，s e ，c u ，z na n dp bi nt h e s e d i m e n t so fp ia n dl o c a lb e d r o c k t c ，t n ，t s ，t h ，p ，h g ，s e ，c ua n dz ns h o w v e r y h i g hc o n c e n t r a t i o nl e v e l si ns e d i m e n t st h a nt h o s ei nb e d r o c k ，a n dt h e yh a v ev e r y s i m i l a rv e r t i c a lp r o f i l e s ，p bh a v ee q u i v a l e n tc o n t e n ti ns e d i m e n t sa n db e d r o c ka n d s h o wo p p o s i t ep a a e r nw i t ht h eo t h e r9e l e m e n t s t h e r e f o r e ，t h eh i g hl e v e lo ft c ，t n ， t s ，t h ，p ，h g ，s e ，c ua n dz ni np ia r ev e r yl i k e l ya s s o c i a t ew i t ht h ep e n g u i ng u a n o i n p u ta n dc o n c e n t r a t i o n si n d i c a t et h er e l a t i v ea b u n d a n c eo fg u a n oi n p u ti nt h eb u l k s e d i m e n t sa n dt h u st h ej u v e n i l e e m p e r o rp e n g u i np o p u l a t i o n s ，a n dt h es i m i l a r v i i a b s t r a c t p o p u l a t i o nd y n a m i c so fo v e r a l le m p e r o rp e n g u i n s t h ei n f e r r e de m p e r o rp e n g u i n p o p u l a t i o n sd e c r e a s ew i t hf l u c t u a t i o n si nt h es t u d yp e r i o d t h i ss t u d yi n d i c a t et h a t b i o g e o c h e m i c a lm e t h o dc a nb eu s e dt oi n f e rt h ep a s te m p e r o rp e n g u i np o p u l a t i o n d y n a m i c si ns p e c i f i ca r e a s 4p a s td i e t a r ya n dt r o p h i cl e v e lc h a n g e so fa d 6 1 i ep e n g u i na n df u rs e a la n dt h e i r e c o l o g i c a li m p l i c a t i o n s a st h ek r i l lp r e d a t o r s ，a d g l i ep e n g u i na n df u rs e a l st r o p h i cl e v e lc h a n g e sa r e t i g h t l ya s s o c i a t e dw i t ht h es o u t h e r no c e a nf o o dw e b sa n dt h u si n d i c a t o r so ft h e s o u t h e r no c e a ne c o s y s t e m s w es t u d yt h et r o p h i cl e v e lc h a n g eo fa d 6 1 i ep e n g u i n s o v e rt h ep a s tn 8 0 0 0y e a r sa n df u rs e a l si nt h e2 0 t hc e n t u r y , b yt h ea n a l y z e so fs t a b l e c a r b o na n dn i t r o g e ni s o t o p e so nt h ep e n g u i na n ds e a lr e m a i n se x t r a c t e df r o ml a k e s e d i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tm o d e mb o n ea n df e a t h e ro fa d 6 1 i ep e n g u i ni n v e s t f o l dh i l l sh a v el o wn i t r o g e ni s o t o p er a t i o sa n dt h u sl o wt r o p h i cl e v e l s ，a n di tw a s d u et oa d 6 1 i ep e n g u i n sd o m i n a n td i e t ：a n t a r c t i ck r i l l ，w h i c hi se x p e c t e dt oi n c r e a s e d u et ot h er e c e n tr e m o v a lo fw h a l ea n ds e a li ns o u t h e r no c e a n a d 6 1 i ep e n g u i n t r o p h i cl e v e l sw e r eh i g h 谢t 1 1f l u c t u a t i o ni nt h ep a s t ( 1 5 0y e a r s ) ，t h e ys h o wr e l a t i v e h i g hl e v e li nw a r r np e r i o da n dl o wi nr e l a t i v ec o l dt i m e ，i tc o u l db ee x p l a i n e db yt h e c l i m a t e r e l a t e di m p a c t so na n t a r c t i ck r i l la n dt h u sp e n g u i nt r o p h i cl e v e l s f o rt h ep a s t - 10 0y e a r s ，f u rs e a l st r o p h i cl e v e ls h o w sar i s i n gt r e n d ，i n d i c a t i n gad e c l i n eo fk r i l l p r o p o r t i o ni ns e a ld i e t sa n dt h u sad e c l i n eo fk r i l ld e n s i t yi nl o c a lo c e a n s o u rr e s u l t s a r ei ne x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t l lt h o s ef r o md i r e c to b s e r v a t i o nf o rt h ep a s t 3 0y e a r s ， a n dt h e ys u g g e s tt h a tt h er e c e n t l yd o c u m e n t e dd e c l i n ei nk r i l lp o p u l a t i o n sb e g a ni n t h ee a r l yp a r t so ft h e2 0 mc e n t u r y t h i ss t u d yi n d i c a t e st h a tl o n g t e r mk r i l lp o p u l a t i o n c h a n g e sc a nb ei n f e r r e df r o ml o n g t e r mv a r i a t i o ni n6 1 5 no fs e a lh a i ra n do t h e r r e m n a n t so fk r i l lp r e d a t o r sw h i c ha r ec r u c i a lf o ru n d e r s t a n d i n gt h ep a s ta n dp r e d i c t i n g t h ef u t u r eo ft h es o u t h e r no c e a ne c o s y s t e m s 5c i r c u m - a n t a r c t i cc o m p a r i s o n so fp e n g u i ne c o l o g i c a lc h a n g e sa n dt h e i r r e s p o n s et ot h ec h a n g e so fc l i m a t ea n de n v i r o n m e n ti na n t a r c t i c a w ec o m p a r e dt h eh o l o c e n ea d 6 1 i ep e n g u i no c c u p a t i o n sa n dp o p u l a t i o nc h a n g e s i nt h ec i r c u m - a n t a r c t i c aa n df o u n dt h a t ：a d 6 1 i ep e n g u i n so c c u p i e dl a n dr i 出a f t e r d e g l a c i a t i o na n dt h ef o r m a t i o no fi c ef r e ea r e a s ；a d 6 1 i ep e n g u i np o p u l a t i o n sg e tt h e i r p e a ki na n t a r c t i cp e n i n s u l a , r o s ss e aa n de a s ta n t a r c t i c ad u r i n gt h el a t e h o l o e e n e c l i m a t eo p t i m u m ，a n dt h ep o p u l a t i o n si ne a s ta n t a r c t i c aa n da n t a r c t i cp e n i n s d a s h o wo b v i o u s l yd e c l i n ed u r i n gt h en e o g l a c i a t i o na n d l i t t l ei c ea g e c l i m a t ea f f e c t a b s t r a c t a d 6 1 i ep o p u l a t i o n sm a i n l yt h r o u g ht w om o d e s ：p r e ya v a i l a b i l i t ya n ds u i t a b i l i t yo f b r e e d i n ga n dm o u l t i n gh a b i t a t s d u r i n gw a r mc l i m a t e s ，i s l a n dw o u l db ee x p o s e d a d e q u a t e l ya n dt h u sp r o v i d em o r es u i t a b l eb r e e d i n ga n dm o u l t i n gs i t e sf o rp e n g u i n s w a r mc l i m a t e sm a ya l s oi n c r e a s em a r i n ep r o d u c t i v i t ya n df o o ds u p p l yt o s u p p o r tt h e g r o w t ho fp e n g u i np o p u l a t i o n s a n dv i c ev e r s a k e yw o r d s ：a n t a r c t i c ；h o l o c e n e ；a d 6 1 i ep e n g u i n ；f u rs e a l ；p o p u l a t i o nd y n a m i c s ； t r o p h i cl e v e l ；c l i m a t ea n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e ；s t a b l ei s o t o p ea n a l y s i s i x 前言 _ i 上_ 一 刖吾 随着社会经济的快速发展和人口的急剧增长，人类活动对气候环境的影响日 益显著，工业革命以来排放的大量二氧化碳在某种程度上加快了全球变暖的步 伐。同时，全球气候环境变化正越来越显著地影响到人类和自然界其他生物的生 存与发展，为应对不断变暖的春天，北半球一些植物选择提前发芽，南极一些海 鸟则推迟产卵以应对不断减少的海冰环境。因此，认识生物圈如何响应和适应气 候环境变化是了解其未来发展趋势的重要依据。 南极大陆和南大洋由于其独特的地理位置被认为是研究气候环境变化与生 物生态响应的理想场所，国际重大全球变化研究计划如国际地图一生物圈计划 ( i g b p ) 、世界气候研究计划( w c r p ) 和全球海洋生态系统动力学研究计划 ( g l o b e c ) 等都将其列为优先研究的核心区域。从1 9 5 7 1 9 5 8 第一次国际极地年 人类开始大规模南极科学考察时起，南极、南大洋的气候环境与生态变化一直是 南极科学研究的重要领域。近年来各国纷纷开展了南极地区长期环境生态变化的 监测与研究计划，如美国国家科学基金会从1 9 9 0 年开始实施的l o n gt e r m e c o l o g i c a lr e s e a r c ha tp a l m e rs t a t i o n m c m u r d od r yv a l l e y s 计划。在这些计划 中，南极磷虾、企鹅和海豹等种群的生态监测及其与气候环境变化之间联系成为 南极生态环境研究的热点。但是到目前为止，大量相关的文献报道仅限于过去几 十年来的年际变化尺度上。 研究历史时期生物生态对气候环境变化的响应是预测未来其种群发展趋势 的重要依据。企鹅、海豹的种群生态与南极、南大洋气候环境变化之间具有紧密 的联系，研究历史时期企鹅、海豹的生态变化有助于更好地认识未来全球变化影 响下的南大洋生态系统中上层生物种群的发展趋势。但是有关南极企鹅、海豹生 态变化的研究一直以野外调查和卫星遥感观测为手段，缺乏其长期的生态变化资 料。最近，导师孙立广教授等( 2 0 0 0 ) ，英国学者h o d g s o n 和j o h n s t o n ( 1 9 9 7 ) 以 及美国学者e m s l i e 和p a t t e r s o n ( 2 0 0 7 ) ，分别利用湖泊沉积物和废弃企鹅巢穴堆 积物中的生物遗存( 粪土沉积物、海豹毛和企鹅蛋壳) 恢复了企鹅、海豹的相对 种群数量记录和企鹅食谱营养级变化记录，研究了企鹅、海豹的生态记录与气候 变化、人类活动之间的联系并指出具有时间序列的生物粪土层、海豹毛和企鹅蛋 壳、残骨和羽毛等是研究历史时期南极生态环境变化的良好载体，这些研究成果 分别在国际著名期刊( ( n a t u r e ) ) 和p n a s 上发表。上述研究为本文提供了重 要的科学依据，即利用生物粪土沉积剖面及其中的生物遗迹来研究历史时期的生 态与环境变化及其对气候和人类活动的响应。 在前人研究工作的基础上，本文以热点区域南极半岛西部法尔兹半岛( 中国 t 刚舌 长城站) ，东南极西福尔丘陵( 澳大利亚戴维斯站) 和阿曼达湾( 中国中山站附近) 为研究区域；综合分析由本实验室成员在中国第十八次、二十二次和二十四次南 极科学考察过程中采集到的多个企鹅、海豹粪土沉积剖面、新鲜生物粪和地质背 景样品；交叉运用元素地球化学，稳定同位素地球化学，生态学，环境科学，全 球变化科学等知识结合a m s l 4 c 和2 1 0 p b 、1 3 7 c s 定年技术和数理统计分析等；在 千年尺度上讨论全新世以来东南极西福尔丘陵地区阿德雷企鹅的登陆，种群数量 演变及食谱营养级变化，在年代际尺度上讨论2 0 世纪西南极法尔兹半岛毛皮海 豹营养级变化及其生态意义，以及过去百年来东南极阿曼达湾帝企鹅种群数量变 化的潜在记录，将企鹅、海豹的古生态记录同南极、南大洋气候环境变化联系起 来，探讨企鹅、海豹对受自然气候和人类捕捞活动影响下的南大洋生态系统和南 极陆地生态系统变化的生态响应并进行初步的集成对比。 本人有幸作为队员参加了2 0 0 7 2 0 0 8 年度中国第二十四南极科学考察，顺利 完成了南极中山站区生态环境演变研究项目的现场执行任务，这与考察站、 队在野外考察中的后勤支撑和队友的无私帮助是分不开的。本研究的顺利成文离 不开导师多年来在学术上的精心指导和生活上的真诚教导，同时还有实验室老 师，师兄弟姐妹的帮助和支持。论文工作先后得到国家自然科学基金重点项目 叫o 4 0 7 3 0 1 0 7 ) 、面上项目( n o 4 0 4 7 6 0 0 1 ) 以及国家科技支撑计划项目 ( 2 0 0 6 b a b l 8 8 0 7 ) 和澳大利亚南极局科技项目( a a d 2 8 7 3 ) 的资助，在此特别感 谢。本研究的部分成果已初步得到国内外同行和专家的认可和好评，如有关阿德 雷企鹅在西福尔丘陵登陆的研究成果在极地科学领域的权威期刊a n t a r c t i c s c i e n c e 上以封面标题文章发表，美国科技媒体v e r t i c a l n e w s 对该成果进行了报 道，称中国大学的发现推进了极地研究的认识f f i n d i n g sf r o mc h i n au n i v e r s i t y a d v a n c ek n o w l e d g ei np o l a rr e s e a r c h ) ；有关该地区8 5 0 0 年以来阿德雷企鹅的种 群动态的研究成果发表在a n t a r c t i cs c i e n c e 上，审稿人认为：这可能是该研究小 组有关企鹅生态历史研究的最好的文章之一( t h i si sp o t e n t i a l l ya m o n g s tt h eb e s t p a p e r sp u b l i s h e do np e n g u i nh i s t o r yb yt h i sr e s e a r c hg r o u p ) 。 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得 的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发 表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：签字日期： 坦2 11 ： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大 学拥有学位