全新世南极长城站无冰区生态环境演变及对比研究

全新世南极长城站无冰区生态环境演变及对比研究课题性质:课题着重研究南极长城站周围无冰区海鸟、海兽生态历史纪录和生态环境演变过程。课题关键依靠国家自然科学基金关键项目《全新世南极南海经典岛屿对全球改变生态响应与对比》（责任人:孙立广教授;同意号:40730107）和国家自然科学基金面上项目《南极半岛紫外辐射(UVR)改变湖泊沉积统计及生态效应》（责任人:刘晓东博士;同意号:40876096）。考察区域:南极长城站所在队次:中国第26次南极科学考察申报单位:中国科学技术大学极地环境研究室;中国科技大学－国家海洋局极地办极地生态地质联合试验室项目责任人:孙立广教授现场实施人:姜珊中国科学技术大学考察类型:度夏1.课题历史背景、目和意义人类对南极认识只有两百多年历史,对南极湖泊调查始于第四纪时期,南极冰盖曾数次扩展和收缩,最新一次较大扩展和退缩过程显然是与全球范围晚更新世末次冰期冰川扩展及全新世气候转暖,冰川退缩相对应。环南极非冰川覆盖区是伴随气候转暖,冰川后退而出现,其间发育湖泊堆积地层有可能完整地统计着全新世以来冰川进退和环境演变过程。企鹅、海豹等海洋生物在极地无冰区活动历史与冰盖进退、气候改变、海平面升降、海洋生产力大小存在着响应关系,探讨它们之间相互关系将有利于深入认识全球改变生态响应,并为评定和估计气候改变对南极生态系统影响提供充足科学依据。在过去几年,孙立广教授负责课题组围绕生态环境全球改变区域响应这一关键问题,以南极地域湖泊沉积物为过去环境信息统计载体,应用元素和同位素地球化学、沉积学、冰川学、结构地质学和古生态学、生物地球化学方法、数理统计方法和现代技术方法等,反演了全新世南北极自然环境改变、海鸟和海豹等海洋生物生态演变及其与全球改变关系,取得了有特色研究结果,有力地推进了极地无冰区生态地质学形成和发展。为了愈加好地了解其生态环境演化对全球改变地响应,完善极地无冰区生态地质学这个全新研究领域理论体系,就需要对南极无冰区生态地质学进行多方向关键考察和研究。近30年来,因为臭氧层破坏造成抵达地表紫外辐射增强以及南极臭氧空洞出现引发了大家广泛关注,大家迫切想要知道这些现象深入发展到底会对人类存在造成什么样影响。可是有限观察资料限制了我们发挥,为了愈加好估计未来地球表面紫外环境改变以及生态系统响应过程,科学家开始尝试着去恢复历史时期地球表面紫外辐射改变。极地地域因为其特殊地理大气情况,其水生生态系统对紫外辐射强度改变响应尤其敏感。一定强度紫外线对生物正常生理活动是有主动意义,但高强度紫外线则会对生物带来多种危害。紫外线辐射（UVR）增加除了对生活在湖泊中生物个体造成直接损害外,还将造成湖泊生态系统组成、种群结构和生态功效发生改变,这种生态改变最终必将影响全球气候改变。在全球变暖大环境下,南极冰雪覆盖面积会降低,会深入加剧UVR对湖泊生态系统影响,为了愈加好地了解和评定UVR对南极湖泊生态系统潜在影响,我们就有必需寻求更长时间尺度UVR强度改变历史统计。在之前对色素研究及其文件调研过程中,我们发觉:保留在藻类（尤其是蓝绿藻）中一些特定UV屏蔽色素能够用来指示紫外线强度改变。它们对外界紫外辐射有很好响应机制,以保护藻类细胞免受紫外辐射伤害。在外界紫外辐射增强情况下,这些色素含量显著增加,且一旦合成就可长久稳定存在。上述研究将有利于我们全方面了解历史时期南极生态系统对紫外辐射增强响应,从而为在全球变暖背景下客观评定紫外辐射增强对南极生态系统可能影响提供科学资料,深入促进UV气候学和生态地质学发展。本项目选择南极半岛长城站无冰区作为经典地域进行研究,应用生态地质学基础方法,用微观生物地球化学统计去探索宏观生态、气候与环境改变专题,并在全方位对比研究基础上,包含南极半岛沿经线剖面对比,环南极无冰区纬向上对比,在南北极和高、低纬地域进行全球对比,与冰芯、海洋沉积物、湖泊沉积物等环境载体古气候统计进行对比,在更大地域范围内探讨企鹅、海豹数量、聚居地、食谱改变与气候、环境和人类文明历史之间关系,恢复历史时期UVR改变,建立孤岛生态系统形成与演化模型;区分生态系统形成过程中自然原因和近现代人为原因。此次野外考察是在前期研究基础上,实施国家自然基金关键项目《全新世南极南海经典岛屿对全球改变生态响应与对比》和面上项目《南极半岛紫外辐射(UVR)改变湖泊沉积统计及生态效应》野外考察采样计划。项目将以长城站作为考察基地,在野外现场考察无冰区生态环境基础上,找到未受扰动生物粪土沉积剖面,采集海鸟海兽残骨、蛋壳、毛发和湖藻等生物样品,采集经典湖泊沉积柱样,以此作为环境改变研究载体,利用多种替换性地球化学指标,解读粪土层和湖泊沉积剖面中气候环境信息,恢复南极UVR改变历史;经过同位素和分子生物学方法,探讨历史时期企鹅、海豹粪土沉积层中DNA改变历史和食谱演化过程,从而查明南极企鹅和海豹生态演变对自然过程和人类活动响应关系,揭示历史时期南极企鹅和海豹营养情况及其与气候改变之间联络。2.考察内容:2.1关键研究内容（1）南极紫外辐射（UVR）改变湖泊沉积统计。以南极经典湖泊沉积剖面作为环境统计载体,利用多学科交叉研究方法,恢复历史时期南极地域紫外辐射（UVR）、整个光强度（UVR+PAR）改变以及湖泊初级生产力演化统计,探讨影响它们改变关键原因,并开展东、西南极地域UVR改变及其湖泊生态效应对比研究,并和我们先前得到南极企鹅数量改变曲线进行比较,探讨南极光强度改变对企鹅生态可能影响。（2）气候改变和人类活动对南极生态环境影响。经过野外考察,选择多个经典粪土层剖面和集水区沉积剖面进行关键采样。在室内,经过多个替换性指标方法,半定量分析中晚全新世以来长城站区古气候演变,探讨人类活动对南极生态环境影响,区分自然过程和人类活动对南极生态系统演化过程影响。（3）古企鹅粪土层分子生物学研究。在野外现场考察基础上,在阿德雷岛和巴登半岛寻求挖掘废弃企鹅巢穴及其中粪土层、生物残体等,和香港城市大学合作,利用分子生物学技术,在合适试验条件下,提纯企鹅粪中DNA分别利用多聚酶链式反应（PCR）技术和电泳技术来扩增和分离DNA片段,再经过测定特定DNA片断中碱基序列,结合年代学,建立企鹅DNA改变时间序列,以此作为生态环境改变研究载体,研究企鹅巢变动历史、食谱组成及其与气候环境改变关系,从而能够经过分子—生物—环境之间相互作用来恢复历史时期环境演变过程。（4）此次考察将在前期研究工作基础上,对长城站区阿德雷企鹅岛和生物湾土壤N2O、CH4、CO2、PH3等生源气体通量进行多地点观察,取得这些气体浓度与土壤通量时空改变规律及其影响原因;合理评定该地域夏季温室气体排放量,查明影响南极土壤N2O、CH4、CO2、PH3等生源气体通量产生过程、关键控制因子和鸟粪土PH3产生机理。2.2考察内容依据课题研究内容,此次考察关键是寻求长城站区周围无冰区未受扰动生物粪土层和积水区沉积剖面,并采集沉积剖面柱样和（或）分层剥离沉积物样;作为生态环境演化过程对比研究,广泛采集考察区域海鸟、海兽等动物粪便、遗体和遗址以及植物、土壤、岩石样品;同时采集气体样品。具体内容以下:（1）企鹅粪土沉积剖面采集对分布在阿德雷岛现代企鹅生态进行具体考察,在现代企鹅巢区周围高地上寻求废弃古企鹅巢穴,采集其中粪土层、残骨等样品。（2）海豹粪土沉积层采集在法尔兹半岛现代海豹聚居地,调查现代海豹生态学特征,采集研究区新鲜海豹粪、岩石和土壤样品;采集法尔玆半岛西北海岸古海岸阶地上含海豹毛海豹粪土沉积剖面样品。（3）长城站积水区沉积物和同伴合作,采集长城站周围经典湖泊或积水区湖泊沉积柱3-4根,长度1m左右,同时采集湖泊生物和湖水样品。（4）生物样品采集在长城站区采集不一样生物如企鹅、海豹、贼鸥、海燕等粪便、羽毛、遗体;采集经典植被区苔藓、地衣样品及其下伏土壤样品。（5）气体样品采集CH4、N2O通量观察:以长城站为基地,采取观察,采样等手段,在站区及毗邻地域建立观察点,选择四个区域进行系统土壤CH4、N2O通量观察:一般苔原土壤观察区、阿德雷岛苔原鸟粪土观察区、西海岸海豹粪土观察区和贼鸥粪土观察区;土壤样品采集:依据通量观察点周围土壤分布情况挖取土壤剖面,采集不一样深度土壤样品,冷冻保留。采取日本生产细不锈钢管连三通阀采样器（已由中科院南极土壤所提供）,采集土壤不一样深度气体样品,转移至真空瓶中,分析CH4、N2O浓度与氮、氧同位素组成随土壤深度改变规律。大气样品采集:在苔原与高地各选择一大气样品采样点,天天定时（下午2:00～3:00）用真空瓶在2m高度上迎风采集近地面气体样品;依据其它不一样区域环境特征（包含科考站区、企鹅与海豹聚集区、海洋潮间带、冰盖区等）,用一样方法采集近地面气体样品。2.3方法和手段:（1）生物粪土采集在现代和废弃海鸟海兽巢穴区,寻求古生物粪土沉积层,生物粪土通常为黑色粘土,有难闻刺激气味,并含有大量羽毛和毛发。确立采样点后,用直径12cmPVC管插至沉积层底部,采集2管平行样;开挖槽形垂直剖面至沉积物基底,拍照并测量剖面深度标明岩性并描绘剖面图,自上而下以0.5厘米间隔采样,并在野外现场分离出足够多海豹毛样品。对感觉非常有价值剖面,现场需要挖坑,过筛找出足够残骨,供海鸟海兽食谱分析。（2）废弃企鹅巢穴挖掘:确定巢穴位置后,挖掘1X1平方米浅坑,每5厘米深度检测一次,直到基岩或含粪层终止处。将挖出沉积物依次过（3）在长城站地域选择若干个经典积水区进行沉积物采样,在湖中心,借助橡皮艇平台,利用Beeker型号沉积物采样器或PVC管采集。采集湖泊沉积原装样品,可采集最大深度达成1.5米左右,同时也可利用站上重力采样器采集湖心表层沉积样品。（4）采集研究区多个湖泊湖水、表层沉积物、和湖藻等环境介质样品,分析研究湖泊中溶解有机碳（DOC）含量、盐度和湖泊深度,搜集研究区环境地球化学背景资料。（5）考察并采集不一样生物种属生物残骨和粪便样品,如在野外考察过程中,若发觉动物残骨（如海鸟腿骨、脊椎骨、翅膀骨、头骨等）和新鲜粪便,随时搜集,并统计采样时间、地点、天气情况及可能出现动物种属,动物残骨样品在室内通风处晾干,编上号,装入牛皮纸袋内;动物粪便样品用玻璃瓶装后密封。（6）气体样品采集方法:在长城站区后山顶裸露苔原,设A、B两个观察点（其中B点施加约150g新鲜企鹅粪）;另外,在低地苔原积雪覆盖区设4个观察点（S1,S2,S3,S4）:用不锈钢管连三通阀采样器采集不一样深度雪层大气样品,用于积雪覆盖区苔原温室气体源汇研究;在阿德雷岛企鹅聚集区边缘选择肥沃鸟成土,设A、B两个观察点,同时采气;在海豹滩选择肥沃海豹粪土,设两个平行观察点A、B,同时采气;可在长城站生活栋前贼鸥聚集地选择贼鸥粪土,设两个平行观察点A、B,同时采气。采取通用密闭箱法进行通量测定:密闭箱罩在选择土壤观察点上,四面严格密封,一个采样组合为1h,再将1h分成0,20,40,60min,用日本生产真空瓶经过两通针定时采集箱内气体,同时统计箱内气温。在每一个通量采样组合结束时,另取两个平行气体样品于100ml钢瓶内用于测定N2O中氮、氧同位素组成。3.工作计划:抵达长城站之日起,4日开始采样:（1）具体需要视现场情况及天气而定。（2）在最好天气情况下,乘坐橡皮艇在湖心和近海用重力采样器采集沉积样品。重力采样器采集样品可直接分割装袋。分样时尽可能在暗室或光线较弱地方进行,避免光照过强使色素分解过快。分好样品外要用黑色塑料袋包裹。（3）在考察期间,随时都要注意粪土层和生物样品采集。（4）阿德雷岛企鹅巢穴寻求和挖掘（徒步）。（5）一般苔原土壤观察区每3天观察气体一次,观察时间:早晨10时;其它土壤观察区每6天观察一次,观察时间:早晨10时;并选择很好天气在苔原观察