湖北梁子湖近百年來環(huán)境演變歷史及驅(qū)動因素分析*

張清慧，董旭輝，羊向東

(中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)

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湖北梁子湖近百年來環(huán)境演變歷史及驅(qū)動因素分析*

張清慧，董旭輝**，羊向東

(中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)必須建立在歷史生態(tài)環(huán)境演化過程與驅(qū)動機制認識的基礎(chǔ)之上. 針對草型湖泊演化歷史研究相對不足的現(xiàn)狀，以長江中游典型草型湖泊梁子湖為研究對象，結(jié)合210Pb和137Cs年代測試，通過對沉積柱高分辨率的多指標分析(硅藻、元素地球化學和粒度)以及流域歷史資料重建近百年來梁子湖生態(tài)環(huán)境的演化過程，并在此基礎(chǔ)上利用冗余分析定量區(qū)分影響該湖泊生態(tài)環(huán)境演化的關(guān)鍵驅(qū)動因子. 結(jié)果顯示，沉積物總磷和重金屬元素Cu是影響該湖泊生態(tài)環(huán)境演化的2個顯著變量，它們分別單獨解釋硅藻組合的12.7%和8.5%變率. 這表明近百年來人類活動引起的營養(yǎng)輸入對梁子湖生態(tài)環(huán)境演化起關(guān)鍵性作用，而重金屬污染也是影響梁子湖環(huán)境演變的重要因子. 本研究結(jié)果可以為梁子湖及長江中下游其他類似湖泊的環(huán)境治理提供科學依據(jù).

梁子湖；湖泊沉積物；硅藻；冗余分析；環(huán)境演變

健康的湖泊生態(tài)環(huán)境是長江中下游地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1]. 近幾十年來，隨著氣候變暖和強烈人類活動的影響，該區(qū)淺水湖泊面臨著嚴重的水體富營養(yǎng)化問題，大多數(shù)湖泊已由水生植物茂盛、水質(zhì)清澈的以水草為主的草型湖陸續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)樵迦A頻發(fā)、水質(zhì)渾濁的以浮游藻類為主的藻型湖，生態(tài)環(huán)境明顯退化[2]. 從湖泊生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)功能來看，草型湖泊對于人類社會所需求的資源與環(huán)境以及支撐社會經(jīng)濟活動具有更大的服務(wù)價值[3]. 因此，了解草型湖形成與演化機制，對該區(qū)富營養(yǎng)藻型湖泊的生態(tài)修復(fù)具有重要意義，然而該區(qū)相關(guān)研究大多以富營養(yǎng)藻型湖泊為研究對象，而對生態(tài)狀況尚好的草型湖泊的研究開展得較少. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)是長期演化的產(chǎn)物. 為有效地修復(fù)和治理湖泊生態(tài)環(huán)境，確保湖泊資源可持續(xù)地為人類所用，需要我們從歷史的視角來考察湖泊環(huán)境的形成及演化機制，剖析自然條件和人類活動對湖泊環(huán)境演變的影響力度，進而探尋和確定湖泊生態(tài)環(huán)境退化和轉(zhuǎn)變的原因.

在淺水湖泊中，較快的沉積速率提供了連續(xù)無間斷的沉積記錄；成熟的年代學技術(shù)為獲得可靠的時間序列提供了依據(jù)；豐富的生物與環(huán)境信息為反演生態(tài)環(huán)境的長期變化提供了重要保證. 結(jié)合高分辨率的210Pb/137Cs 定年技術(shù)，基于沉積物多種理化-生物指標的分析，能有效地提供歷史時期湖泊水環(huán)境變化的信息[4]. 其中，沉積物生物指標硅藻因生命周期短、對環(huán)境變化響應(yīng)敏感、屬種豐富、能較好地保存于湖泊沉積物中，是古湖沼學研究使用最多的生物類群[5]. 在長江中下游地區(qū)，基于沉積物硅藻與理化指標，太白湖、龍感湖和巢湖等湖泊生態(tài)環(huán)境演化過程得以重建[4-7]，為這些湖泊的富營養(yǎng)化治理提供了重要信息.

湖泊生態(tài)環(huán)境往往同時經(jīng)受營養(yǎng)、水文和氣候等諸多環(huán)境因子的影響，而區(qū)分不同環(huán)境因子的影響力度是揭示湖泊生態(tài)環(huán)境演化機制的關(guān)鍵[8]. 近年來，隨著統(tǒng)計學的發(fā)展，特別是多元統(tǒng)計回歸、梯度分析理論如典型對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis, CCA)、冗余分析(redundancy analysis, RDA) 等方法的成熟，使得定量區(qū)分不同環(huán)境因子對湖泊生態(tài)環(huán)境的影響的研究成為可能[9]. 其中RDA 是一種直接梯度分析方法，能從統(tǒng)計學的角度來評價一個或一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[10-11]. 由于生物群落變化能反映水體環(huán)境變化的綜合信息[12]. 因此該類研究大多用硅藻(對水環(huán)境響應(yīng)非常敏感的生物)來代表水環(huán)境的演化，而用其他沉積指標或者流域相關(guān)歷史資料數(shù)據(jù)來進行解釋[13]. 在長江中下游地區(qū)，董旭輝等基于RDA分析方法，提取了太白湖能顯著解釋水環(huán)境演化的指標并揭示出影響該湖營養(yǎng)演化的主要驅(qū)動因素[13]；陳旭等基于RDA分析方法，定量區(qū)分巢湖近50年來營養(yǎng)、水文和氣候?qū)柙褰M合演替的影響，進而揭示出營養(yǎng)、水文和氣候變化共同作用下湖泊生態(tài)環(huán)境演化過程[8]. 這些研究均基于統(tǒng)計分析，很好地揭示了湖泊生態(tài)環(huán)境演化的驅(qū)動因素，為制定流域湖泊生態(tài)修復(fù)措施提供參考.

對梁子湖的演化歷史，一些研究分別從沉積物氮磷、重金屬元素、水生生物遺存和色素、有機質(zhì)穩(wěn)定同位素等方面進行了報道[14-17]，強調(diào)了人類活動在該湖演化歷史中的重要性，但未揭示出具體的環(huán)境變化驅(qū)動要素，也未系統(tǒng)地考慮多沉積指標間的相互作用與影響. 先前筆者所在課題組已基于梁子湖沉積巖芯210Pb/137Cs 測年和沉積硅藻序列，對該湖沉積硅藻揭示的歷史時期水生植被的信息進行了研究[18]. 考慮到近百年來相對較高的鉆孔分辨率及較多的歷史文獻資料，本研究選擇硅藻保存性較好的頂部49 cm沉積巖芯記錄，結(jié)合高分辨率的多指標分析(硅藻、粒度、地球化學指標等)，探討過去100年來梁子湖生態(tài)環(huán)境的演化過程，以降低單一沉積指標對環(huán)境指示的局限性和多解性，并通過冗余分析來提取能顯著解釋水環(huán)境演化的指標，定量區(qū)分不同環(huán)境因子對硅藻組合演替的影響，進而闡述影響該湖環(huán)境演化的主要驅(qū)動因素.

1　研究區(qū)概況

梁子湖(30°05′～30°18′N，114°21′～114°39′E)生態(tài)系統(tǒng)完整、物種豐富，自然屬性保持良好，是目前全國保護最好的淡水湖之一[19]. 水生植被發(fā)育良好，為典型草型湖泊. 該湖位于長江中游南岸、湖北省東南部，地跨武漢市江夏區(qū)(原武昌縣)和鄂州市，面積304.3km2，平均水深4.16 m[20]. 湖區(qū)屬北亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.8℃，年降水量1263.4mm. 湖水依賴地表徑流和湖面降水補給，集水面積3265 km2，補給系數(shù)10.7. 洪澇災(zāi)害時有發(fā)生，多年平均水位17.81 m[20]. 1960s前，該湖為通江敞水湖，高水位時與保安湖和鴨兒湖連成一片，水色明亮，水質(zhì)清澈，生物資源十分豐富[19]. 由于圍湖墾殖，1958年該湖與鴨兒湖、保安湖、三山湖完全分開. 1970年前后，流域內(nèi)掀起了圍湖墾殖高潮，至1972年梁子湖僅有水面334 km2(圍墾前面積454.6km2)[19]. 1972年以后, 隨著樊口新閘和電排泵站的修建，排水能力提高，梁子湖的圍墾進一步加劇，直到1980年梁子湖的圍墾才得以制止[19]. 目前，梁子湖營養(yǎng)狀態(tài)已從貧營養(yǎng)型進入中營養(yǎng)型，局部已接近富營養(yǎng)型[19].

2　研究方法

2.1采樣、沉積指標分析

2011年在東梁子湖(30°10′N，114°37′E，水深2.7m)利用重力采樣器采集長85 cm的柱狀沉積巖芯. 沉積巖芯現(xiàn)場分樣，每個子樣品厚度1 cm，樣品密封帶回實驗室后于<4℃保存以備分析測試. 本文僅對上部49 cm沉積柱進行分析. 實驗室分析項目包括210Pb、137Cs 活度、總磷(TP)、重金屬(多金屬元素間呈現(xiàn)強相關(guān)關(guān)系，下文以Cu為代表，表示人類活動導致的重金屬污染)、燒失量(LOI)、粒度和硅藻分析.210Pb和137Cs 活度采用高純鍺井型探測器(HPGe GWL-120-15) 測定. TP和Cu用等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES) 測定，儀器精度控制在重復(fù)測量誤差小于±5%. 燒失量是估算沉積物中有機碳含量有效而便捷的方法，它是在馬弗爐550℃下灼燒4 h測得[21]. 粒度用Mastersizer 2000型激光粒度儀測量，元素和粒度分析步驟方法詳見參考文獻[22]. 硅藻樣品采用鹽酸和雙氧水處理后制片的方法，種屬鑒定參照Krammer 和Lange-Bertalot(1986-1991年)的分類系統(tǒng)[23]，每個樣品的硅藻統(tǒng)計數(shù)以300粒為基數(shù)，屬種豐度以百分比表示.

2.2流域資料數(shù)據(jù)

由于采樣點位于東梁子湖鄂州市流域，因此選擇鄂州市人口數(shù)據(jù)反映流域人口情況，數(shù)據(jù)來源于《鄂州市志》[24]和中國經(jīng)濟與社會發(fā)展數(shù)據(jù)庫. 選用武漢氣溫距平來代表流域氣溫變化，武漢市旱澇等級來代表流域旱澇變化，1918-2000年武漢氣溫距平和旱澇等級數(shù)據(jù)分別源自文獻[25-26]，2000-2011年數(shù)據(jù)均取自國家氣候中心整理公布的中國160站逐月平均氣候資料進行補充. 為配合沉積指標數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，對人口數(shù)據(jù)采用均值內(nèi)插的方法建立連續(xù)的年均數(shù)據(jù).

2.3數(shù)值分析

梁子湖古湖水總磷濃度的定量重建基于鉆孔化石硅藻數(shù)據(jù)和已經(jīng)建立的長江中下游地區(qū)49個現(xiàn)代湖泊的硅藻-總磷轉(zhuǎn)換函數(shù)模型[27]. 在RDA分析中選擇至少在兩個樣品中出現(xiàn)且至少在一個樣品中含量大于1%的硅藻屬種(共計72個). 以硅藻組合作為響應(yīng)變量，所有環(huán)境因子(包括沉積速率、中值粒徑、燒失量、TP、Cu、人口、氣溫和旱澇等級)作為解釋變量，基于蒙特卡洛置換檢驗(P<0.01;n=499，非限制性置換) 逐步預(yù)選篩選出解釋硅藻組合演替的顯著因子. 為去除顯著因子之間共線性的影響，再對篩選出的所有顯著變量進行冗余分析，去掉膨脹系數(shù)最大的顯著因子，直到所有變量的膨脹系數(shù)小于5[28]. 確定顯著因子后，每次選擇一個顯著因子做解釋變量，余下顯著因子做協(xié)變量(covariable)，進行偏冗余分析(partial RDA)，計算每個因子單獨作用對硅藻組合演替的解釋份額. 蒙特卡洛置換檢驗(P<0.01;n=499，非限制性置換)用于分析解釋變量的顯著水平. 所有排序分析用CANOCO 4.5軟件進行[11].

3　結(jié)果

3.1鉆孔年代

梁子湖鉆孔年代結(jié)果已發(fā)表，詳細結(jié)果見參考文獻[18]. 考慮到近百年來相對較高的鉆孔分辨率及較多的歷史文獻資料，本研究選擇硅藻保存性較好的頂部49 cm(1919年)沉積巖芯記錄.

3.2沉積硅藻組合

梁子湖鉆孔沉積物中共鑒定出硅藻28屬170種，屬種豐富，包括浮游、附生和底棲類型. 其中，浮游種以Aulacoseiragranulata為主且在鉆孔11 cm以下占絕對優(yōu)勢.A.ambigua也保持一定含量并與A.granulata互為消長關(guān)系. 除此之外，其他浮游硅藻如A.alpigena，Cyclotellapseudostelligera，C.meneghiniana等也偶有出現(xiàn). 底棲種以Navicula和Nitzschia的類型以及Gyrosigmaacuminatum為主. 附生種類總含量很高，最高達73%，且屬種豐富，包括Achnanthesminutissima、Fragilariacapucina、Cymbellaspp.、Eunotiaspp.、Gomphonemaspp.、Epithemiaadnata等. 其中以A.minutissima、F.capucina為主要優(yōu)勢附生種，其它附生種如Cymbellaspp.、Eunotiaspp.、Gomphonemaspp.、E.adnata等也頻繁出現(xiàn)但含量相對較低. 此外，兼附生浮游的F.ulna也常以伴生種出現(xiàn). 根據(jù)硅藻豐度變化可劃分為4個組合帶(圖1)，詳細分析結(jié)果見參考文獻[18].

在梁子湖沉積柱170個硅藻屬種中，有68個在長江中下游地區(qū)轉(zhuǎn)換函數(shù)數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)，這68個屬種在每個樣品中的含量均超過82%. 結(jié)果顯示，整個沉積柱重建水體總磷值(DI-TP)相對穩(wěn)定，在52 μg/L上下波動.

圖1 梁子湖沉積柱主要的硅藻種群演替與硅藻重建水體總磷Fig.1　Main diatom species in the sediment core and diatom-inferred total phosphorus in water column of Lake Liangzi

3.3多指標對比

為綜合分析環(huán)境代用指標反映的環(huán)境演化信息，綜合硅藻、地球物理化學指標、氣候水文數(shù)據(jù)等進行綜合對比分析. 其中硅藻組合中選擇兩個主要優(yōu)勢屬種A.granulata和A.minutissima；地球物理化學指標包括TP、Cu、LOI、沉積速率和中值粒徑. 各指標之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系. 以硅藻組合圖譜的劃帶為基準，對多指標綜合分析，分析結(jié)果如圖2所示.

Ⅰ帶(49～37 cm；1918-1942 AD)這一時期硅藻組合以浮游種A.granulata占絕對優(yōu)勢，A.minutissima只是少量出現(xiàn). 地球化學指標、LOI以及粒度在整個沉積柱中均處于較低水平且相對穩(wěn)定，僅有小幅變化出現(xiàn)，其中LOI在39 cm(1940年)和48 cm(1920年)左右出現(xiàn)谷值.

Ⅱ帶(37～23 cm；1942-1963 AD)A.granulata含量明顯減少，與之同屬的A.ambigua含量顯著增多，A.minutissima含量逐漸增加. TP含量波動較大并在29 cm(1955年)和35 cm(1945年)處出現(xiàn)兩個凸值，Cu自27 cm(1958年)處開始增加，LOI、中值粒徑和沉積速率基本穩(wěn)定.

Ⅲ帶(23～11 cm；1963-1994 AD)硅藻組合中A.granulata含量總體呈減少趨勢，僅在本帶底部有所增加，之后又逐漸減少，與之同屬的A.ambigua含量顯著減少，而A.minutissima含量呈快速增加趨勢. 重金屬元素Cu含量仍保持高值，中值粒徑變粗，LOI和TP含量明顯增加.

Ⅳ帶(11～0 cm；1994-2011 AD)硅藻組合發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，附生種A.minutissima快速增加至剖面最大值，成為優(yōu)勢種，而A.granulata含量明顯減少，沉積速率及各地球化學指標均有不同程度的增加并達到剖面最大值，中值粒徑無明顯變化.

近百年來梁子湖流域氣溫變化具有明顯的階段性，1918-1942年為偏暖時段，1942-1994年為相對偏冷階段，而1994年以來氣溫明顯升高. 流域旱澇災(zāi)害頻繁，旱澇事件多發(fā)時段出現(xiàn)在1963年以后. 流域人口總數(shù)自1963年以后呈快速上升趨勢.

圖2 硅藻優(yōu)勢種、沉積速率、中值粒徑、地球化學指標以及梁子湖流域人口、氣溫與旱澇等級Fig.2　Changes of dominant diatom species, sedimentation rate, median grain size, geochemical indicators in the sediment core, and total population, temperature and drought and flood grade in the Lake Liangzi Basin

相關(guān)分析結(jié)果表明，以上10個因子可分為兩組不同的變量：第1組包括A.minutissima、沉積速率、中值粒徑、LOI、TP、Cu、人口和氣溫，這8個變量兩兩之間均呈顯著正相關(guān)，例如A.minutissima和沉積速率之間呈顯著正相關(guān)；第2組包括A.granulata和旱澇等級，其中A.granulata與第一組變量大多都呈顯著負相關(guān)，例如A.granulata與重金屬元素Cu呈顯著負相關(guān)，而旱澇等級與其它變量均無顯著相關(guān)關(guān)系(表1).

表1　多指標Pearson相關(guān)分析*

*Augr代表A.granulata；Acmi代表A.minutissima；MAR代表沉積速率； MD代表中值粒徑. 右上角為顯著性水平；左下角為相關(guān)系數(shù). **表示顯著水平P≤0.01，*表示顯著水平P≤0.05.

3.4冗余分析

冗余分析結(jié)果揭示了硅藻組合變化與環(huán)境因子之間的關(guān)系，結(jié)果顯示Cu和TP是影響硅藻組合變化的顯著變量(P<0.01)，這2個顯著變量前2個軸共解釋了硅藻數(shù)據(jù)方差的25.2%，選擇第1和第2排序軸做冗余分析的雙軸圖，記錄硅藻組合與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系. 如圖3所示，所有沉積樣品有規(guī)律地分布在平面圖中，組合帶Ⅰ到組合帶Ⅳ樣品點大致自左向右由TP和Cu的負方向向正方向轉(zhuǎn)移. 偏冗余分析結(jié)果表明，TP和Cu兩個環(huán)境因子單獨解釋率依次為12.7%和8.5%(表2).

圖3 冗余分析雙軸圖Fig.3　The biplot of redundancy analysis

表2 偏冗余分析結(jié)果和各個變量的顯著水平

4　討論

4.1梁子湖生態(tài)環(huán)境演化的特征

影響湖泊沉積的因素眾多且較復(fù)雜，對沉積物多環(huán)境指標進行綜合分析，可以消除單一沉積指標對環(huán)境指示的多解性所帶來的不確定性，使其對環(huán)境變遷的解釋更為合理和可靠. 基于梁子湖沉積物的多指標分析包括硅藻、粒度、沉積物總磷、重金屬元素等呈現(xiàn)出基本一致的階段性變化(圖2)且呈顯著相關(guān)(表1)，反映了湖泊生態(tài)系統(tǒng)各要素對環(huán)境變化過程響應(yīng)的一致性. 因此，梁子湖沉積物較好地記錄了過去近百年來該湖的環(huán)境演變過程. 基于此，結(jié)合流域歷史資料，根據(jù)沉積指標中沉積物粒度、營養(yǎng)指標(TP和LOI)和重金屬元素含量變化以及硅藻組合特征，對近百年來梁子湖環(huán)境演變的過程進行了重建，敘述如下：

1918-1942年間，該湖為通江敞水湖，水面開闊，高水位時與保安湖和鴨兒湖連成一片. 硅藻組合以A.granulata為優(yōu)勢種，它是一種硅化程度高、有較高沉降率且偏好于擾動強烈的水體以保證其懸浮于水柱的屬種[7]. 因此，此階段出現(xiàn)的大量A.granulata指示了較強的水體混合和水動力條件. 淺水湖泊的附生硅藻組合可以指示水生植被覆蓋度的變化[29]. 因此本階段一定含量的附生硅藻(如Gomphonema和Eunotia的種類)指示水生植物相對發(fā)育，但含量相對較低反映了當時水生植物發(fā)育程度不高，為水生植物的自然發(fā)育階段. 由于此階段水面開闊，采樣點離岸距離大，以及濱湖濕地植被對陸源顆粒物攔截功能，使得粗顆粒物質(zhì)很難到達湖心，因此中值粒徑較小. 另外，沉積物中營養(yǎng)指標和重金屬元素含量在整個沉積柱中均處于較低水平，說明當時流域人類活動干擾較小，湖泊沉積延續(xù)以往的自然演變軌跡. 推測當時該湖水體環(huán)境優(yōu)良，水動力條件較強，水生植被自然發(fā)育，湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定.

1942-1963年間，原先的通江敞水湖泊被人為地改造成了封閉型湖泊，水動力條件減弱，水體混合程度有所降低，不利于浮游種A.granulata發(fā)育，相反，適宜附生硅藻發(fā)育，各個附生硅藻種類均有不同程度的增加，說明當時水生植被有所增加. 沉積指標中除TP濃度在29 cm(1955年)和35 cm(1945年)處出現(xiàn)2個峰值外，其他營養(yǎng)指標與重金屬元素基本保持穩(wěn)定. TP出現(xiàn)的這2個峰值，反映了兩次營養(yǎng)水平快速升高的過程，可能指示了當年較大規(guī)模的洪水攜帶大量的營養(yǎng)鹽和泥沙等顆粒物質(zhì)進入水體，而且某些顆粒物質(zhì)類似于絮凝劑，能夠吸附營養(yǎng)鹽并最終沉積在沉積物中[30]，從而導致沉積物TP濃度升高，這與歷史文獻記載中的1954年和1948年的洪水事件相對應(yīng)[31]. 推測當時該湖水體環(huán)境仍較好，水動力條件減弱，水生植被有所增加，呈現(xiàn)出良性循環(huán)的相對穩(wěn)定的生態(tài)體系.

1963-1994年間，A.granulata豐度總體呈逐漸減少的趨勢，表明水動力條件逐漸減弱. 值得注意的是在20 cm(1972年)以下，A.granulata豐度較上一帶是先增加的. 這是由于受洪水的影響，湖泊水位升高，水體渾濁度迅速增加，因此比較適合A.granulata的生長，這與歷史文獻記載中的1962、1964和1969年洪水事件相對應(yīng)[31]. 而1972年樊口大閘建成后，排水能力提高，湖泊水位降低，A.granulata豐度也隨之逐漸減少. 沉積物的粒度增大暗示著人類對湖泊流域的擾動加大，使得大量未經(jīng)完全風化的物質(zhì)進入了湖泊[32]，因此本階段中值粒徑的顯著增大指示了人類活動的顯著增強. 1960s以來湖區(qū)受“以糧為綱”的影響，大面積的圍湖造田、毀林開荒，以及以1958年武漢鋼鐵公司的投產(chǎn)為代表的現(xiàn)代工業(yè)大發(fā)展[31]的影響下，沉積物營養(yǎng)指標和重金屬元素含量普遍增加.A.minutissima等附生硅藻含量快速上升，表明水生植被快速增加. 1970s湖泊圍墾和水利工程建設(shè)達到高峰期[31]以及人類活動的加強所導致的入湖營養(yǎng)鹽增加及圍墾所導致的湖泊淤積變淺，這些因素均有利于水生植物的大量生長. 同時水生植物生長發(fā)育可以吸收部分營養(yǎng)鹽，對懸浮物質(zhì)具有吸附和凈化等功能，能使水體TP濃度保持低值. 因此，本階段由于入湖營養(yǎng)鹽增加，水體營養(yǎng)水平略有升高. 同時附生硅藻反映水生植物的大量生長，有助于水體凈化，硅藻重建水體TP濃度始終低于60 μg/L.

1994-2011年間，沉積物TP含量明顯升高，生物多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)一定程度的退化. 平均沉積速率顯著增高(圖2)指示了流域人類活動強度的顯著增加，由此引起流域土壤侵蝕速率加快和入湖營養(yǎng)物質(zhì)等顯著增多，營養(yǎng)指標和重金屬元素均達到剖面最大值. 這一階段硅藻組合開始發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，A.granulata豐度持續(xù)下降，附生種A.minutissima明顯增加，成為優(yōu)勢種，但一些附生種如Eunotiaspp.和Gyrosigmaacuminatum在此階段逐漸減少甚至消失. 研究表明沉積附生硅藻記錄還可以揭示不同水生植物類型的變化[18]. 因此各類附生硅藻的衰退表明水生植被類型的變化，原有的水生植被群落發(fā)生改變，生物多樣性減少. 其中，在長江洪泛平原地區(qū)，A.minutissima適宜在TP濃度為57 μg/L左右的環(huán)境下生長[27]. 此屬種成為優(yōu)勢種時，表明水體TP濃度仍然較低，尚未發(fā)生富營養(yǎng)化. 事實上，水生植物的生長對營養(yǎng)和光具有競爭優(yōu)勢，可有效地減少沉積物中磷的再釋放；同時，水生植物的發(fā)育使得水體抗風浪能力增強，又可以抑制磷的再懸浮作用，使沉積物磷不參與再循環(huán)[13]，因此水體TP濃度始終低于55 μg/L，這表明草型湖對輸入的高濃度營養(yǎng)鹽具有較強的緩沖作用. 因此，本階段雖然營養(yǎng)蓄積速率明顯加快，該湖營養(yǎng)水平持續(xù)上升，但水體處于中營養(yǎng)水平，尚未發(fā)生富營養(yǎng)化.

4.2梁子湖生態(tài)環(huán)境演化的驅(qū)動因素分析

營養(yǎng)的輸入對梁子湖生態(tài)環(huán)境演化起關(guān)鍵性作用. 冗余分析結(jié)果顯示營養(yǎng)指標TP是最顯著的因子，其獨立解釋了硅藻組合變化的12.7%，是影響硅藻組合演替的最主要因素. 沉積物營養(yǎng)指標(如TP、TN、TOC等)含量高低與營養(yǎng)鹽輸入直接相關(guān)[33-34]，其含量增多往往指示湖泊營養(yǎng)富集. 然而，在草型湖泊中，營養(yǎng)鹽的輸入首先為水生植被的發(fā)育提供了條件，而水生植被的發(fā)育反過來對營養(yǎng)物質(zhì)起到了攔截、吸附和快速沉降的作用，降低可利用性營養(yǎng)鹽濃度，一定程度上減輕水體營養(yǎng)水平，這是一種負反饋調(diào)節(jié)作用. 因此，隨著流域人類活動的增強，雖然引起流域土壤侵蝕速率加快和入湖營養(yǎng)鹽增多，但由于水生植物的大量生長，水體尚未發(fā)生富營養(yǎng)化. 值得注意的是，在淺水湖泊中，當營養(yǎng)態(tài)處于一定的過渡范圍時，湖水既能在藻類增殖下變渾濁，又能在豐富的水生植被發(fā)育下變清潔[35]. 在營養(yǎng)鹽濃度達到與草型(藻型)生態(tài)系統(tǒng)相適應(yīng)的濃度閾值情況下，如果突然出現(xiàn)外部擾動(如風浪、高水位、魚等)，生態(tài)系統(tǒng)就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)化. 但是，如果營養(yǎng)鹽濃度尚未達到這一閾值，即使受外部擾動發(fā)生變化，一旦這種擾動消失后，原來的生態(tài)系統(tǒng)仍然可能會恢復(fù)，即生態(tài)系統(tǒng)的反彈[36]. 據(jù)資料顯示，目前梁子湖營養(yǎng)狀態(tài)已從貧營養(yǎng)型進入中營養(yǎng)型，局部已接近富營養(yǎng)型，主要是氮、磷超標[19]. 不僅如此，1990s以來沉積速率、TP與LOI含量的顯著增加也指示了流域營養(yǎng)蓄積速率與輸入量的明顯增加. 因此，為避免水環(huán)境繼續(xù)惡化，必須控制流域內(nèi)不當?shù)娜祟惢顒?

重金屬污染(以元素Cu為代表)對梁子湖生態(tài)環(huán)境有顯著影響，其單獨解釋了硅藻組合變化的8.5%. 重金屬可以通過巖石淋溶、大氣沉降、工業(yè)廢水、地表徑流等多種途徑進入水體環(huán)境，是水生生態(tài)系統(tǒng)中具有穩(wěn)固持久性的污染物質(zhì)之一[37]. 沉積物重金屬元素能夠反映自然與人類活動對湖泊的影響[38]，在工業(yè)化之前主要來自流域基巖和表土的侵蝕輸入，而近代以來重金屬元素含量增多往往與流域工業(yè)化進程緊密相關(guān)[39-40]. 1958年后，Cu含量快速升高反映流域工業(yè)快速發(fā)展導致大量的工業(yè)廢水排放入湖，使水體富營養(yǎng)化和重金屬污染，從而導致水質(zhì)惡化. 這與梁子湖周圍的武漢等地區(qū)1958年以來以武漢鋼鐵公司的投產(chǎn)為代表的現(xiàn)代工業(yè)大發(fā)展階段有關(guān)[41]. 據(jù)調(diào)查研究結(jié)果顯示，梁子湖重金屬Cu的濃度已超過我國1級地表水水質(zhì)標準，梁子湖逐步呈現(xiàn)重金屬污染的趨勢[37].

通常，湖泊水文要素(水動力強度及水位等)對淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響[8, 30]，但在梁子湖，水文要素對湖泊系統(tǒng)的影響相對有限. 盡管硅藻群落在湖泊建閘前后所導致的湖泊水擾動減弱、極端的洪水事件體現(xiàn)出了靈敏的響應(yīng)(如屬種A.granulata的變化，如上文所述)，但統(tǒng)計結(jié)果表明過去近百年來水文因素并不是主要的影響因素，整個湖泊生態(tài)系統(tǒng)(特別是水生植物群落)并未受到水文驅(qū)動. 導致這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因可能是：梁子湖面積大，水較深(大部分區(qū)域>4 m)，且長期維持低-中營養(yǎng)狀況. 在此種環(huán)境背景下，加之相對豐富的水生植被，水體相對清澈，短暫的洪水事件或較小的水位變化本質(zhì)上不影響生態(tài)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能. 換言之，梁子湖的自身具有較強的抗擾動性，恢復(fù)力較強. 相對于水文，營養(yǎng)、污染要素變率變幅大，且強度持續(xù)增加，因此環(huán)境效應(yīng)更為明顯. 當然，本研究僅采用了流域洪澇災(zāi)害的半定量記錄，一定程度上不能有效反映湖泊水文的真實狀況，因此，對梁子湖生態(tài)系統(tǒng)的水文響應(yīng)特征需開展更多的研究.

4.3對湖泊治理的啟示

該研究為長江中下游淺水湖泊的富營養(yǎng)化治理提供了重要信息. 首先，梁子湖近百年來環(huán)境演化過程與相對穩(wěn)定的水體TP重建值表明草型湖對高輸入的營養(yǎng)鹽具有較強的緩沖作用. 因此，這種TP濃度仍然較低的草型湖泊可以作為該區(qū)富營養(yǎng)化藻型湖泊治理潛在的基準湖泊. 其次，人類活動引起的營養(yǎng)輸入是調(diào)控該湖生態(tài)環(huán)境的主導因子. 對于草型湖泊，營養(yǎng)的輸入首先為水生植被的發(fā)育提供了條件，而水生植被的發(fā)育反過來對營養(yǎng)物質(zhì)起到攔截、吸附和快速沉降的作用，降低可利用性營養(yǎng)鹽濃度，一定程度上減輕水體營養(yǎng)水平. 但如果營養(yǎng)鹽濃度達到某一閾值情況下，草型生態(tài)系統(tǒng)會變的非常不穩(wěn)定, 其他外部條件的變化都有可能導致草型生態(tài)系統(tǒng)崩潰而轉(zhuǎn)向藻型生態(tài)系統(tǒng). 因此，為避免水環(huán)境繼續(xù)惡化，必須控制流域內(nèi)不當?shù)娜祟惢顒? 最后，重金屬污染也是影響梁子湖生態(tài)環(huán)境演變的重要因素. 重金屬具有難降解、生物富集以及放大作用，且隨著水文條件變化和人類活動干擾存在重新釋放到水體“二次污染”的風險[37]. 因此，湖泊管理者必須理性地評估當前的治理手段，并適當?shù)卣{(diào)整治理方法.

5　結(jié)論

1)梁子湖沉積柱高分辨率的多指標分析(硅藻、地球化學指標和粒度)揭示了近百年來梁子湖生態(tài)環(huán)境演變過程. 結(jié)果顯示：1960s以前該湖水體環(huán)境優(yōu)良，基本呈現(xiàn)出良性循環(huán)的相對穩(wěn)定的生態(tài)體系；1960s以后，隨著人類活動的逐漸加強，入湖營養(yǎng)鹽逐漸增多，但由于草型湖對高輸入的營養(yǎng)鹽具有較強的緩沖作用，水體尚未發(fā)生富營養(yǎng)化.

2)近百年來人類活動引起的營養(yǎng)輸入是調(diào)控湖泊生態(tài)環(huán)境的主導因子，而重金屬污染也是影響該湖生態(tài)環(huán)境的一個重要因素.

3)本研究證實了草型湖泊具有較強的環(huán)境緩沖作用的事實，因此梁子湖可以作為該區(qū)富營養(yǎng)化藻型湖泊治理的基準湖泊.

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Environmental evolution of Lake Liangzi and its driving factors over the past 100 years， Hubei Province

ZHANG Qinghui, DONG Xuhui**& YANG Xiangdong

(StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)

The restoration of lake ecosystems requires a good knowledge on the history in the lakes and the driving mechanism of environmental changes. Aimed at current situation of limited study on past environmental changes of macrophyte-dominated lake, Lake Liangzi, located in the middle reach of the Yangtze River, was selected for historical environment study. High-resolution multi-proxy (i.e. diatom, geochemistry and grain size),210Pb/137Cs dating of a sediment core collected from this lake and documentary data(i.e. population and air temperature) were analyzed to investigate environmental changes during the past one-hundred years. Furthermore, effects of key driver on the evolution of ecological environment were estimated quantitatively using the redundancy analysis. Results showed that total phosphorus and heavy metal element Cu from the sediments were two significant variables, explaining solely 12.7% and 8.5% of the variances in diatom data, respectively. Therefore, anthropogenic nutrient input was the most important factor on the environmental evolution of Lake Liangzi. Meanwhile, heavy metal pollution also imposed an important effect on this lake. The results of this study can provide a baseline of scientific information for environment restoration in the present lake and other similar lakes in the Yangtze floodplain.

Lake Liangzi; lake sediment; diatoms; redundancy analysis; environmental change

J.LakeSci.(湖泊科學)， 2016， 28(3)： 545-553

10.18307/2016.0310

?2016 byJournalofLakeSciences

*國家自然科學基金項目(41102105，41472314，41530753)資助. 2015-06-23收稿；2015-09-28收修改稿. 張清慧(1990～)，女，博士研究生；E-mail: zqh900317@163.com.

**通信作者；E-mail: xhdong@niglas.ac.cn.