气候变化对水生生物区系,生态系统结构和功能的影响

气候变化将引起水生生物地球化学过程(包括碳动力变化)、水生食物网结构、动态和生物多样性以及初级和次级生产力的显著变化,影响水生哺乳动物和水禽的分布范围、分布型、栖息地质量和数量。未来永久冻土融化的增加将使营养物、沉积物和水生系统的碳负荷增加,对淡水的化学成分产生正负作用。营养物和碳富集将促进营养物循环和生产力提高,改变含碳痕量气体的形成和消耗。因此,作为碳汇或源的水生生态系统的状态将发生改变。气候变化对北极大部分地区淡水生态系统的生物多样性也具有显著影响,影响和响应的大小、程度和持续时间将随系统和位点而异。对水生哺乳动物和水禽的影响包括迁徙路径和时间改变,由于疾病和寄生虫感染而可能使死亡率升高、生长和生产力下降,以及或许发生栖息地适合性和可获得时间变化。

气候变化对北极淡水生态系统的水文生态学影响

北极淡水-陆地系统变暖的速度通常大于全球平均速度,特别是在秋季和冬季。许多低温层组分的减少或消失,以及从多雪到多雨气候类型的转变将对淡水生态系统产生多种影响,其中最显著的是春汛优势地位的下降和河冰融解强度的变化。无冰期的延长、气温和水温的升高、高蒸腾植物的增加,以及永久冻土融化引起的渗透性增加将使植物蒸腾作用或土壤水分蒸发蒸腾损失总量增加,从而造成地表水位和面积下降。冰盖和永久冻土的减少、水温升高和植被类型变化对水化学的影响通常是使激流和静水群落生产力增加。冰盖和淡水流量或水位的变化导致北极圈动物栖息地可获得性和质量的某些方面的变化。

气候变化对北极淡水生态系统及渔业的影响:北极气候影响评估(ACIA)的背景,基本原理及做法

北极的气候变化和紫外辐射水平的变化将具有深远的影响,会影响各营养级的水生物种、构成其生境的物理和化学环境以及作用于淡水生态系统和其内部的过程。诸如温度和降水之类的气候变量与淡水生态系统的相互作用高度复杂并能够以难以预测的方式在生态系统中蔓延。这部分是由于对北极淡水生态系统及其与气候和其他环境变量的相互关系缺乏了解,同时也由于北极地区缺乏长期的淡水监测点和综合的水文—生态学研究计划。本专刊中的文章是25名国际专家和他们各自的网络关于北极淡水水文学和相关的水生生态系统进行的分析的摘要,该摘要最初在2005年作为北极气候影响评估(ACIA)的"第8章——淡水生态系统和渔业"发表。这些文章广泛地概述了北极各种淡水系统的一般水文学和生态学特征,包括对每一个ACIA地区的描述,后面回顾了全新世期间淡水系统的历史变化。接着是气候变化对大尺度水文生态学、水生生物和生态系统结构和功能,以及北极鱼类和渔业影响的评估。还讨论了潜在的增效效应和累积效应以及紫外辐射和污染物的作用。文章利用环北极地区的案例研究结果说明了许多影响的性质和复杂性,以及重要的临界响应(即:那些产生分阶段影响和/或非线性影响的响应)。本期最后总结了关键的发现,并列举了科学认识方面的空白,以及与政策有关的建议。

与气候变化相关的北极淡水生态系统的一般特征

在北极附近存在的两大类淡水生态系统,即:激流(流水;如:河流、溪流、三角洲及河口)和死水(静水;如湖泊、池塘及湿地)生态系统,它们在大小、丰度及生物群方面存在着巨大的差异。北极的气候,其许多的组分沿纬度梯度呈现出强烈的变化,直接影响这些水生系统中的各种物理、化学及生物学过程。此外,北极气候通过控制陆地水文系统和过程,特别是那些与诸如永久冻土、淡水冰和雪聚积/融化等低温层组分有关的,而产生其它间接的生态影响。北极淡水系统的生态结构和功能也受外部过程和条件的控制,特别是在主要北极河流源头和毗邻海洋环境中的那些。物理、化学及生物组分穿过互连的死水和激流淡水生态系统的运动是北极淡水生态的主要决定因素。

北极淡水生态系统的历史变化

各类基于生态系统的气候替代数据一直用于评估北极过去的变化。虽然由于河流物质的持续性重新建构使流水生态系统的记录相对缺乏,但可通过高质量静水生态系统数据的组合,回溯到环北极地区的更新世末期和冰川消失时期。总之,可以部分地归因于冰川覆盖收缩效应的变化引起的全新世的气候变化,使北极的水文和淡水生态系统产生了重要的时空变化。特别值得注意的是,在长期的润湿时期,北部泥炭地得到了大规模扩展。较近期的湖泊生物区和沉积学数据揭示了在过去1～2个世纪期间出现的一般性气候变暖趋势,并且表明了淡水特征,譬如冰盖持续时间和热量层化的主要变化。这些数据为预测和量测气候变化对未来的影响提供了一个极好的依据基线。

紫外线辐射和污染相关胁迫因子对北极淡水生态系统的影响

气候变化很可能作为一种多重胁迫因子,对水生生态系统造成累积的和/或协同的影响。预测的温度上升以及由此带来的降水季节性特征的改变将会增加污染物流入水生生态系统的量,并且会独自提高水生生物体对污染物暴露和影响的易感性。对生物区系造成的结果在多数情况下是加和的(累积的)或倍增的(协同的),其总的结果必然是污染物负荷加重,生物放大作用(指有毒化学物质在食物链各环节中的毒性渐进)加强。同温层中臭氧和紫外线辐射季节性特征的变化也会对水生生态系统的结构和功能产生累加或协同的影响。与预测的同温层臭氧量减少这一原因相比,冰层覆盖度的降低可能对水下紫外线暴露产生更为重大的影响。紫外线辐射水平的大幅升高会导致对生物体的损伤增强(生物分子学、细胞学和生理学上的损害,以及物种组成的变化),而生物区系分配用于抵抗紫外线伤害的能量和资源也会增加,有可能使营养水平上的生产力降低。通过光化学途径,元素的通量将会增加。

关键发现及科学认识的空白和政策建议

引言 总的来讲，北极地区气候和紫外辐射的变化将会产生深远的影响，其影响主要作用于不同营养级的水生物种，作为水生生物生境的自然环境及其化学性质，对水生生态系统起作用的进程和水生生态系统自身的进程。气候变量，例如气温和降水，与淡水生态系统的交互作用非常复杂，而且这种作用可以通过生态系统以某些不易察觉的方式扩散。系统的复杂性使准确预测气候和紫外辐射变化对淡水系统的影响增加了难度，尤其是那些跳跃式或非线形的临界反应，更难把握。由于缺乏对北极淡水系统与气候及其他环境变量之间的相互影响关系的了解，加上北极地区非常稀少的长期淡水监测站点和综合水文生态研究项目，我们的预测能力受到进一步的限制。