全新世南極長城站無冰區生態環境演變及對比研究課題性質:課題著重研究南極長城站周圍無冰區海鳥、海獸生態歷史紀錄和生態環境演變過程。課題關鍵依靠國家自然科學基金關鍵項目《全新世南極南海經典島嶼對全球改變生態響應與對比》（責任人:孫立廣教授;同意號:40730107）和國家自然科學基金面上項目《南極半島紫外輻射(UVR)改變湖泊沉積統計及生態效應》（責任人:劉曉東博士;同意號:40876096）。考察區域:南極長城站所在隊次:中國第26次南極科學考察申報單位:中國科學技術大學極地環境研究室;中國科技大學－國家海洋局極地辦極地生態地質聯合試驗室項目責任人:孫立廣教授現場實施人:姜珊中國科學技術大學考察類型:度夏1.課題歷史背景、目和意義人類對南極認識只有兩百多年歷史,對南極湖泊調查始于第四紀時期,南極冰蓋曾數次擴展和收縮,最新一次較大擴展和退縮過程顯然是與全球范圍晚更新世末次冰期冰川擴展及全新世氣候轉暖,冰川退縮相對應。環南極非冰川覆蓋區是伴隨氣候轉暖,冰川后退而出現,其間發育湖泊堆積地層有可能完整地統計著全新世以來冰川進退和環境演變過程。企鵝、海豹等海洋生物在極地無冰區活動歷史與冰蓋進退、氣候改變、海平面升降、海洋生產力大小存在著響應關系,探討它們之間相互關系將有利于深入認識全球改變生態響應,并為評定和估計氣候改變對南極生態系統影響提供充足科學依據。在過去幾年,孫立廣教授負責課題組圍繞生態環境全球改變區域響應這一關鍵問題,以南極地域湖泊沉積物為過去環境信息統計載體,應用元素和同位素地球化學、沉積學、冰川學、結構地質學和古生態學、生物地球化學方法、數理統計方法和現代技術方法等,反演了全新世南北極自然環境改變、海鳥和海豹等海洋生物生態演變及其與全球改變關系,取得了有特色研究結果,有力地推進了極地無冰區生態地質學形成和發展。為了愈加好地了解其生態環境演化對全球改變地響應,完善極地無冰區生態地質學這個全新研究領域理論體系,就需要對南極無冰區生態地質學進行多方向關鍵考察和研究。近30年來,因為臭氧層破壞造成抵達地表紫外輻射增強以及南極臭氧空洞出現引發了大家廣泛關注,大家迫切想要知道這些現象深入發展到底會對人類存在造成什么樣影響。可是有限觀察資料限制了我們發揮,為了愈加好估計未來地球表面紫外環境改變以及生態系統響應過程,科學家開始嘗試著去恢復歷史時期地球表面紫外輻射改變。極地地域因為其特殊地理大氣情況,其水生生態系統對紫外輻射強度改變響應尤其敏感。一定強度紫外線對生物正常生理活動是有主動意義,但高強度紫外線則會對生物帶來多種危害。紫外線輻射（UVR）增加除了對生活在湖泊中生物個體造成直接損害外,還將造成湖泊生態系統組成、種群結構和生態功效發生改變,這種生態改變最終必將影響全球氣候改變。在全球變暖大環境下,南極冰雪覆蓋面積會降低,會深入加劇UVR對湖泊生態系統影響,為了愈加好地了解和評定UVR對南極湖泊生態系統潛在影響,我們就有必需尋求更長時間尺度UVR強度改變歷史統計。在之前對色素研究及其文件調研過程中,我們發覺:保留在藻類（尤其是藍綠藻）中一些特定UV屏蔽色素能夠用來指示紫外線強度改變。它們對外界紫外輻射有很好響應機制,以保護藻類細胞免受紫外輻射傷害。在外界紫外輻射增強情況下,這些色素含量顯著增加,且一旦合成就可長久穩定存在。上述研究將有利于我們全方面了解歷史時期南極生態系統對紫外輻射增強響應,從而為在全球變暖背景下客觀評定紫外輻射增強對南極生態系統可能影響提供科學資料,深入促進UV氣候學和生態地質學發展。本項目選擇南極半島長城站無冰區作為經典地域進行研究,應用生態地質學基礎方法,用微觀生物地球化學統計去探索宏觀生態、氣候與環境改變專題,并在全方位對比研究基礎上,包含南極半島沿經線剖面對比,環南極無冰區緯向上對比,在南北極和高、低緯地域進行全球對比,與冰芯、海洋沉積物、湖泊沉積物等環境載體古氣候統計進行對比,在更大地域范圍內探討企鵝、海豹數量、聚居地、食譜改變與氣候、環境和人類文明歷史之間關系,恢復歷史時期UVR改變,建立孤島生態系統形成與演化模型;區分生態系統形成過程中自然原因和近現代人為原因。此次野外考察是在前期研究基礎上,實施國家自然基金關鍵項目《全新世南極南海經典島嶼對全球改變生態響應與對比》和面上項目《南極半島紫外輻射(UVR)改變湖泊沉積統計及生態效應》野外考察采樣計劃。項目將以長城站作為考察基地,在野外現場考察無冰區生態環境基礎上,找到未受擾動生物糞土沉積剖面,采集海鳥海獸殘骨、蛋殼、毛發和湖藻等生物樣品,采集經典湖泊沉積柱樣,以此作為環境改變研究載體,利用多種替換性地球化學指標,解讀糞土層和湖泊沉積剖面中氣候環境信息,恢復南極UVR改變歷史;經過同位素和分子生物學方法,探討歷史時期企鵝、海豹糞土沉積層中DNA改變歷史和食譜演化過程,從而查明南極企鵝和海豹生態演變對自然過程和人類活動響應關系,揭示歷史時期南極企鵝和海豹營養情況及其與氣候改變之間聯絡。2.考察內容:2.1關鍵研究內容（1）南極紫外輻射（UVR）改變湖泊沉積統計。以南極經典湖泊沉積剖面作為環境統計載體,利用多學科交叉研究方法,恢復歷史時期南極地域紫外輻射（UVR）、整個光強度（UVR+PAR）改變以及湖泊初級生產力演化統計,探討影響它們改變關鍵原因,并開展東、西南極地域UVR改變及其湖泊生態效應對比研究,并和我們先前得到南極企鵝數量改變曲線進行比較,探討南極光強度改變對企鵝生態可能影響。（2）氣候改變和人類活動對南極生態環境影響。經過野外考察,選擇多個經典糞土層剖面和集水區沉積剖面進行關鍵采樣。在室內,經過多個替換性指標方法,半定量分析中晚全新世以來長城站區古氣候演變,探討人類活動對南極生態環境影響,區分自然過程和人類活動對南極生態系統演化過程影響。（3）古企鵝糞土層分子生物學研究。在野外現場考察基礎上,在阿德雷島和巴登半島尋求挖掘廢棄企鵝巢穴及其中糞土層、生物殘體等,和香港城市大學合作,利用分子生物學技術,在合適試驗條件下,提純企鵝糞中DNA分別利用多聚酶鏈式反應（PCR）技術和電泳技術來擴增和分離DNA片段,再經過測定特定DNA片斷中堿基序列,結合年代學,建立企鵝DNA改變時間序列,以此作為生態環境改變研究載體,研究企鵝巢變動歷史、食譜組成及其與氣候環境改變關系,從而能夠經過分子—生物—環境之間相互作用來恢復歷史時期環境演變過程。（4）此次考察將在前期研究工作基礎上,對長城站區阿德雷企鵝島和生物灣土壤N2O、CH4、CO2、PH3等生源氣體通量進行多地點觀察,取得這些氣體濃度與土壤通量時空改變規律及其影響原因;合理評定該地域夏季溫室氣體排放量,查明影響南極土壤N2O、CH4、CO2、PH3等生源氣體通量產生過程、關鍵控制因子和鳥糞土PH3產生機理。2.2考察內容依據課題研究內容,此次考察關鍵是尋求長城站區周圍無冰區未受擾動生物糞土層和積水區沉積剖面,并采集沉積剖面柱樣和（或）分層剝離沉積物樣;作為生態環境演化過程對比研究,廣泛采集考察區域海鳥、海獸等動物糞便、遺體和遺址以及植物、土壤、巖石樣品;同時采集氣體樣品。具體內容以下:（1）企鵝糞土沉積剖面采集對分布在阿德雷島現代企鵝生態進行具體考察,在現代企鵝巢區周圍高地上尋求廢棄古企鵝巢穴,采集其中糞土層、殘骨等樣品。（2）海豹糞土沉積層采集在法爾茲半島現代海豹聚居地,調查現代海豹生態學特征,采集研究區新鮮海豹糞、巖石和土壤樣品;采集法爾玆半島西北海岸古海岸階地上含海豹毛海豹糞土沉積剖面樣品。（3）長城站積水區沉積物和同伴合作,采集長城站周圍經典湖泊或積水區湖泊沉積柱3-4根,長度1m左右,同時采集湖泊生物和湖水樣品。（4）生物樣品采集在長城站區采集不一樣生物如企鵝、海豹、賊鷗、海燕等糞便、羽毛、遺體;采集經典植被區苔蘚、地衣樣品及其下伏土壤樣品。（5）氣體樣品采集CH4、N2O通量觀察:以長城站為基地,采取觀察,采樣等手段,在站區及毗鄰地域建立觀察點,選擇四個區域進行系統土壤CH4、N2O通量觀察:一般苔原土壤觀察區、阿德雷島苔原鳥糞土觀察區、西海岸海豹糞土觀察區和賊鷗糞土觀察區;土壤樣品采集:依據通量觀察點周圍土壤分布情況挖取土壤剖面,采集不一樣深度土壤樣品,冷凍保留。采取日本生產細不銹鋼管連三通閥采樣器（已由中科院南極土壤所提供）,采集土壤不一樣深度氣體樣品,轉移至真空瓶中,分析CH4、N2O濃度與氮、氧同位素組成隨土壤深度改變規律。大氣樣品采集:在苔原與高地各選擇一大氣樣品采樣點,天天定時（下午2:00～3:00）用真空瓶在2m高度上迎風采集近地面氣體樣品;依據其它不一樣區域環境特征（包含科考站區、企鵝與海豹聚集區、海洋潮間帶、冰蓋區等）,用一樣方法采集近地面氣體樣品。2.3方法和手段:（1）生物糞土采集在現代和廢棄海鳥海獸巢穴區,尋求古生物糞土沉積層,生物糞土通常為黑色粘土,有難聞刺激氣味,并含有大量羽毛和毛發。確立采樣點后,用直徑12cmPVC管插至沉積層底部,采集2管平行樣;開挖槽形垂直剖面至沉積物基底,拍照并測量剖面深度標明巖性并描繪剖面圖,自上而下以0.5厘米間隔采樣,并在野外現場分離出足夠多海豹毛樣品。對感覺非常有價值剖面,現場需要挖坑,過篩找出足夠殘骨,供海鳥海獸食譜分析。（2）廢棄企鵝巢穴挖掘:確定巢穴位置后,挖掘1X1平方米淺坑,每5厘米深度檢測一次,直到基巖或含糞層終止處。將挖出沉積物依次過（3）在長城站地域選擇若干個經典積水區進行沉積物采樣,在湖中心,借助橡皮艇平臺,利用Beeker型號沉積物采樣器或PVC管采集。采集湖泊沉積原裝樣品,可采集最大深度達成1.5米左右,同時也可利用站上重力采樣器采集湖心表層沉積樣品。（4）采集研究區多個湖泊湖水、表層沉積物、和湖藻等環境介質樣品,分析研究湖泊中溶解有機碳（DOC）含量、鹽度和湖泊深度,搜集研究區環境地球化學背景資料。（5）考察并采集不一樣生物種屬生物殘骨和糞便樣品,如在野外考察過程中,若發覺動物殘骨（如海鳥腿骨、脊椎骨、翅膀骨、頭骨等）和新鮮糞便,隨時搜集,并統計采樣時間、地點、天氣情況及可能出現動物種屬,動物殘骨樣品在室內通風處晾干,編上號,裝入牛皮紙袋內;動物糞便樣品用玻璃瓶裝后密封。（6）氣體樣品采集方法:在長城站區后山頂裸露苔原,設A、B兩個觀察點（其中B點施加約150g新鮮企鵝糞）;另外,在低地苔原積雪覆蓋區設4個觀察點（S1,S2,S3,S4）:用不銹鋼管連三通閥采樣器采集不一樣深度雪層大氣樣品,用于積雪覆蓋區苔原溫室氣體源匯研究;在阿德雷島企鵝聚集區邊緣選擇肥沃鳥成土,設A、B兩個觀察點,同時采氣;在海豹灘選擇肥沃海豹糞土,設兩個平行觀察點A、B,同時采氣;可在長城站生活棟前賊鷗聚集地選擇賊鷗糞土,設兩個平行觀察點A、B,同時采氣。采取通用密閉箱法進行通量測定:密閉箱罩在選擇土壤觀察點上,四面嚴格密封,一個采樣組合為1h,再將1h分成0,20,40,60min,用日本生產真空瓶經過兩通針定時采集箱內氣體,同時統計箱內氣溫。在每一個通量采樣組合結束時,另取兩個平行氣體樣品于100ml鋼瓶內用于測定N2O中氮、氧同位素組成。3.工作計劃:抵達長城站之日起,4日開始采樣:（1）具體需要視現場情況及天氣而定。（2）在最好天氣情況下,乘坐橡皮艇在湖心和近海用重力采樣器采集沉積樣品。重力采樣器采集樣品可直接分割裝袋。分樣時盡可能在暗室或光線較弱地方進行,避免光照過強使色素分解過快。分好樣品外要用黑色塑料袋包裹。（3）在考察期間,隨時都要注意糞土層和生物樣品采集。（4）阿德雷島企鵝巢穴尋求和挖掘（徒步）。（5）一般苔原土壤觀察區每3天觀察氣體一次,觀察時間:早晨10時;其它土壤觀察區每6天觀察一次,觀察時間:早晨10時;并選擇很好天氣在苔原觀察