Палеолимнология - Paleolimnology

Палеолимнология (Греческий: палеон= старый, Limne= озеро, логотипы= учеба) - это научная дисциплина, тесно связанная с обоими лимнология и палеоэкология. Палеолимнологические исследования связаны с реконструкцией палеосреды внутренних вод (озера и потоки; пресная вода, солоноватый, или же физиологический раствор ) - и особенно изменения, связанные с такими событиями, как изменение климата, воздействия человека (например, эвтрофикация, или же закисление ) и внутренние онтогенетические процессы.

Палеолимнологические исследования обычно основаны на тщательном анализе осадок ядра, включая физический, химический и минералогический свойства отложений, и разнообразные биологический записи (например, ископаемые диатомеи, кладоцера, остракоды, моллюски, пыльца, пигменты, или же хирономиды ). Одним из основных источников последних палеолимнологических исследований является Журнал палеолимнологии.

История

Онтогенез озера

Большинство ранних палеолимнологических исследований уделяли особое внимание биологическим продуктивность озер и роль внутренних процессов в озерах в управлении развитием озер. Несмотря на то что Эйнар Науманн предположили, что продуктивность озер должна постепенно снижаться из-за вымывания водосборных почв, Август Тиенеманн предположил, что вероятен обратный процесс. Ранние записи о мошках, казалось, подтверждали точку зрения Тиенеманна.^[1]

Hutchinson & Wollack предположил, что после начальной олиготрофной стадии озера будут достигать и поддерживать трофическое равновесие. Они также подчеркнули параллели между ранним развитием озерных сообществ и сигмовидной фазой роста сообществ животных, подразумевая, что очевидные процессы раннего развития в озерах определялись эффектами колонизации и отставали из-за ограниченного репродуктивного потенциала колонизирующих организмов.^[1]

В классической статье Раймонд Линдеман^[2] изложил гипотетическую последовательность развития, при которой озера постепенно развиваются олиготрофный, мезотрофный, и эвтрофный стадии, прежде чем перейти к дистрофический стадия и полное заполнение осадком. В конечном итоге на торфяном насыпи бывшей озерной котловины образовалось кульминационное лесное сообщество. Эти идеи были развиты далее Эд Диви,^[3] который предположил, что в развитии озера преобладала морфометрическая эвтрофикация. Поскольку гиполимнион озер постепенно наполняются наносами, кислород истощение будет способствовать высвобождению связанных с железом фосфор к вышележащей воде. Этот процесс внутреннего оплодотворения будет стимулировать биологическую продуктивность, еще больше ускоряя процесс заполнения.^[4]

Идеи Диви и Линдеманна были широко, хотя и некритически, приняты. Хотя эти идеи до сих пор широко распространены некоторыми лимнологами, они были эффективно опровергнуты в 1957 году учеником Диви. Дэниел А. Ливингстон.^[5] Мел Уайтсайд^[6] также раскритиковал предложение Диви и Линдеманна, и теперь палеолимнологи считают, что множество внешних факторов в равной или большей степени важны как регуляторы развития и продуктивности озера. Действительно, позднеледниковые климатические колебания (например, Младший дриас ), по всей видимости, сопровождались параллельными изменениями в продуктивности, демонстрируя, что 1) развитие озера не является однонаправленным процессом и 2) изменение климата может иметь глубокое влияние на сообщества озер.

Лимническая среда

Лимнология это изучение внутренних водоемов, включая озера, ручьи, реки, лиманы, водно-болотные угодья и многое другое.^[7]

Биологические свойства

Антропогенное эвтрофикация, закисление и изменение климата

Интерес к палеолимнологии со временем сместился с эзотерических вопросов онтогенеза озера на прикладные исследования воздействия человека. Торни Видерхольм и Билл Уорвик, например, использовали хирономида окаменелости для оценки воздействия повышенной нагрузки питательными веществами (антропогенные эвтрофикация ) на озерных сообществах. Их исследования выявили заметные изменения в донной фауне озер Северной Америки и Европы, что является следствием серьезного недостатка кислорода в эвтрофированных озерах.

С 1980 по 1990 год основной фокус усилий палеолимнологов сместился на понимание роли антропогенного воздействия (кислотный дождь ) по сравнению с естественными процессами (например, выщелачиванием почвы) как движущими силами pH изменение северных озер.^[8] В pH -чувствительность диатомовый общины были признаны по крайней мере с 1930-х годов, когда Фридрих Хустедт разработали классификацию диатомовых водорослей на основе их очевидных предпочтений в отношении pH. Гуннар Найгаард впоследствии был разработан ряд показателей pH диатомовых водорослей. Калибровав эти показатели по pH, Йоуко Мериляйнен представила первую передаточную функцию диатомового pH. Использование диатомовых водорослей и хризофит Ископаемые останки, исследовательские группы смогли ясно продемонстрировать, что многие северные озера быстро подкисились, параллельно с ростом промышленности и выбросов.^{[нужна цитата ]} Хотя озера также проявляли тенденцию к незначительному подкислению в течение их ранней (поздней ледниковой) истории, pH большинства озер оставался стабильным в течение нескольких тысяч лет до их недавнего антропогенного подкисления.

В последние годы палеолимнологи признали, что климат является доминирующей силой в процессах водных экосистем, и начали использовать озерные записи для реконструкции палеоклиматы. Чувствительные записи об изменении климата были разработаны на основе различных индикаторов, включая, например, палеотемпературные реконструкции, полученные из хирономида окаменелости и данные о палеосолености, полученные из диатомеи.^{[нужна цитата ]}

Пресная вода

Пресноводные макробеспозвоночные (беспозвоночные что можно увидеть невооруженным глазом; > 0,25 мм) представляют собой очень разнообразную группу мелких животных, присутствующих в реки, ручьи, озера и болота.^[9] Эти животные включают ракообразные, насекомые, моллюски, кольчатые червя и паукообразные. Они составляют функционально и таксономически разнообразную группу, которая играет важную роль в соединении пищевой сети в водная экосистема. Они служат основным источником пищи для рыб и зависят от различных видов водорослей и бактерий.^[10]

Большинство водных макробеспозвоночных имеют небольшие размеры, а некоторые довольно крупные, например, пресноводные раки. Они очень чувствительны к различным физическим и химическим условиям и соответственно реагируют на них из-за своей ограниченной подвижности. Например, их сообщество изменится, когда загрязнитель попадет в воду или из-за изменения качество воды. Следовательно, водный объект, богатый сообществом макробеспозвоночных, может использоваться для оценки состояния водного объекта.^[11]

Макробеспозвоночные, называемые «бентосом», населяют поверхности растительности, скал и других водных отложений. Они широко распространены в водной среде и присутствуют на разных трофических уровнях. Большинство таксонов макробеспозвоночных зависят от ряда абиотические факторы и биотические факторы и поэтому структура сообщества может использоваться для представления местной экосистемы. Этими факторами могут быть доступность и качество еды, pH, температура, засоленность, характер землепользования и поток воды и др. Эти факторы взаимосвязаны и влияют друг на друга. Например, любое изменение в землепользовании влияет на прибрежную растительность, которая может увеличиваться или уменьшаться, что изменяет входы в водную экосистему, влияя на численность и распределение таксонов макробеспозвоночных.^[12] По всем этим причинам макроинвертабраты считаются одним из лучших индикаторов качества воды.

Таксономические группы макробеспозвоночных

Таксономические группы макробеспозвоночных различаются по своей устойчивости к изменениям в водной среде.^[13][14]

Макробеспозвоночные как индикатор качество воды

Макробеспозвоночные обычно и широко распространены во многих типах водоемов и реагируют на многие виды стрессоров с различной чувствительностью. Они обычно используются для испытаний на токсичность и экологических оценок в водных объектах, и многие из них завершают свой жизненный цикл в одном водном объекте, поэтому они подвергаются непосредственному воздействию физических, химических и биологических стрессоров, а также учитывают долгосрочные и краткосрочные изменения. Когда источник пресной воды деградирует, сначала исчезают наиболее чувствительные виды беспозвоночных, а за ними следуют виды, более устойчивые к загрязнению. Эти виды либо сохраняют свое существование, либо их количество уменьшается в ответ на изменение.^[15]

Макробеспозвоночные - важная часть пищевой цепи. Их стратегии кормления можно сгруппировать в несколько групп «функционального кормления». Например, линящики питаются листьями и древесными материалами, некоторые зависят от растительности, произрастающей в водоеме. Примеры измельчителей: амфиподы, изоподы, пресноводные раки, и ручейник личинки.

Палеоклиматические прокси

Палеоклиматология (или изучение климата прошлого) использует косвенные данные, чтобы связать элементы, собранные в современных образцах, чтобы предположить климатические условия прошлого.

Ядра осадка

Керны отложений являются одним из основных инструментов для изучения палеолимнологии из-за той роли, которую отложения озер и рек играют в сохранении биологической информации.^[16] Палеолимнологи собирают керны отложений и наблюдать различные косвенные индикаторы, чтобы реконструировать прошлую лимнологию области.^[16] Некоторые из этих индикаторов включают геохимические маркеры и изотопные данные которые находятся в различных частях осадочного керна.^[16] Для калибровки данных группа из примерно 40 или более калибровочных озер используется для реконструкции того, что могут отражать условия нового керна.^[16] Использование этих калибровочных озер необходимо для выявления резких различий во вновь собранном керне по сравнению с обычными вариациями, которые будут отражены в калибровочных озерах. Используя керны отложений в качестве метода, палеолимнологи могут использовать другие прокси (такие как пыльца, древесный уголь, диатомеи, хирономиды, и другие органические вещества), чтобы реконструировать прошлые климатические условия области.^[16] Керны озерных отложений, в частности, предлагают более полный анализ территории из-за постоянного накопления отложений, а также других органических веществ, таких как пыльца и древесный уголь.

Записи пыльцы

Пыльцу и споры можно анализировать в лабораторных условиях, чтобы определить семейство, род или вид, к которым принадлежат пыльцевые зерна. Общий таксономический набор типов пыльцы отражает окружающую растительность озера. Анализ пыльцы это основная область в палеоэкология. Ряд статистических и качественных методов обработки данных о пыльце можно использовать для реконструкции прошлой растительности и климата.^[16]

Диатомеи

Таксономические комплексы диатомеи отражают многие аспекты температуры озера, химического состава и питательной среды. Диатомовые водоросли особенно подходят для палеолимнологии из-за их створок на основе кремнезема, которые сохраняются в достаточном состоянии и в достаточно больших количествах, чтобы их можно было идентифицировать до уровня видов.^[17] Диатомовые водоросли были исследованы в сочетании со статоспорами хризофека для оценки состояния питательных веществ в доисторических озерах умеренного пояса.^[17]

Характеристики органических веществ

Органическое вещество может быть охарактеризовано с точки зрения 1) количества (скорость накопления, отражающая продуктивность), 2) происхождения (водное или наземное, определяемое по соотношению C: N), 3) изотопный состав углерода (отражающий пути фотосинтеза растений C3 по сравнению с растениями C4. и отражающий засуху и / или продуктивность водной среды), 4) изотопный состав азота (отражающий источники азота и круговорота азота). Широко используется ряд биомаркеров, а также изотопные анализы на конкретные соединения. Диагенез является важным фактором, который следует учитывать при интерпретации записей об органических веществах.

Хирономиды

Хирономиды как показатель изменения климата: палеолимнология и хирономиды

Одним из основных факторов, влияющих на флору и фауну Земли, является изменение климата в местном, региональном и глобальном масштабе. Эти изменения сохраняются в течение определенного периода времени в виде летописи окаменелостей, и с помощью палеолимнологических методов эти изменения можно отследить, а также они полезны для прогнозирования будущего изменения климата. Хирономиды являются одним из лучших индикаторов изменения климата. Это две крылатые мухи, принадлежащие к семейству Chironomidae, насчитывающему от 500 до 15 000 видов. Экологически они считаются нижние жители и очень чутко реагируют на любые колебания окружающей среды. Они считаются хорошим индикатором соленость, глубина воды, ручей, продуктивность водной среды, уровень кислорода, подкисление озера, загрязнение, температура, и в целом здоровье экосистемы. Поскольку сборка хирономид зависит от нескольких факторы окружающей среды, их можно легко связать с этими изменяющимися факторами, используя передаточную функцию для связи определенной группы организмов с определенным переменная окружающей среды.^[18]

В озерных отложениях обитает богатое разнообразие окаменелых насекомых, восходящих к среднему палеозою, и большее их изобилие можно найти в четвертичный период. Среди водных беспозвоночных в озерных отложениях четвертичного периода прослеживаются различные семейства личинок водных мух. Среди них хирономиды имеют наибольшее экологическое значение из-за их разнообразной среды обитания в водной экосистеме, среды обитания нагула, важного компонента пищевой сети и, прежде всего, их использования в качестве плаеолимнологических исследований, поскольку их головная капсула и питательные структуры окаменели в отложениях озера. .^[19] Хирономиды завершают личиночную стадию в воде и ее жизненный цикл продолжается до нескольких лет, а продолжительность взрослой жизни очень коротка. Они играют важную роль в деградации материалов в водной экосистеме и служат важной частью пищевой сети на протяжении всего их жизненного цикла.^[20]

Изменение климата

Согласно с IPCC (2007) сообщает, что одним из жизненно важных аспектов окружающей среды является непрерывное изменение климата из-за нескольких факторов в течение определенного периода времени, влияющих на формирование биоразнообразия. Макробеспозвоночные, особенно хирономиды, считались важными индикатор из изменение климата в прошлом особенно температуры из-за их обилия в отложения озера как окаменелость. Существует сильная корреляция между сообществом хирономид и температурой воды, глубиной озера, соленостью и питательными веществами озера. Уровни воды в озере за прошедший период времени можно определить по комплексу хирономид из-за их корреляции. Это связано с тем, что изменение климата привело к изменению уровня воды в озере, что связано с изменением характера распределения и численности хирономид. Их сильная корреляция помогает собрать информацию об испарении и осадках в прошлом. Климатические условия прошлого реконструируются на основе палеолимнологии с помощью различных окаменелый записывает особенно озерные отложения, что помогает узнать региональные и местные изменения климата. Важно различать воздействия, которые накапливает озеро в результате изменения климата на региональном и местном уровнях.^[20]

Недавние исследования в Арктический показывает, что биоразнообразие влияет больше из-за арктическое потепление чем другие связанные факторы, такие как человеческие изменения и закисление.^[21] в Гималайский водные объекты региона не только подвержены антропогенным нарушениям, но также подвержены влиянию различных типов загрязняющих веществ, которые переносятся на эту территорию на большие расстояния. Жизненно важно понять все связанные факторы, влияющие на водное биоразнообразие, при анализе воздействия изменения климата за последние годы с помощью озерных отложений.^[22] Также важно учитывать, что влияние и интенсивность различных изменений, вызванных изменением климата, могут совершенно по-разному влиять на разные экосистемы в зависимости от его чувствительности к этому изменению.^[23]

Факторы, влияющие на распространение и численность хирономид

Есть несколько факторов, которые влияли на численность и характер распределения хирономид в последние годы. Поэтому важно соблюдать осторожность при интерпретации их летописей окаменелостей. В последние годы ведется несколько дискуссий о влиянии температуры на их численность и разнообразие, а также о других связанных с этим факторах. Для правильной интерпретации окаменелости, важно понимать все факторы, связанные с экосистемой. Чтобы понять различные силы, влияющие на ископаемое данные озера, важно восстановить физический, химические и питательное вещество содержание озер, которое фактически формирует сообщества. На их распространение и численность сильно влияет сочетание антропогенного воздействия и изменения климата. Оба они влияют на площадь водосбора, в результате чего меняется растительность, гидрология, и цикл питательных веществ. Любые изменения на региональном уровне, особенно температуры, влияют на качество воды в местном масштабе, а затем, в конце концов, влияют на среда обитания это зависит от вида.^[19]

Хирономиды и реконструкция количественного изменения Голоценовый климат

Продолжаются дискуссии о главном факторе, контролирующем распространение и численность хирономид. Несколько факторов считаются контролирующими факторами, особенно температура, которые, в свою очередь, контролируют другие поддерживающие факторы, включая pH, соленость, поток питательных веществ и продуктивность, особенно в конце Плейстоцен / Период таймера голоцена. В течение многих лет проводились исследования взаимосвязи между температурой и характером распределения хирономид в связи с ее влиянием на их вылет. Хирономиды прямо или косвенно подвержены влиянию температура в течение всего жизненного цикла, включая появление личинок, рост, питание и воспроизведение.^[19] Согласно Эггермонту и Хейри, существует косвенное влияние температуры на различные физико-химические аспекты воды, что привело к определению их распределения и численности. Также существует сильная связь между численностью хирономид, появление и распределение со средней температурой воздуха и воды.^[24]

Согласно исследованию, проведенному в высокогорное озеро Lej da la Tscheppain, Швейцария, реконструкция сезонной температуры может быть выполнена с помощью независимых хирономид и диатомовых водорослей. Любые изменения в составе хирономид отражают изменение температуры и продолжительности ледяного покрова этого конкретного водоема в результате изменения климата. Согласно их выводам, хирономиды в основном реагируют на изменение летней температуры, поэтому о сезонных колебаниях температуры можно судить по разным кернам отложений.^[25]

Различные ресурсы для применения анализа хирономид к озерным отложениям

1. Геологическая служба США собрала керны отложений из 56 озер по всей территории США в рамках проекта "National Качество воды Оценка »с 1992 по 200 гг. В этом отчете подробно описаны методы отбора керна.^[26]
2. Пробоотборник Glew (обычное средство сбора короткого керна) ^[27]
3. Ниже приведены несколько источников, которые можно использовать для идентификации хирономид.
   1. Королевский Энтомология Общество ^[28]
   2. BugGuide ^[29]
   3. Идентификация Chironomidae.^[30]
   4. Музей Виктории. На этом сайте есть несколько отчетов о Diptera и их идентификационных ключах. ^[31]

Смотрите также

• Палеоботаника
• Палеофикология

Рекомендации

1. Уокер, И. Р. 1987. Chironomidae (Diptera) в палеоэкологии. Обзоры четвертичной науки 6: 29–40.
2. Линдеман, Р. Л. 1942. Трофико-динамический аспект экологии. Экология 23, 399–418.
3. Диви, Э. С., мл. 1955. Уничтожение гиполиммона. Mem. Ist. Ital. Idrobiol., Suppl 8, 9–38.
4. Уокер, И. Р. 2006. Обзор хирономид. pp.360–366 в S.A. EIias (ed.) Encyclopedia of Quaternary Science, Vo1. 1, Эльзевир, Амстердам
5. Ливингстон, Д.А. 1957. О фазе роста сигмовидной кишки в истории пруда Линсли. Американский журнал науки 255: 364–373.
6. Уайтсайд. М. С. 1983. Мифическая концепция эвтрофикации. Hydrobiologia 103, 107–111.
7. Хорн, Александр Дж; Гольдман, Чарльз Р. (1994). Лимнология (Второе изд.). Соединенные Штаты Америки: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-023673-8.
8. Баттарби, Р. В. 1984. Анализ диатомовых водорослей и подкисление озер. Философские труды Лондонского королевского общества 305: 451–477.
9. макробеспозвоночные
10. Джонс, Дж. Иван; Сэйер, Карл Д. (август 2003 г.). «Оказывает ли каскад рыба – беспозвоночные – перифитон выпадение растений в мелководных озерах?». Экология. 84 (8): 2155–2167. Дои:10.1890/02-0422.
11. Генри, Марк (7 августа 2009 г.). «Вода: факты без мифов». Вода. 1 (1): 3–4. Дои:10.3390 / w1010003.
12. Смит, Роберт; Грезенс, Сьюзен; Кенни, Мелисса; Саттон-Гриер, Ариана (1 января 2009 г.). «Бентические макробеспозвоночные как индикаторы качества воды: пересечение науки и политики». Отзывы о наземных членистоногих. 2 (2): 99–128. Дои:10.1163 / 187498209X12525675906077.
13. Изображения макробеспозвоночных
14. Пресноводные макробеспозвоночные Нью-Йорка
15. М.Т., Барбур (1998). «Протоколы быстрой биологической оценки Агентства по охране окружающей среды США для использования в ручьях и водоемах, 1–35».
16. Биркс, Х. Джон. B .; Лоттер, Андре Ф .; Джаггинс, Стив; Смол, Джон П. (2012). Отслеживание изменений окружающей среды с использованием озерных отложений: обработка данных и численные методы. Springer. ISBN  978-94-007-2744-1.
17. Смол, Джон П. (1985-04-01). «Отношение панцирей диатомовых к статоспорам хризофека: полезный палеолимнологический индекс». Гидробиология. 123 (3): 199–208. Дои:10.1007 / BF00034378. ISSN  1573-5117.
18. Ильяшук Елена А .; Ильяшук, Борис П .; Тильманн, Войцех; Koinig, Karin A .; Псеннер, Роланд (1 ноября 2015 г.). «Динамика биоразнообразия мошек-хирономид в высокогорных озерах Альп за последние два тысячелетия». Сохранение и разнообразие насекомых. 8 (6): 547–561. Дои:10.1111 / icad.12137. ISSN  1752-4598.
19. Коэн, Эндрю С. (2003). Палеолимнология: история и эволюция озерных систем ([Online-Ausg.]. Ред.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0195133530.
20. Смол, под редакцией Райнхарда Пеница и Марианны С.В. Дуглас и Джон П. (2004). Долгосрочные изменения окружающей среды в озерах Арктики и Антарктики. Дордрехт: Спрингер. ISBN  978-1-4020-2126-8.
21. RAHEL, FRANK J .; ОЛДЕН, ДЖУЛИАН Д. (июнь 2008 г.). «Оценка воздействия изменения климата на водные инвазивные виды». Биология сохранения. 22 (3): 521–533. Дои:10.1111 / j.1523-1739.2008.00950.x. PMID  18577081.
22. Sharma, C.M; Шарма, S; Гурунг, S; Bajracharya, R.M; Юттнер, I; Прадхан, Н.С. (2009). «Глобальное изменение климата и высокогорные озера: влияние на водное биоразнообразие и состояние загрязнения». Управление природными ресурсами: обзоры и исследования водоразделов Гималаев. 44 (977): 103–122.
23. Бенистон, Мартин (2003). «Изменение климата в горных регионах: обзор возможных воздействий». Изменение климата. 59 (1/2): 5–31. Дои:10.1023 / А: 1024458411589.
24. Эггермонт, Хильде; Хейри, Оливер (май 2012 г.). «Отношения хирономид-температура: выражение в природе и палеоэкологические последствия». Биологические обзоры. 87 (2): 430–456. Дои:10.1111 / j.1469-185X.2011.00206.x. PMID  22032243.
25. фон Гунтен, Люсьен; Хейри, Оливер; Биглер, Кристиан; ван Леувен, Жаклин; Касти, Карло; Лоттер, Андр? F .; Штурм, Майкл (12 апреля 2007 г.). «Сезонные температуры за последние? 400? Лет, реконструированные из комплексов диатомовых и хирономид в высокогорном озере (Лей-да-ла-Чеппа, Швейцария)» (PDF). Журнал палеолимнологии. 39 (3): 283–299. Дои:10.1007 / s10933-007-9103-4.
26. Van Meter, P.C .; Уилсон, Дж. Т.; Callender, C.C; Малер, Б. Дж (2004). Сбор, анализ и определение возраста кернов отложений из 56 озер и водохранилищ США, отобранных Геологической службой США, 1992 - 2001 гг. Отчет о научных исследованиях 2004–5184, 180.
27. Глю, Дж (1991). «Миниатюрный гравитационный пробоотборник для извлечения коротких кернов отложений». J Палеолимнол. 5 (3): 285–287. Bibcode:1991JPall ... 5..285G. Дои:10.1007 / BF00200351.
28. Общество, Королевское Энтомологическое (12 октября 2010 г.). "Публикации | Королевское энтомологическое общество". www.royensoc.co.uk.
29. "Семейство Chironomidae - Мошки - BugGuide.Net". bugguide.net.
30. «Diptera - руководство по идентификации - Discover Life». www.discoverlife.org.
31. "Научные отчеты музея Виктории: Музеи Виктории". Museumvictoria.com.au.

внешняя ссылка

• Международная палеолимнологическая ассоциация (IPA)
• Журнал палеолимнологии (JOPL)
• Онлайн-сборник данных по палеолимнологии NOAA
• https://doi.org/10.18268/BSGM2018v70n1a10