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项目简介： 本项目属于地球与环境科学研究领域。本项目围绕全球变化生态响应这一核心问题，以含企鹅粪和生物残体的沉积序列为过去环境信息的载体，运用多学科交叉的方法，提出了沉积层中企鹅粪标型元素组合，探讨了企鹅过去几千年来种群数量时空变化及其与气候环境变化之间的关系，发现新冰期曾经导致企鹅数量锐减；提出了研究南极典型海洋动物古生态演化的生态地质学方法。在此基础上，通过海豹粪与海豹毛的研究，恢复了距今1500年海豹数量变化及其对冰盖进退的响应；发现粪土层中可溶相87Sr/86Sr以及N同位素组成的变化是研究南极生态变化敏感的指示计；首次重建了3000年来企鹅粪中Pb含量变化，揭示出工业革命以来人类活动已经影响到南极生态圈；发现粪土层中海豹毛的汞含量和早期人类金银提炼等活动盛衰的史实之间存在较好的对应关系；分析了南极地区F的地球化学行为及其对生态的影响; 系统研究了南极苔原C、N、S等元素在不同圈层界面上的循环过程。
本项目发表学术论文55篇，代表性研究成果发表在《Nature》上，被认为"是一种研究南极湖泊集水区历史时期企鹅数量新颖的生物地球化学方法，在不久的将来，它很可能形成某种活跃的研究领域"。研究成果直接推动了"南极无冰区生态地质学"的形成与发展。"Nature"网站对本项目研究成果作为"研究亮点"进行了专题评述；美国生态学会也对本项目成果进行了报道；美国权威综述性学术刊物《Science Progress》邀请撰写了综述性文章；世界气候变化研究权威机构"美国二氧化碳和全球变化研究中心"在该机构出版的"CO2 Science Magazine"上对该文进行了专题评论，认为应重新评估目前气候剧烈变化对南极生物多样性影响。国际环境界最权威学术期刊《Envion Sci Technol 》引用本项目9篇论文进行了有关“水环境体系中污染物生物介质传输”的专题评述；英国著名古湖沼学家Hodgson等在极地古环境研究专著中引用本项目有关"企鹅数量变化"与"粪土层中Pb"研究成果介绍南极和亚南极古湖沼研究进展。
主要发现点：
1.提出了Sr, F, S, P, Se, Ba, Ca, Cu, Zn等九种元素是企鹅粪土沉积的标型元素组合（第四纪地质学，1，10）；
2.利用企鹅粪标型元素，并结合数理统计方法（Q类因子分析方法）恢复了近3000年来企鹅数量的变化及其与环境变化之间的关系，发现1800-2300年的"新冰期"企鹅数量锐减（第四纪地质学，1，10）；
3.通过海豹毛、海豹粪土层标型元素，恢复了距今1500年以来南极海豹种群数量的变化及其与环境变化之间的关系，发现距今750-500年和距今1400-1100年海豹数量较多；距今1100-750年和距今500-200年海豹数量较少（第四纪地质学，2，10）；
4.发现企鹅与海豹粪土层中可溶相87Sr/86Sr比值和δ15N值能够用来作为南极海洋动物历史时期种群大小的新的指示计，提供了一种研究海鸟海兽生态历史的新的研究方法（第四纪地质学，3，10）；
5.发现阿德雷岛企鹅聚居地在波动中缩小，而巴登半岛企鹅聚居地在波动中扩大；建立了南极企鹅聚居地变动的生态模型。根据此模型可以确认历史时期企鹅聚居地的变动（环境生态学，9，10）；
6.首次分析了3000年企鹅粪重金属铅的浓度和最近几十年有机氯农药在粪土层中的记录，发现200年来人类活动已经对南极生态系统产生重要影响（环境毒理学，4，10）；
7.发现受到企鹅粪影响的土壤、植被和水体中F浓度都比较高，企鹅骨骼中具有致命的F浓度，该生物种群未患有氟骨病的原因很可能是在长期进化过程中适应高氟食料磷虾的结果（环境毒理学，10）；
8.通过法尔兹半岛古海蚀龛沉积的古环境记录研究，恢复了距今4600年以来该区冰盖的进退历史、地壳均衡抬升事件及古气候变化等高分辨古环境信息，并证明古海蚀龛沉积是研究南极无冰区和冰缘地区古环境演化历史的一种新的地质载体（第四纪地质学，9，10）；
9. 采用密闭箱法首次对南极苔原土壤CH4、N2O通量进行了系统观测，发现在南极极端环境下鸟粪土显示了高的CH4、N2O排放量，表明鸟粪土是南极大气中CH4、N2O的重要来源（环境生态学，6）；
10.通过对南极新鲜的企鹅粪及其粪土层挥发性组分的化学分析；首次发现企鹅粪是南极大气中硫组分的一个新来源（环境生态学，5）；
11. 首次将同步辐射加速器X荧光微区分析技术应用于南极生物组织研究（环境生态学，7）；
12. 首次分析了生物粪土和海豹毛中Hg的记录及其与大区域人类文明之间的关系，发现海豹毛中Hg的波动与历史时期全球一些主要的金银提炼活动盛衰具有时间上的对应性，为Hg的全球传输性提供了证据（环境毒理学，10）。
主要完成人：
1. 孙立广
项目负责人，进行了极地考察与采样，提出本项目的关键学术思想和技术路线。提出识别企鹅粪的标型元素组合方法(发现点1)；恢复了3000年来企鹅（发现点2）、1500年海豹（发现点3）数量记录；提出了企鹅聚居地变动的模型（发现点5）；提出用同位素手段研究南极海鸟海兽生态历史（发现点4）；研究了南极粪土层Pb（发现点6）、Hg（发现点12）的污染历史，提出古海蚀龛沉积环境研究（发现点8）和苔原温室气体研究（发现点9）等, 是10篇代表性论文（专著）的通讯作者。在该项研究中的工作量占本人工作量的100%。
2. 谢周清
项目主要参加者，1998-1999年参加了中国第十五次南极科考采集样品: 参与了历史时期企鹅数量与气候变化的研究（发现点2）；研究了南极环境介质中的F（发现点7）； 提出企鹅粪来源的硫是南极大气新的硫源（发现点10）；应用加速器X荧光分析方法研究了南极生态样品等(发现点11), 是代表性论文(专著)1, 4, 5, 7, 10的主要作者。在该项研究中的工作量占本人工作量的100%。
3. 朱仁斌
项目主要参加者，2001-2002年参加了中国第十八次南极科考并采集样品。参与了南极企鹅聚居地生态模型的研究（发现点5），对粪土层中Sr同位素进行了地球化学分析（发现点4）；对南极苔原温室气体排放通量进行了分析研究（发现点9）, 是代表性论文(专著)3, 6, 9的主要作者。在该项研究中的工作量占本人工作量的100%。
4. 刘晓东
项目主要参加者，2001-2002年参加了中国第十八次南极科考并采集样品。参与了古海蚀龛沉积环境的研究（发现点8）；对海豹粪土层进行了元素地球化学分析（发现点3）；对粪土层中氮同位素进行了分析研究（发现点4）, 是代表性论文(专著)2, 8, 10的主要作者。在该项研究中的工作量占本人工作量的100%。
5. 尹雪斌
项目主要参加者，1999-2000年参加了中国第十六次南极科考并采集样品。参与研究了南极生物粪、海豹毛中Hg等重金属（发现点12）、有机污染物（发现点6）的变化及其与人类文明活动之间的关系, 是代表性论文(专著)2, 10的主要作者。在该项研究中的工作量占本人工作量的100%。
10篇代表性论文：
1. A 3,000-year record of penguin populations/Nature
2. A 1500-year record of Antarctic seal populations in response to climate change/Polar Biology
3. HCl-soluble 87Sr/86Sr ratio in the sediments impacted by penguin or seal excreta as a proxy for the size of historical population in the maritime Antarctic/Marine Ecology-Progress Series
4. Changes in lead concentration in Antarctic penguin droppings during the past 3,000 years/Environmental Geology
5. A potential source of atmospheric sulfur from penguin colony emissions/Journal of Geophysical Research
6. Emissions of nitrous oxide and methane from Antarctic Tundra: role of penguin dropping deposition/Atmospheric Environment
7. Analysis of the distribution of chemical Element in Adelie Penguin bone using synchrotron radiation X-ray fluorescence/Polar Biology
8. Sediments in palaeo-notches: potential proxy records for palaeoclimatic changes in Antarctica/Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology
9. Geochemical evidence for rapid enlargement of gentoo penguin colony on Barton Peninsula in the maritime Antarctic/Antarctic Science
10. 专著: 南极无冰区生态地质学
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