CN110361383A - 一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，包括采集湖泊柱状沉积物样品、选择“快照法”层位、计算每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量、确认自然生态本底状态和计算湖泊修复后的生态质量指数的步骤。所述的方法首次从系统角度，利用沉积物中的多生物门类亚化石来评价历史水体生态系统健康程度，从而实现水体系统健康状况更为全面、客观的长期评估；具有指标综合性好、耗费低、方便简捷等特点。利用本发明的评价方法可方便地计算湖泊历史时期生态健康状态偏离湖泊自然状况的程度，对区域水环境生态状况的监测，认识湖泊的演化轨迹，探析湖泊环境退化机制与预警，湖泊生态保护具有重要的指导意义与推广价值。

Description

一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法
技术领域
本发明属于湖泊环境保护技术领域，特别涉及一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法。
背景技术
近几十年来，由于人口的剧增和工农业生产的快速发展，全球范围内许多湖泊已出现明显的生态环境退化，带来富营养化，水质恶化，蓝藻爆发等诸多问题。针对这些湖泊环境问题的治理，截污控源是最根本之道，在控制污染源后许多湖泊生态系统会逐渐好转。然而对一些湖泊，在切断污染源后，相当长的时间内健康状况仍未好转。这一方面是由于这些湖泊环境已经破坏的非常严重，存在治理难度大、恢复周期长的事实；另一方面，对许多生态退化的湖泊，由于缺乏对湖泊演化历史的认识，例如对湖泊生态退化发生的时间、机制、变率及湖泊目前所处的生态演变状态等背景信息都不清楚的情况下，就开展湖泊治理工程，这一定程度上很难保证对症下药或确保治理后健康状态的长期维持。认识湖泊生态系统的演化历史对湖泊治理最佳方案的选择意义重大，其中重要的一个方面就是湖泊的长期生态健康状况演化历史。
尽管湖泊生态系统健康评价的科学意义和应用价值已受到国内外学者及湖泊管理部门的关注与认可，但是由于其概念的模糊性、评价对象的差异性及评价方法的多样性等原因，至今尚未形成统一的湖泊生态系统健康评价体系。湖泊生态系统健康的评价，目前采用最多的方法就是通过多次湖泊环境的监测来获取相关的信息，例如可通过水体的参数例如水化学性质、浮游生物量或透明度的测量，来计算一些评价指标，如毛生产力指标、生态系统压力指标、生物完整性等来评价(赵思琪等，2018)。很明显，这些方法存在一定的局限性。首先，单次的湖泊环境调查往往只能提供某个时间点的湖泊状态特征，要准确衡量湖泊长期的生态健康状况，便要增加采样频率，势必会导致成本和工作量的增加，特别是一些突发的环境事件往往会导致监测结果的巨大波动。其次，由于不同水生生物群落生态特性的研究仍相对有限，目前用于生态健康状态评估的主要采用底栖动物、周丛生物、浮游生物和大型水生植物等单一指标(如蔡琨等，2016)，存在一定的不准确性。尽管一些国际环保组织或环境监测项目已试图从多生物指标组合的角度来共同评估生态健康状况，但在生物指标的选取、评价参数的标准化、多生物指标数据的统一性上有许多尚未解决的问题，因此基于多生物指标、长时间尺度、具有高可比性的报道相对有限；最后，现有的监测工作多始于环境恶化之后，记录时间也相对较短(一般<30年)，并且在强烈人类活动干扰下，现今大多数湖泊生态系统都发生了显著变化，因此基于现有湖泊的生态调查，往往对湖泊生态系统的演化历史理解有限，不足以提供不同环境状况下的湖泊生态系统健康状况评估信息。
湖泊沉积物包含了丰富的生物和理化方面的信息，湖泊的沉积物逐年堆积在湖底，例如湖泊中水生生物个体死亡后，残体会保存在湖泊沉积物中，形成生物亚化石，对生物亚化石群落的分析，结合生物群落的生态习性可反推历史生态环境状况。因此，在普遍缺乏长期监测记录(特别是湖泊干扰前的记录)的情况下，这种基于湖泊沉积物的分析方法(也称古湖沼学)是唯一的能得到过去环境演变历史和湖泊历史时期生态状况的方法(Smolet al.,2012)。
目前国内外利用沉积物中的生物亚化石进行湖泊历史环境演变研究开展了大量的工作，如近十年来，沉积物中的孢粉(如Odgaard,1999)、硅藻(Kelly 2008；Yang et al.,2008；Dong et al.,2008；Bennion et al.,2015；Lavoie et al.,2018)、摇蚊(张恩楼等，2010；Zhang et al.,2010,Belle et al.,2017)、植硅体(范斌等，2006)和有壳变形虫(Qinet al.,2009)等生物指标研究方面取得丰硕的成果，对湖泊环境演化历史重建与影响机制进行了大量的研究工作。然而，因为上述生物门类与具体的环境指标间的对应关系尚未明晰，特别是作用于生物群落的环境要素往往并不单一，因此，这些研究结果并不能直接应用于生态系统的健康评价；即使存在少数的应用单一的生物指标来进行水质条件、生态状况进行评估(Dong et al.,2008；Kelly 2008；Wu et al.,2012)，但因为不同的湖泊食物链、自身理化特征存在较大差异，不同的生物门类体现出不同的环境响应模式，这些基于单一生物指标的评估结果往往存在较大的不确定性。
因此，如何更全面地进行生态健康状况的评估，如何获取常规生态监测方法无法提供的历史状态信息，这对认识湖泊的演化轨迹，探析湖泊环境退化机制与预警，对于湖泊生态保护具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，具体包括如下步骤：
(1)采集湖泊柱状沉积物样品：在待评估湖泊中采集湖泊柱状沉积物样品，取样深度至少为50cm；
(2)“快照法”层位的选择：对湖泊柱状沉积物样品对多个层位进行取样，每个层位的样品混匀混合，单独保存，完成对沉积环境状态的快照；所述的取样可按照均分的原则进行；该步骤可在野外取样后直接进行；
(3)多生物指标的筛选基于下述依据：i)大型水生植物、硅藻、摇蚊、枝角类等分别代表了湖泊生态系统中的水生植物、浮游生物及底栖动物等各种生境的生物类群，能较全面的展示水生生物群落结构、功能及多样性等生态信息；ii)这4个生物门类的生物个体死亡后均能较为完好的形成“亚化石”，在沉积物中大量保存；iii)这4个生物门类的生物个体均对水环境变化响应敏感，能较好的指示当时水环境参数的特征。具体操作时，计算每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量：从步骤(2)的每个层位的沉积物中，分别开展枝角类、硅藻、摇蚊及植物残体亚化石的鉴定工作，对各个门类计算每个层位薄片(代表不同的沉积年代)内的各个属种占所属生物亚化石群落的百分含量；所述的生物亚化石群落为硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类；即对这4个门类的生物亚化石分门类进行总数统计，将各门类中的具体属种个数除以该门类数得的总数即得每个具体属种所占百分比；
(4)确认自然生态本底状态：选择所述的湖泊柱状沉积物样品的离表层至少50cm的层位作为自然本底生态，将自然本底生态的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量作为湖泊健康状况评价的参照目标；所述的生物亚化石群落为硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类；
(5)计算湖泊历史不同时期的生态质量指数：对步骤(3)获得的每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量与步骤(4)的自然本底生态的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量进行生态距离的计算，距离愈小代表生物群落愈接近自然本底生态状态，以此来衡量这种后期生态状况偏离自然生态状况的程度。
所述的湖泊历史生态包括如湖泊在距今0～150年前时的生态状况。
步骤(1)中所述的采集湖泊柱状沉积物样品优选为在待评估湖泊的最深处采集的湖泊柱状沉积物样品，最深处的沉积物最有代表性，沉积物最厚；
步骤(1)中所述的湖泊柱状沉积物样品的取样深度优选为50～60cm，所述的沉积柱的口径(即所述的湖泊柱状沉积物样品的直径)9cm，以提供足够的样品量。
理论上可以对沉积柱的每一个层位均进行详细的多生物门类的组成进行分析，进而提供详细的历史演替、生态系统健康状况进行评估；例如，取样层位数量至少5个。但对每一个生物门类实验处理、鉴定统计均需要专业人士的操作并需较长的样品处理时间；考虑到成本及可操作性，本发明进一步提出对完整沉积柱进行5个样品的“快照法”分析，即将每个样品对应的具体时段内湖泊生态系统组成同生态本底的生物群落进行生态距离的计算，来快速定量评估历史不同时期的生态系统健康状态，并简明的描述历史时期的变化趋势。在所述的步骤(2)中，优选对湖泊柱状沉积物样品的5个层位进行采样，分别代表过去不同时期内生态状态，基于均分的原则并结合不同部位沉积速率情况，例如，分别取表层1cm，15cm，30cm，40cm，50cm的位置，各取前后1cm的样品(即对15cm深度，取14～16cm的所有样品作为15cm的样品，其余类推)，这是考虑到上部沉积速率往往偏高，前30cm按照15cm间隔来均分；下部沉积速率慢，按照10cm间隔来均分。
优选的，据发明认团队对100余个湖泊柱状沉积物的野外观察积累，发现绝大多数湖泊在50cm以内会有一个或多个岩性转折点，例如岩芯颜色由深黑色到浅白色，或岩性疏松到明显的紧实等等，这种转折点均对应着湖泊生态环境发生的较大变化；基于此，步骤(2)对于存在一个或多个岩性转折点的湖泊柱状沉积物样品，根据柱状沉积物岩性变化的特征选取分样“转折点”，所述的5个采样层位优选分别取顶部样品(0～2cm)、过渡层1样品(转折点和顶点的中间深度处，前后1cm样品)、基点样品(转折点深度前后1cm样品)、过渡层2样品(转折点和尾部的中间深度处，前后1cm样品)及尾部样品(50cm处，前后1cm样品)。
水生生物门类众多，包括鱼类、浮游动物、浮游植物、底栖动物等，尽管其中许多单一的生物类群已经逐渐的应用于不同水体(如河流、湖泊、水库等)的生态健康状况评估，但基于这4个门类的综合评估尚未见报导。本发明首次提出这种涵盖水生态系统食物链上多级组份，分别从环境敏感性、残体保存度、鉴定难度等方面来筛选确定，提出沉积物中4种对水环境变化最为敏感的指示生物门类，步骤(3)中必须同时选择这4种多类群(硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类)的综合评价方法，基于湖泊中存在的这四个生物门类所有的属种，可进行多属种叠加计算，消除单一生物门类指示意义不明确的缺陷。
步骤(3)中所述的进行硅藻亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量优选为至少0.5g湿样。
步骤(3)中所述的进行枝角类亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量优选为至少2g湿样。
步骤(3)中所述的进行摇蚊亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量优选至少为5g湿样。
步骤(3)中所述的进行植物残体亚化石的挑选、鉴定工作的沉积物取样量优选为至少100g湿样。
发明人团队搜集大量的中国湖泊沉积速率数据表明(如Xu et al,2017)，湖泊近200年来的平均沉积速率<0.3cm/年，即50cm的沉积物往往能涵盖过去160余年来的沉积历史，基本上能追溯至工业革命之前的环境状况。本发明设立湖泊未受强烈人类活动干扰前(1850s年前)的湖泊生态群落作为生态状况评估的参照物，利用生态偏移距离来衡量生态状况的差异。因此，步骤(4)中选定所述的尾部样品(离表层至少50cm的层位)中生物群落作为历史时期人类活动较弱(扰动少)时期内所出现的生物组合作为该湖泊自然状态下的生态本底。
步骤(5)中所述的生态距离计算的方式包括采用欧式距离、马氏距离、种群生态距离弦距等多种计算方法；发明人团队基于多次真实数据的尝试，优选为种群生态距离弦距，具有最佳的效果，弦距计算公式如下：
Dij＝Σk(pik 1/2-pjk 1/2)2
其中，Dij为弦距，取值范围0～8；pik、pjk分别是第i、j个样品中第k个属种的百分含量(其中j号样品为本底样品)。
根据多个浅水湖泊(主要是长江中下游地区浅水湖泊)的数据对比分析结果显示“四分法”可以较好的描述种群变化差异，因此采用生态距离2,4,6,作为4个区间划分的临界值，生态距离0,2,4,6,8依次对应得分100,75,50,25,0分，以此类推。
本发明的机理与构思：
从生态学的角度，利用生物指标来进行生态健康状况评估及水环境修复具有较大的技术优势。首先，生物体直接响应于所有的水质影响因子，能提供一个更综合的衡量水环境质量的尺度；其次，它反映的是水环境在某段时期内的平均状况，避免了环境波动(如突发降水、干旱等)评价结果的不稳定性。最后，生物体是水生态系统中最重要的组份，是人类适应水环境变化、人居环境优劣尺度的最直接的指示。
本发明提出一种基于沉积物生物亚化石组合分析、多指标组合等技术手段(图1)来进行过去百年尺度上湖泊生态系统健康状况的评价方法。野外及实验室分析主要包括如下3个步骤：第一步，在需要进行评估湖泊的最深处(最深处的沉积物最有沉积代表性，沉积物最厚)用沉积物柱状采样器获取沉积柱一根(50～60cm长，口径9cm粗)，根据柱状沉积物岩性变化的特征选取分样；例如，可以根据沉积物的“转折点”(图1)，将沉积柱由上至下分别取顶部样品(0～2cm)、过渡层1样品(转折点和顶点的中间深度处，前后1cm样品)、转折点样品(转折点深度前后1cm样品)、过渡层2样品(转折点和尾部的中间深度处，前后1cm样品)及尾部样品(50cm处，前后1cm样品)，进行均匀混合，单独保存；第二步，对每个层位的沉积物，例如，各取2g湿样进行枝角类亚化石、0.5g湿样进行硅藻亚化石、5g湿样进行摇蚊亚化石、100g湿样进行植物大化石的制片鉴定工作，各按门类计算每个薄片(代表不同的沉积年代)内的各个属种的百分含量；第三步，选定底部样品中生物群落作为历史时期人类活动较弱(扰动少)时期内所出现的生物组合作为该湖泊自然状态下的生态本底，作为湖泊健康状况评价的参照目标。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.通常的生态系统健康评估更多的是对现今的生态系统进行评估，很少有技术手段能对长期，比如过去100年来，生态系统的健康程度进行评估。本发明在前期大量的沉积柱研究结果的基础上，提出湖泊至少50cm的沉积柱样品能代表过去(>150年)的沉积过程，进行水体系统健康状况的长期评估。利用沉积物中的多生物门类亚化石来评价历史水体生态系统健康程度，是古湖沼学技术在生态环境评价领域的一个应用创新。
2.本发明首次从系统的角度，将湖泊生态系统中的各种不同生境(沿岸带种、浮游、底栖、附生等)、不同食物链级别组份(涵盖食物链初中高等级别)、不同门类(藻类、浮游动物、水生植物等)的生物群落视为一个大的“群落”，利用生物结构相似性的原理，来进行生态系统健康状态的评估，本发明较前人使用的单一指标法更为全面、客观。本发明基于多生物指标的湖泊生态系统健康状况评估能全面的进行生态健康状况的评估，同时，基于沉积物中这些生物残体的历史生态状态评估，能进一步提供常规生态监测方法无法提供的历史状态信息。
3.本发明首次提出的“沉积柱50cm处的样品提供了采样湖泊未污染、自然状况下健康的湖泊生态系统群落”这一概念，可以作为湖泊修复的最佳目标，更可以为评估湖泊现今生态系统健康状况、评估湖泊治理效果提供一个具体的参考目标，利用本发明的评价方法可方便的计算不同的湖泊状态偏离湖泊自然状况的程度。
4.本发明创新地提出了对任何一个沉积柱选少数层位进行分析，能快速获得该湖泊历史时期生态健康状况的主要演变趋势/变率，实现高效的快速评价，即“快照”法。
5.基于发明人团队对上百个湖泊柱状沉积物的野外观察积累，毫无例外的发现绝大多数湖泊在50cm以内会有一个或多个岩性转折点，例如岩芯颜色由深黑色到浅白色，或岩性疏松到明显的紧实等等，研究发现这种转折点均对应着湖泊生态环境发生的较大变化，对于“快照法”的层位选择，本发明首次提出了结合所述的岩性转折点的思路，使本发明的评价方法进一步优化。
附图说明
图1是本发明的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法中的流程示意图。
图2是本发明基于生态距离与生态健康状态的对应关系示意图。
图3是利用本发明的方法对太白湖的历史生态健康评价结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1方法的构建
一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，具体包括如下步骤：
(1)采集湖泊沉积柱样品：在待评估湖泊中采集湖泊沉积柱样品，取样深度至少为50cm；
所述的采集湖泊沉积柱样品优选为在待评估湖泊的最深处采集的湖泊沉积柱样品，最深处的沉积物最有代表性，沉积物最厚；
优选的，所述的湖泊沉积柱样品的取样深度优选为50～60cm，所述的沉积柱的口径9cm。
(2)“快照法”层位的选择：对湖泊沉积柱样品中的多个层位进行取样，混匀混合，单独保存，完成对沉积环境状态的快照；所述的取样可按照均分的原则进行；该步骤可在野外取样后直接进行。
理论上可以对沉积柱的每一个层位均进行详细的多生物门类的组成进行分析，进而提供详细的历史演替、生态系统健康状况进行评估。但对每一个生物门类实验处理、鉴定统计均需要专业人士的操作并需较长的样品处理时间；考虑到成本及可操作性，本发明进一步提出对完整沉积柱进行至少5个样品的“快照法”分析，即将每个样品对应的具体时段内湖泊生态系统组成同生态本底的生物群落进行生态距离的计算，来快速定量评估历史不同时期的生态系统健康状态，并简明的描述历史时期的变化趋势。本发明优选对湖泊沉积柱样品的5个层位进行采样，分别代表过去不同时期内生态状态，基于均分的原则并结合不同部位沉积速率情况，例如，考虑到上部沉积速率往往偏高，前30cm按照15cm间隔来均分；下部沉积速率慢，按照10cm间隔来均分，分别取表层1cm，15cm，30cm，40cm，50cm的位置，各取前后1cm的样品(即对15cm深度，取14～16cm的所有样品作为15cm的样品，其余类推)。
更优选的，据发明人团队对100余个湖泊沉积柱的野外观察积累，发现绝大多数湖泊在50cm以内会有一个或多个岩性转折点，例如岩芯颜色由深黑色到浅白色，或岩性疏松到明显的紧实等等，这种转折点均对应着湖泊生态发生的较大变化；基于此，对于存在一个或多个岩性转折点的湖泊沉积柱样品，根据柱状沉积物岩性变化的特征选取分样“转折点”，所述的5个采样层位优选分别取顶部样品(0～2cm)、过渡层1样品(转折点和顶点的中间深度处，前后1cm样品)、基点样品(转折点深度前后1cm样品)、过渡层2样品(转折点和尾部的中间深度处，前后1cm样品)及尾部样品(50cm处，前后1cm样品)。
(3)计算不同时段湖泊沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量：从步骤(2)中每个层位的沉积物；例如，优选的，对每个层位的沉积物，各取2g湿样进行枝角类亚化石、0.5g湿样进行硅藻亚化石、5g湿样进行摇蚊亚化石、100g湿样进行植物大化石的制片鉴定工作，各按门类计算每个薄片(代表不同的沉积年代)内的各个属种的百分含量，即对这4个门类的生物亚化石分门类进行总数统计，将各门类中的具体属种除以该门类数得的总数即得每个具体属种所占百分比；所述的生物亚化石群落为硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类。
水生生物门类众多，包括鱼类、浮游动物、浮游植物、底栖动物等，尽管其中许多单一的生物类群已经逐渐的应用于不同水体(如河流、湖泊、水库等)的生态健康状况评估，但基于这4个门类的综合评估尚未见报导。本发明首次提出这种涵盖水生态系统食物链上多级组份，分别从环境敏感性、残体保存度、鉴定难度等方面来筛选确定，提出沉积物中4种对水环境变化最为敏感的指示生物门类，必须同时选择这4种多类群(硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类)的综合评价方法，基于湖泊中存在的这4个生物门类所有的属种，可进行多属种叠加计算，消除单一生物门类指示意义不明确的缺陷。
(4)确认自然生态本底状态：所述的自然本底生态为所述的湖泊沉积柱样品的离表层至少50cm的层位，所述的层位中生物群落作为历史时期人类活动较弱(扰动少)时期内所出现的生物组合作为该湖泊自然状态下的生态本底，即将所述层位的湖泊沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量作为湖泊健康状况评价的参照目标。
发明人团队搜集大量的中国湖泊沉积速率数据表明(如Xu et al,2017)，湖泊近200年来的平均沉积速率<0.3cm/年，即50cm的沉积物往往能涵盖过去160余年来的沉积历史，基本上能追溯至工业革命之前的环境状况。本发明设立湖泊未受强烈人类活动干扰前(1850s年前)的湖泊生态群落作为生态状况评估的参照物，利用生态偏移距离来衡量生态状况的差异。所述的湖泊历史生态包括如湖泊在0～150年前时的生态状况。
(5)基于生物类群生态距离的方法来计算湖泊修复后的生态质量指数：在上述实验分析及自然本底生态状态确认的基础上，将湖泊沉积柱样品所覆盖的不同时段湖泊沉积物中生物亚化石群落同自然本底生态的生物群落进行生态距离的计算，距离愈小代表生物群落愈接近自然本底生态状态，以此来衡量这种后期生态状况偏离自然生态状况的程度；
所述的生态距离计算的方式包括采用欧式距离、马氏距离等多种计算方法；发明人团队基于多次真实数据的尝试，优选为种群生态距离弦距，具有最佳的效果，弦距计算公式如下：
Dij＝Σk(pik 1/2-pjk 1/2)2
其中，Dij为弦距，取值范围0～8；pik、pjk分别是第i、j个样品中第k个属种的百分含量(其中j号样品为本底样品)。
根据多个浅水湖泊(主要是长江中下游地区浅水湖泊)的数据对比分析结果显示“四分法”可以较好的描述种群变化差异，因此采用生态距离2,4,6,作为4个区间划分的临界值，生态距离0,2,4,6,8依次对应得分100,75,50,25,0分(如图2)。
这种基于本底生态质量的定量评价方法，可对任何一个沉积柱选取少数层位进行分析，快速获得对应层位的生态健康状况；具有指标综合性好、耗费低、方便简捷等特点，这对提供区域水环境历史时期的生态状况信息，对湖泊治理最佳策略的选择，具有重要的指导意义与推广价值。
图1展示了本发明的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法中的流程示意图。
实施例2应用实例
太白湖(29°56′～30°01′N,115°46′～115°50′E)位于湖北省东部、长江北岸的黄梅县境内。该湖为浅水过水性湖泊，平均水深3.2m，平均水位13.38m，流域面积960km2。湖泊面积从20世纪三十年代69.2km2，经多次围垦，在1950s中期变成63.7km2，1960s减少到44km2，1978年之后被禁止围垦，现仅有面积25.1km2，且无出水河流直接与长江连通。湖泊周围主要是农田，70年代以来，该地区农业化肥的大量使用，增加了湖泊营养物质的输入。太白湖水产养殖开始于1950s，80年代后期发展为网箱养殖，局限在南部湖区(金华兵，2007)。据先前调查(简永兴等，2001)，太白湖的水生植被在1980s之前很丰富，但此后水生植被减少。目前少量水生植被局限在北部湖区(人类干扰比南部湖区少)。该湖现在已经富营养化，南部湖区的水质调查分析显示，该湖年均总磷已超过120μg/L(Yang et al.,2008)。
利用实施例1构建的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法对太白湖的历史生态健康情况进行评估：
(1)在太白湖湖心(最深处)用专业的重力采样器获取沉积柱一根(50～60cm长，口径9cm粗)。
(2)根据柱状沉积物岩性变化的特征选取分样“转折点”，分别取顶部样品(0～2cm)、过渡层1样品(转折点和顶点的中间深度处，前后1cm样品)、基点样品(转折点深度前后1cm样品)、过渡层2样品(转折点和尾部的中间深度处，前后1cm样品)及尾部样品(50cm处，前后1cm样品)，每个层位的样品分别进行均匀混合，单独保存。
(3)对步骤(2)中每个层位的沉积物，分别取2g湿样进行枝角类亚化石、0.5g湿样进行硅藻亚化石、5g湿样进行摇蚊亚化石、100g湿样进行植物大化石的制片鉴定工作，各按门类计算每个薄片(代表不同的沉积年代)内的各个属种的百分含量，即：对这4个门类的生物分门类进行总数统计，将各门类中的具体属种除以该门类数得的总数即得每个属种所占百分比。
其中，所述的硅藻包括Aulacoseira granulata,Cyclotelle comb.,Aulacoseiraalpigena,Nitzchia palea,Asterionella formosa。
所述的摇蚊包括Paratanytarsus penicillatus，Cladopelma lateralis,Microchironomus tabarui,Paratanytarsus。
所述的枝角类包括Chydorus sphaericus,Leydigia acanthocercoides,Alonakarus,Chydorus sp。
所述的植物残体包括Eichhornia crassipes种子、Euryale ferox叶子、Ceratophyllum叶刺。
(4)选择步骤(2)所述的尾部样品作为自然生态本底状态，将尾部样品的湖泊沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量作为湖泊健康状况评价的参照目标。
(5)对步骤(3)获得的每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量与步骤(4)的尾部样品的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量，通过如下公式进行生态距离的计算：
Dij＝Σk(pik 1/2-pjk 1/2)2
其中，Dij为弦距，取值范围0～8；pik、pjk分别是第i、j个样品中第k个属种的百分含量(其中j号样品为本底样品)；同时，采用生态距离2,4,6,作为4个区间划分的临界值。
自2006年以来，发明人团队在太白湖不同湖区的中心采集了多根近100cm长的柱状沉积岩芯，分别用于沉积物的多指标分析，为展示本申请的应用，图3仅列举各不同生物群落中主要的属种及生态距离计算的结果，如图3所示，太白湖历史时期不同生物群落中主要的属种及生态距离计算的结果(据此评估该湖历史时期的生态健康状态见最右端数字)，据此评估该湖历史时期的生态健康状态。
由评价结果可见，太白湖过去百余年来，湖泊在相当长的一段时间内(30cm前)仍维持着比较健康的生态系统，这与长江中下游大多数湖泊历史时期扰动相对较少湖泊生态系统相对健康的结论一致(Zhang et al。，2018)；近数十年来(30cm以上)，在人类活动(包括围垦、农业发展、水产养殖活动等)的干扰下，湖泊生态健康状况出现了持续的退化，这也与该湖近年来的水产资源调查报告一致(太白湖水产资源综合考察报告，2001)。必要时，可配合沉积柱的年代测试工作，为分析的5个层位提供更为准确的年代，便可对受评估的湖泊进行更为具体、确凿的历史生态状况评估。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)采集湖泊柱状沉积物样品：在待评估湖泊中采集湖泊柱状沉积物样品，取样深度至少为50cm；
(2)“快照法”层位的选择：对湖泊柱状沉积物样品对多个层位进行取样，每个层位的样品单独混匀混合并保存，完成对沉积环境状态的快照；该步骤可在野外取样后直接进行；
(3)计算每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量：从步骤(2)的每个层位的沉积物中，进行枝角类亚化石、硅藻亚化石、摇蚊亚化石及植物残体亚化石的鉴定工作，对各个门类计算每个层位薄片内的各个属种占所属生物亚化石群落的百分含量；
(4)确认自然生态本底状态：选择所述的湖泊柱状沉积物样品的离表层至少50cm的层位作为自然本底生态，将自然本底生态的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量作为湖泊健康状况评价的参照目标；所述的生物亚化石群落为硅藻、摇蚊、植物残体、枝角类；
(5)计算湖泊历史不同时期的生态质量指数：对步骤(3)获得的每个层位的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量与步骤(4)的自然生态本底的沉积物中生物亚化石群落的属种百分含量进行生态距离的计算，距离愈小代表生物群落愈接近自然本底生态状态，以此来衡量该历史时期生态状况偏离自然生态状况的程度。
2.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
对于存在岩性转折点的湖泊柱状沉积物样品，步骤(2)中所述的取样的层位为分别取距离表层0～2cm的顶部样品、岩性转折点和顶点的中间深度处的过渡层1样品、岩性转折点基点样品、岩性转折点和尾部的中间深度处的过渡层2样品及尾部样品；在所述的岩性转折点处为岩芯颜色由深黑色到浅白色或岩性疏松到明显的紧实的区域。
3.根据权利要求2所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
所述的岩性转折点位于湖泊深度50cm以内。
4.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的取样为对应层位的前后1cm样品；
步骤(5)中所述的生态距离计算的方式包括采用欧式距离、马氏距离、种群生态距离弦距中的一种进行计算。
5.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的采集湖泊柱状沉积物样品为在待评估湖泊的最深处采集的湖泊柱状沉积物样品；
步骤(2)中所述的层位的数量为至少5个。
6.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的层位的数量为5个；
步骤(2)中所述的取样按照均分的原则进行。
7.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(5)中所述的生态距离计算的方式为采用种群生态距离弦距公式进行计算，所述的公式如下：
Dij＝Σk(pik 1/2-pjk 1/2)2
其中，Dij为弦距，取值范围0～8；pik、pjk分别是第i、j个样品中第k个属种的百分含量，其中j号样品为自然本底生态样品。
8.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的湖泊柱状沉积物样品的取样深度为50～60cm，所述的湖泊柱状沉积物样品的直径为9cm。
9.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的进行硅藻亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量为至少0.5g湿样；
步骤(3)中所述的进行枝角类亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量为至少2g湿样；
步骤(3)中所述的进行摇蚊亚化石的制片鉴定工作的沉积物取样量至少为5g湿样；
步骤(3)中所述的进行植物残体亚化石的挑选、鉴定工作的沉积物取样量为至少100g湿样。
10.根据权利要求1所述的基于沉积柱快照的湖泊历史生态健康评价方法，其特征在于：
步骤(5)中所述的计算湖泊修复后的生态质量指数中，生态距离0,2,4,6,8依次对应得分100,75,50,25,0分，以此类推；
所述的湖泊历史生态包括湖泊在距今0～150年前时的生态状况。
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