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、海兽生态的历史纪录和生态环境演变过程。课题主要依托国家自然科学基金重点项目全新世南极南海典型岛屿对全球变化的生态响应与对比（负责人：孙立广 教授；批准号：40730107）和国家自然科学基金面上项目南极半岛紫外辐射(UVR)变化的湖泊沉积记录及生态效应（负责人：刘晓东博士；批准号：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实验室项目负责人：孙立广教授现场执行人：姜珊 中国科学技术大学考察类型：度夏 1.课题的历史背景、目的和意义人类对南极的认识只有两百多年的历史，对南极湖泊的调查始于第四纪时期，南极冰盖曾多次扩展和收缩，最新的一次较大的扩展和退缩过程显然是与全球范围的晚更新世末次冰期的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随着气候转暖，冰川后退而出现的，其间发育的湖泊堆积地层有可能完整地记录着全新世以来的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的历史与冰盖进退、气候变化、海平面升降、海洋生产力的大小存在着响应关系，探讨它们之间的相互关系将有助于深入认识全球变化的生态响应，并为评估和预测气候变化对南极生态系统的影响提供充分的科学依据。在过去的几年，孙立广教授负责的课题组围绕生态环境的全球变化区域响应这一核心问题，以南极地区湖泊沉积物为过去环境信息记录载体，应用元素和同位素地球化学、沉积学、冰川学、构造地质学和古生态学、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变化、海鸟和海豹等海洋生物的生态演变及其与全球变化的关系，取得了有特色的研究成果，有力地推动了极地无冰区生态地质学的形成和发展。为了更好地了解其生态环境演化对全球变化地响应，完善极地无冰区生态地质学这个全新研究领域的理论体系，就需要对南极无冰区生态地质学进行多方向的重点考察和研究。近30年来，由于臭氧层的破坏导致到达地表的紫外辐射增强以及南极臭氧空洞的出现引起了人们的广泛关注，人们迫切的想要知道这些现象的进一步发展到底会对人类的存在造成什么样的影响。可是有限的观测资料限制了我们的发挥，为了更好的预测未来地球表面紫外环境的变化以及生态系统的响应过程，科学家开始尝试着去恢复历史时期地球表面紫外辐射的变化。极地地区由于其特殊的地理大气状况，其水生生态系统对紫外辐射强度变化的响应特别敏感。一定强度的紫外线对生物的正常生理活动是有积极意义的，但高强度的紫外线则会对生物带来各种危害。紫外线辐射（UVR）的增加除了对生活在湖泊中的生物个体造成直接损害外，还将导致湖泊生态系统组成、种群结构和生态功能发生变化，这种生态变化最终必将影响全球的气候变化。在全球变暖的大环境下，南极的冰雪覆盖面积会减少，会进一步加剧UVR对湖泊生态系统的影响，为了更好地理解和评估UVR对南极湖泊生态系统的潜在影响，我们就有必要寻找更长时间尺度的UVR强度变化的历史记录。在之前对色素的研究及其文献调研过程中，我们发现：保存在藻类（特别是蓝绿藻）中的某些特定的UV屏蔽色素可以用来指示紫外线的强度变化。它们对外界紫外辐射有很好的响应机制，以保护藻类细胞免受紫外辐射的伤害。在外界紫外辐射增强的情况下，这些色素的含量明显增加，且一旦合成就可长期稳定存在。上述研究将有利于我们全面了解历史时期南极生态系统对紫外辐射增强的响应，从而为在全球变暖的背景下客观评估紫外辐射增强对南极生态系统的可能影响提供科学资料，进一步促进UV气候学和生态地质学的发展。本项目选择南极半岛长城站无冰区作为典型地区进行研究，应用生态地质学基本方法，用微观的生物地球化学记录去探索宏观的生态、气候与环境变化的主题，并在全方位的对比研究基础上，包括南极半岛沿经线的剖面对比，环南极无冰区纬向上的对比，在南北极和高、低纬地区进行全球对比，与冰芯、海洋沉积物、湖泊沉积物等环境载体的古气候记录进行对比，在更大的地域范围内探讨企鹅、海豹的数量、聚居地、食谱的变化与气候、环境和人类文明历史之间的关系，恢复历史时期UVR变化，建立孤岛生态系统的形成与演化模型；区分生态系统形成过程中的自然因素和近现代人为因素。本次野外考察是在前期研究基础上，执行国家自然基金重点项目全新世南极南海典型岛屿对全球变化的生态响应与对比和面上项目南极半岛紫外辐射(UVR)变化的湖泊沉积记录及生态效应的野外考察采样计划。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的基础上，找到未受扰动的生物粪土沉积剖面，采集海鸟海兽残骨、蛋壳、毛发和湖藻等生物样品，采集典型湖泊沉积柱样，以此作为环境变化研究的载体，利用各种替代性地球化学指标，解读粪土层和湖泊沉积剖面中的气候环境信息，恢复南极UVR变化历史；通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变化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的响应关系，揭示历史时期南极企鹅和海豹营养状况及其与气候变化之间的联系。2. 考察内容：2.1主要研究内容（1）南极紫外辐射（UVR）变化的湖泊沉积记录。以南极典型湖泊沉积剖面作为环境记录的载体，运用多学科交叉的研究方法，恢复历史时期南极地区紫外辐射（UVR）、整个光强度（UVR+PAR）变化以及湖泊初级生产力演化的记录，探讨影响它们变化的主要因素，并开展东、西南极地区UVR变化及其湖泊生态效应的对比研究，并和我们先前得到的南极企鹅数量变化曲线进行比较，探讨南极光强度变化对企鹅生态的可能影响。（2）气候变化和人类活动对南极生态环境的影响。通过野外考察，选择几个典型粪土层剖面和集水区沉积剖面进行重点采样。在室内，通过多个替代性指标的方法，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的影响，区分自然过程和人类活动对南极生态系统演化过程的影响。（3）古企鹅粪土层分子生物学研究。在野外现场考察的基础上，在阿德雷岛和巴登半岛寻找挖掘废弃的企鹅巢穴及其中的粪土层、生物残体等，和香港城市大学合作，利用分子生物学技术，在恰当的实验条件下，提纯企鹅粪中的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，再通过测定特定DNA片断中的碱基序列，结合年代学，建立企鹅DNA变化的时间序列，以此作为生态环境变化研究的载体，研究企鹅巢的变动历史、食谱组成及其与气候环境变化的关系，从而可以通过分子生物环境之间的相互作用来恢复历史时期的环境演变过程。（4）本次考察将在前期研究工作的基础上,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的观测，获得这些气体浓度与土壤通量的时空变化规律及其影响因素；合理评估该地区夏季温室气体排放量，查明影响南极土壤N2O、CH4、CO2、PH3等生源气体通量的产生过程、关键控制因子和鸟粪土PH3产生机理。2.2 考察内容 根据课题的研究内容，本次考察重点是寻找长城站区周围无冰区未受扰动的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的对比研究，广泛采集考察区域海鸟、海兽等动物粪便、遗体和遗迹以及植物、土壤、岩石样品；同时采集气体样品。具体内容如下：（1）企鹅粪土沉积剖面采集对分布在阿德雷岛的现代企鹅生态进行详细考察，在现代企鹅巢区附近的高地上寻找废弃的古企鹅巢穴，采集其中的粪土层、残骨等样品。（2）海豹粪土沉积层的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，采集研究区的新鲜海豹粪、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的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，采集长城站附近典型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）生物样品的采集在长城站区采集不同生物如企鹅、海豹、贼鸥、海燕等的粪便、羽毛、遗体；采集典型植被区苔藓、地衣样品及其下伏土壤样品。（5）气体样品采集CH4、N2O通量观测：以长城站为基地，采用观察，采样等手段，在站区及毗邻地区建立观测点，选择四个区域进行系统的土壤CH4、N2O通量观测：普通的苔原土壤观测区、阿德雷岛苔原鸟粪土观测区、西海岸海豹粪土观测区和贼鸥粪土观测区；土壤样品采集：根据通量观测点周围的土壤分布状况挖取土壤剖面，采集不同深度的土壤样品，冷冻保存。采用日本生产的细不锈钢管连三通阀采样器（已由中科院南极土壤所提供），采集土壤不同深度的气体样品，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的变化规律。大气样品采集：在苔原与高地各选择一大气样品采样点，每天定时（下午2：003：00）用真空瓶在2m高度上迎风随机采集近地面气体样品；根据其它不同区域的环境特征（包括科考站区、企鹅与海豹聚集区、海洋潮间带、冰盖区等），用同样的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 在现代和废弃的海鸟海兽巢穴区，寻找古生物粪土沉积层，生物粪土一般为黑色粘土，有难闻的刺激气味，并含有大量羽毛和毛发。确立采样点后，用直径12cm PVC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的海豹毛样品。对感觉非常有价值的剖面，现场需要挖坑，过筛找出足够的残骨，供海鸟海兽的食谱分析。（2）废弃企鹅巢穴挖掘：确定巢穴位置后，挖掘1X1平方米的浅坑，每5厘米深度检测一次，直到基岩或含粪层终止处。将挖出的沉积物依次过0.64, 0.32, 0.025平方厘米分样筛，保留筛出的动物残体。（3）在长城站地区选择若干个典型的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，可采集最大深度达到1.5米左右，同时也可利用站上的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的湖水、表层沉积物、和湖藻等环境介质样品，分析研究湖泊中溶解的有机碳（DOC）含量、盐度和湖泊深度，收集研究区的环境地球化学背景资料。（5）考察并采集不同生物种属的生物残骨和粪便样品，如在野外考察过程中，若发现动物残骨（如海鸟腿骨、脊椎骨、翅膀骨、头骨等）和新鲜粪便，随时收集，并记录采样时间、地点、天气状况及可能出现的动物种属，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的苔原，设A、B两个观测点（其中B点施加约150g新鲜的企鹅粪）；另外，在低地苔原积雪覆盖区设4个观测点（S1，S2，S3，S4）：用不锈钢管连三通阀采样器采集不同深度雪层的大气样品，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的鸟成土，设A、B两个观测点，同时采气；在海豹滩选择肥沃的海豹粪土，设两个平行的观测点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，设两个平行的观测点A、B，同时采气。采用通用的密闭箱法进行通量测定：密闭箱罩在选择的土壤观测点上，四周严格密封，一个采样组合为1h，再将1h分成0，20，40，60min，用日本生产的真空瓶通过两通针定时采集箱内的气体，同时记录箱内的气温。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：到达长城站之日起，4日开始采样： （1）具体需要视现场情况及天气而定。（2）在最好的天气情况下，乘坐橡皮艇在湖心和近海用重力采样器采集沉积样品。重力采样器采集的样品