综述：人类世期间湖泊生态系统的异步突变

湖泊沉积物记录显示，自工业革命以来全球湖泊突发性生态变化频率增加，呈现19世纪初期起始、1850-1980年多峰值分布特征。北极湖泊突变早于温带和山地湖泊，主要受加速 warming 和生态敏感性的影响；后者突变与人类压力（如污染物传输）显著相关。欧北美湖泊突变早于亚洲约10年，中世纪20世纪变化加剧与人类活动加速同步，揭示了气候变化与人类活动协同驱动下的生态系统非线性响应，为人类世生态研究提供新视角。

吴定贵|夏天|赵庆峰|孙一斌|宋娜|李曼|何天辰

中国南京，河海大学海洋学院，210024

摘要

湖泊沉积物中保存的成分变化为过去湖泊生态系统受到的外部干扰提供了有力的证据。本研究综合了来自全球湖泊的215个古湖沼学案例研究，以探讨自工业革命以来湖泊突然变化的响应动态和驱动因素。我们的研究结果显示，从19世纪初开始，湖泊突然变化的频率在全球范围内增加，特别是在19世纪50年代、20世纪00年代、50年代和80年代达到了峰值。北极湖泊的突然变化发生得比温带和高山湖泊更早，尽管这种时间差异可能部分受到沉积速率地区差异的影响。北极湖泊的早期变化与早期区域温度异常以及北极生态系统的高敏感性一致，而温带和高山湖泊的突然变化则更强烈地与人类活动有关。人为污染物通过大气传输到偏远湖泊被认为是导致湖泊突然变化的主要因素。欧洲和北美的湖泊经历了与工业化大致同步的转变，而亚洲湖泊则延迟了大约十年。尽管人类活动与气候变暖之间的相互作用本质上是复杂的，但它们对高山湖泊的影响似乎主要是协同或叠加的。20世纪中叶观察到的全球湖泊突然变化的显著加剧与人类活动的加速是一致的，这为理解人类世提供了更广阔的视角。

引言

湖泊是世界上最宝贵的淡水资源之一，支持着丰富的独特生物多样性，并提供必要的生态系统服务，如饮用水、渔业和娱乐。然而，在过去的两个世纪里，由于气候变化和人类活动，湖泊生态系统变得越来越不稳定（Steffen等人，2007年；Smol，2019年）。这种不稳定性导致了广泛的问题，包括藻类水华的增多和缺氧事件（Jenny等人，2016年；Ho等人，2019年）、水生生物多样性的大幅下降、生物群落的同质化（Monchamp等人，2018年；Keck等人，2020年）以及热分层的改变（Maberly等人，2020年）。这些由气候变化、人类活动、地理位置和湖泊形态驱动的内部湖泊变化正在重塑全球的湖泊生态系统（Håkanson，2005年；Scheffer和van Nes，2007年；Randsalu-Wendrup等人，2016年；Milan等人，2017年；Song等人，2021年）。

先前的研究通过实证、理论和预测框架探讨了湖泊生态系统变化的机制（Carpenter等人，2011年；Spears等人，2017年；Gilarranz等人，2022年），重点关注关键阈值（Scheffer和van Nes，2007年）、潜在驱动因素（Scheffer和van Nes，2007年）和早期预警系统（Wang等人，2012年）。这些研究利用数值建模（Mooij等人，2007年）、野外观察（Spears等人，2017年）、实验模拟（Hansen等人，2013年）和先进的遥感技术（Gilarranz等人，2022年）来研究湖泊在短期演化轨迹中的突然变化。这些努力不仅引发了人们对多种驱动因素对全球社会生态系统负面影响的担忧，还促进了预测突发性非线性变化的努力（Lenton等人，2008年；Carpenter等人，2009年；Nicholson等人，2009年；Rockstrom等人，2009年）。实证研究表明，许多湖泊生态系统的变化源于将外部强迫与湖泊物理和生物地球化学过程联系起来的明确机制路径。例如，气候变暖已被证明会减少冰盖持续时间，加强热分层，并改变混合模式，从而改变营养物质的可用性，导致浮游生物和底栖生物群落的突然重组（Ruhland等人，2008年；Vermaire等人，2017年；Verbeek等人，2018年；Maberly等人，2020年）。同样，实验和长期观测研究表明，人为营养物质富集可以触发初级生产力的非线性增加、缺氧和食物网重组，通常会导致持续的生态系统变化（North等人，2014年；Jackson等人，2016年；Milan等人，2017年）。有证据表明，气候变暖和人类压力并不是独立作用的，而是以协同或对抗的方式相互作用，放大或调节不同类型和地区的生态系统响应（Vinebrooke等人，2004年；Jackson等人，2016年；Birk等人，2020年）。尽管取得了这些进展，但仍有一个主要挑战是系统地识别过去两个世纪湖泊中发生的变化，并确定这些变化背后的主要驱动因素。

如果没有连续的物理观测，全面和系统地评估过去的湖泊突然变化是困难的。野外观察和湖泊监测只能记录过去几十年的湖泊生态系统演化轨迹。然而，古湖沼学工具，如微古生物学（硅藻、枝角类、摇蚊、花粉和水生大型化石）和分子化石（生物标志物和沉积DNA），为重建过去几十年到几百万年来湖泊生态系统的历史状态转变提供了关键证据。尽管这些沉积档案由于其指示意义的局限性无法完全捕捉生态变化的过程，但它们可以清楚地指示过去两个世纪可能发生的突然变化的时间。重要的是，由于压力类型的差异、强度和时间的不同，不同地理区域的湖泊系统表现出不同的成分变化时期。例如，由于变暖加速，北极湖泊的突然变化发生得更早（Douglas等人，1994年；Sorvari等人，2002年；Ruhland等人，2003年；Smol等人，2005年；Ruhland等人，2008年），而低纬度地区的湖泊相对较晚变暖，但随后面临更复杂的人类活动压力（Randsalu-Wendrup等人，2016年），导致其突然变化整体延迟。在全球范围内整合这些数据有助于揭示湖泊生态系统演化的总体模式。

本研究旨在解决以下科学问题：（1）自工业革命以来湖泊生态系统突然变化的时间特征是什么？（2）环境压力，特别是人类压力，在推动这些变化方面起到了多大的作用？为了研究这些问题，我们综合了来自世界各地的215个古湖沼学案例研究，分析了湖泊状态转变的时间序列数据。通过将古湖沼学数据与当前的气候和人类活动记录联系起来，我们为湖泊生态系统的保护和气候变化缓解策略的发展提供了新的见解。

数据搜索和收集

我们通过对ISI Web of Science数据库和中国国家知识基础设施进行全面搜索，收集了反映湖泊生态系统成分变化关键时刻的湖泊突然变化信息。搜索字符串结合了三个概念块：（i）湖泊或湖沼学，（ii）沉积物岩芯或古湖沼学，以及（iii）快速生态系统转变（例如，突然变化、临界点、转折点）。我们包括了所有发表的文献记录

数据集中湖泊和突然变化的总体特征

通过全面的文献回顾，我们汇编了215个古湖沼学案例研究，主要来自温带湖泊（160个案例；图1），其次是高山湖泊（28个案例）和北极湖泊（18个案例）。这些湖泊大多位于北美洲（65个案例）、欧洲（73个案例）和亚洲（57个案例），而南半球的数据较少，这限制了数据集的全球代表性。

使用各种沉积物代理指标识别了突然变化，包括

全球湖泊突然变化的不同步性

了解湖泊生态系统突然变化的时间对于评估环境压力的影响以及制定有效的管理策略至关重要。在这项研究中，我们综合了关于湖泊突然变化的全球数据，特别强调了这些变化在不同湖泊类型和地理区域之间的时间差异。

我们的分析表明，突然变化的开始通常在20世纪中叶达到峰值（图2，图3a）。

结论

在过去的两个世纪里，湖泊经历了由人类和气候压力驱动的广泛生态变化。我们的结果表明，这些事件始于19世纪初，并在20世纪中叶达到强度峰值，与气候变缓和人类干扰急剧加速的时期相吻合。

不同地理单元的湖泊表现出不同的突然变化。北极湖泊的突然变化发生得更早，这与温度变化的提前有关

CRediT作者贡献声明

吴定贵：撰写——初稿，可视化，方法论，调查，正式分析，概念化。夏天：监督，资源，方法论。赵庆峰：撰写——初稿，监督。孙一斌：撰写——审稿与编辑，监督。宋娜：监督，资源。李曼：撰写——审稿与编辑。何天辰：监督，资源，方法论，调查，概念化。

未引用的参考文献

Psenner, 1994

Scheffer和Carpenter, 2003

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。

致谢

我们衷心感谢国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0804000）和国家自然科学基金（项目编号：42488201和42372130）的财政支持。TH感谢江苏特聘教授计划和河海大学高层次人才发展计划的支持。我们特别感谢浙江大学地球科学学院的Sun Yongge教授之前的帮助