1960s以來白洋淀水文、環(huán)境、生態(tài)演變趨勢

易雨君，林楚翹，唐彩紅

(1：北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)(2：北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，是動(dòng)植物重要的棲息環(huán)境，也是自然界最富生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng). 其具有抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等生態(tài)服務(wù)功能，被譽(yù)為“地球之腎”、“生命的搖籃”、“文明的發(fā)源地”和“物種的基因庫”[1-3]. 近年來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，濕地面積大幅度持續(xù)縮減. 據(jù)世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的統(tǒng)計(jì)，1900 年以來全球已有接近50%的濕地消失[4]，越來越多的濕地正面臨嚴(yán)重的危機(jī). 我國也針對此危機(jī)采取了包括立法、建立自然保護(hù)區(qū)等一系列濕地保護(hù)與管理的相關(guān)措施，截至2015年，共投入保護(hù)資金150億元, 減緩了49%的濕地功能衰退[5].

白洋淀位于海河流域大清河水系的“九河下梢”(圖1a)，是我國華北平原為數(shù)極少且最大的淡水湖泊濕地. 白洋淀曾經(jīng)水域遼闊，水質(zhì)良好，水產(chǎn)資源豐富，享有“華北之腎”、“華北明珠”等美譽(yù)[6],發(fā)揮著調(diào)節(jié)氣候、蓄水興利、漁葦生產(chǎn)、旅游景觀、保護(hù)生物多樣性等多種重要生態(tài)功能. 近半個(gè)世紀(jì)以來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的綜合作用，白洋淀濕地面臨水源不足、濕地萎縮、水體污染、泥沙淤積、生物多樣性減少等問題，水質(zhì)污染影響了白洋淀流域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活用水安全，導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退[7-8].

為了“把白洋淀修復(fù)好、保護(hù)好”[9]，國家和地方政府也采取了一系列生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施. 2002年，河北省政府批準(zhǔn)《白洋淀濕地自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃》，設(shè)立了白洋淀濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)；2012年，《白洋淀省級(jí)自然保護(hù)區(qū)總體規(guī)劃(修編版)》對保護(hù)區(qū)進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)一步擴(kuò)大了保護(hù)區(qū)范圍與面積；2015年，河北省發(fā)展和改革委員會(huì)編制了《白洋淀環(huán)境綜合整治與生態(tài)修復(fù)規(guī)劃(2015-2020年)》，指出實(shí)施引水補(bǔ)水調(diào)水、污染源綜合治理、村鎮(zhèn)綜合整治、入淀河流整治、淀區(qū)管護(hù)維護(hù)、區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和能力設(shè)施建設(shè)等8項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)；2017年，白洋淀與洱海、丹江口一起被納入環(huán)境保護(hù)部“新三湖” 水污染治理體系. 2017年4月1日，中共中央、國務(wù)院設(shè)立河北雄安新區(qū). 2018年4月中共河北省委、河北省人民政府頒布的《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》正式劃定了雄安新區(qū)的范圍(圖1b)，白洋淀作為雄安新區(qū)的后花園，統(tǒng)籌城水林田淀系統(tǒng)治理，做好白洋淀生態(tài)環(huán)境保護(hù)，恢復(fù)“華北之腎”功能，是雄安新區(qū)打造新時(shí)代生態(tài)文明典范城市的重要環(huán)節(jié). 2019年1月頒布了《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃(2018-2035年)》，規(guī)劃從流域治理角度出發(fā)，統(tǒng)籌考慮了水量、水質(zhì)、生態(tài)3大要素，以白洋淀水質(zhì)、水生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)為抓手，通過補(bǔ)水、治污、清淤、搬遷等措施綜合治理，全面恢復(fù)白洋淀“華北之腎”功能，使“華北明珠”重放光彩[10].

1 材料與方法

1.1 白洋淀概況

白洋淀流域是海河流域大清河水系中游的緩洪滯洪區(qū)，承擔(dān)著洪水調(diào)蓄功能，是我國水資源開發(fā)利用程度最高、水資源最為緊缺的流域之一，對維護(hù)華北平原的生態(tài)平衡起著不可替代的作用[19]. 它承接著大清河水系九條河流來水，有“九河下梢”之稱，現(xiàn)代地理中這9條河是指潴龍河、孝義河、唐河、清水河、瀑河、府河、萍河、漕河、白溝引河(圖1a).

不同于太湖、巢湖等其他大型淺水湖泊，白洋淀地形獨(dú)特，河淀相連、溝壑縱橫，3700多條溝壕和河道將143個(gè)大小不同的淀泊連接在一起，形成蘆葦田、園田臺(tái)地、洼地、村莊相融合的獨(dú)特自然景觀[20]. 在眾多淀泊中，超過600萬m2淀泊共7個(gè)，包括白洋淀、燒車淀、馬棚淀、羊角淀、池魚淀、后塘、小北淀，60萬～600萬m2的淀泊共24個(gè)，60萬m2以下的淀泊共112個(gè)，在所有淀泊中白洋淀面積最大，故得此名[21]，水域、臺(tái)田、耕地與農(nóng)田是白洋淀的主要景觀類型.

1.2 研究方法

本研究通過收集并整理文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)年鑒、保定市水文局和國家氣象數(shù)據(jù)中心的歷史數(shù)據(jù)，與課題組采樣數(shù)據(jù)相結(jié)合，歸納總結(jié)了白洋淀水量、水質(zhì)與水生態(tài)的演變歷程. 具體參數(shù)包括：氣溫、降水量、入淀水量與水位；水體中總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)濃度和沉積物中重金屬含量；水生態(tài)系統(tǒng)中維管束植物、浮游生物、底棲動(dòng)物、魚類和其他生物物種數(shù)等. 其中，課題組共選擇12個(gè)有代表性的區(qū)域進(jìn)行調(diào)查和采樣，采樣點(diǎn)按生境類型可分為干擾區(qū)和半自然區(qū). 其中干擾區(qū)采樣點(diǎn)包括：端村(D1)、圈頭(D2)、淀頭(D3)、鴛鴦島(D4)、東關(guān)碼頭(D5)和旅游碼頭(D6)；半自然區(qū)包括采蒲臺(tái)(S1)、光淀張莊(S2)、棗林莊(S3)、王家寨(S4)、大口子(S5)和燒車淀(S6)(圖1c). 歷史數(shù)據(jù)所引用的參考文獻(xiàn)標(biāo)注在圖題上，其余數(shù)據(jù)來自課題組采樣或保定市水文局、國家氣象數(shù)據(jù)中心.

圖1 白洋淀流域示意圖：(a)白洋淀流域水系結(jié)構(gòu)及主要水庫分布；(b)白洋淀及雄安新區(qū)區(qū)域圖；(c)白洋淀淀區(qū)地形及采樣點(diǎn)分布 Fig.1 Baiyangdian Basin schematic diagram: (a) Baiyangdian Basin water system structure and main reservoirs distribution; (b) Regional map of Lake Baiyangdian and Xiong’an New District; (c) Distribution of topography and sampling sites in Lake Baiyangdian

2 水文條件

2.1 水系格局

1960s以前，白洋淀上游河流基本未受人類活動(dòng)干擾，徑流通暢，九河入淀，而后經(jīng)趙北口自溢東去，但也因泄水不暢經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害. 1963年特大洪水災(zāi)害后，在“上蓄、中疏、下導(dǎo)、適當(dāng)?shù)販钡姆篮樵瓌t指導(dǎo)下，白洋淀上游河流水系開始修建一系列水利工程，包括百萬立方米以上的大、中、小型水庫53座，60萬m2以上灌區(qū)36處，大、中型揚(yáng)水站44個(gè)，灌溉面積約為30億m2. 新蓋房水利樞紐工程的興建和白溝引河的開挖，使原來不入淀的大清河北支也經(jīng)由此入淀；唐河新道的建成，切斷了金線河與清水河的入淀通道；府河清污分流，清水入淀，污水排入唐河污水庫；屬于平原河流的孝義河、萍河常年干枯斷流；至此白洋淀實(shí)際入淀河流僅剩6條. 下游出口則由棗林莊閘和趙北口溢流堰控制，自趙王新河入大清河. 水利工程的修建有利于防洪除澇和灌溉，但也改變了白洋淀流域的水系格局，白洋淀由天然過水型湖泊轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ふ{(diào)蓄型湖泊. 目前，入淀河流有大清河北支南拒馬河和白溝河來水經(jīng)白溝引河、新蓋房閘入淀，大清河南支8條入淀河流除府河、孝義河外，其他河流僅在汛期有少量徑流入淀.

圖2 白洋淀1960-2019年期間氣候狀態(tài)Fig.2 Climate state of Lake Baiyangdian during 1960-2019

2.2 氣候狀態(tài)

受氣候變化影響，自1950s以來，白洋淀淀區(qū)年平均降水量呈現(xiàn)較大波動(dòng)趨勢，總體呈逐步減少趨勢. Walter和Breckle于1985年提出了氣候狀態(tài)圖，通過溫度和降水的季節(jié)變化、干旱和濕潤季節(jié)的長度和強(qiáng)度等大量氣候信息表征陸地植被分布和氣候的關(guān)系[22]. 王兆印根據(jù)我國的氣候特點(diǎn)，給定了適合我國氣候特征的月降水量與氣溫的對應(yīng)關(guān)系[23]. 白洋淀多年平均氣溫為12.3℃，多年平均降水量為445 mm. 基于安新水文站1960-2019年的月降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)繪制的氣候狀態(tài)圖(圖2)可知，白洋淀屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明且雨熱同期. 旱季(3-6月、9-11月)降水量低，溫度線位于降水量線上方，氣候干冷，不利于植被發(fā)育，降水是該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演化的限制因子；雨季降雨豐富，且主要集中在7、8月，多以暴雨的形式出現(xiàn)，降水量線在氣溫線上方，氣候濕熱，此期間溫度為白洋淀生態(tài)系統(tǒng)演化的限制因子.

空間分布上，白洋淀流域降水的特點(diǎn)是地域分布比較均勻，降水量空間分布從西北山區(qū)向東南平原區(qū)略減[24]. 白洋淀降水量年際變化大，大多數(shù)年份降水量小于多年平均降水量，大于平均降水量的年份降水量約為多年平均降水量的2倍，常以局部暴雨的形式，易形成洪澇災(zāi)害.

2.3 入淀水量與補(bǔ)水

白洋淀入淀水量來自天然徑流、上游水庫補(bǔ)水和跨流域調(diào)水3部分. 入淀水量的變化隨著自然和人類活動(dòng)的影響大致可以劃分為以下3個(gè)階段(圖3)：第Ⅰ階段為1965年前，未修建水利工程，入淀水量豐富，1956年達(dá)到51億m3，與降水量基本同步，淀區(qū)水位在8 m左右波動(dòng)，棗林莊樞紐對水位進(jìn)行有效調(diào)控；第Ⅱ階段為1965-1997年，此時(shí)大量水利工程竣工并投入使用. 入淀水量明顯減少，1978年減少到11億m3，淀區(qū)水位急劇降低，干淀現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生. 1983-1987年白洋淀更是經(jīng)歷了長達(dá)5年的干淀期，生態(tài)環(huán)境急劇破壞. 從1981年開始，上游水庫開始對白洋淀進(jìn)行間歇性補(bǔ)水；第Ⅲ階段為1997年至今，人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致用水量增加，入淀水量急劇減少，多年平均入淀水量僅為2.4億m3，自然徑流急劇減少，上游水庫開始對白洋淀的補(bǔ)水力度加大，“引岳濟(jì)淀”、“引黃入冀”以及南水北調(diào)等生態(tài)補(bǔ)水工程陸續(xù)實(shí)施，白洋淀水位開始恢復(fù)，在7 m左右波動(dòng)，2015年后水位持續(xù)升高. 這些措施避免了白洋淀水位降低甚至發(fā)生干淀的風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上遏制了白洋淀生態(tài)環(huán)境的破壞. 但人工補(bǔ)水改變了年內(nèi)入淀流量過程，洪峰流量由7-8月變?yōu)樯鷳B(tài)補(bǔ)水下的2-4月，干擾了部分生物的生命節(jié)律.

旅游產(chǎn)品都有一個(gè)共性的問題—淡旺季問題，在旺季時(shí)景區(qū)人頭攢動(dòng)，而淡季時(shí)人煙稀少，這跟季節(jié)、氣候、節(jié)假日等有很大的關(guān)系。景區(qū)應(yīng)根據(jù)人群流動(dòng)規(guī)律，針對性地進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)整，在淡季時(shí)做一些主題性活動(dòng)節(jié)，結(jié)合旅游者的需求情況，形成一系列的衍生產(chǎn)品。在旺季時(shí)使游客錯(cuò)峰出游，有效緩解節(jié)假日景區(qū)人擠人的現(xiàn)象，拓寬景區(qū)游客面，同時(shí)提升游客在景區(qū)的滯留時(shí)間，促進(jìn)景區(qū)盈利多樣化發(fā)展，讓淡季不淡，旺季更旺。

圖3 白洋淀入淀水量及水位演變過程(水位為1985年國家高程基準(zhǔn))[25-26]Fig.3 Evolution process of water quantity and water level in Lake Baiyangdian (the water level is the national elevation standard in 1985)[25-26]

為了緩解入淀流量減少導(dǎo)致的淀區(qū)水位下降甚至干淀狀況的發(fā)生，1981-2019年從上游水庫(王快水庫、西大洋水庫、安各莊水庫、岳城水庫)、“引黃濟(jì)淀”、“引黃入冀”補(bǔ)淀、南水北調(diào)等工程向白洋淀人工補(bǔ)水46次，累計(jì)輸水總量為192.6×108m3(圖4). 2004年完成“引岳濟(jì)淀”補(bǔ)水工程，從海河岳城水庫累計(jì)引水1.6×108m3； 2006-2011年先后實(shí)施了5次“引黃濟(jì)淀”工程，共計(jì)引水入淀5.1×108m3；2016年開工建設(shè)“引黃入冀”補(bǔ)淀工程，自濮陽黃河渠村閘引水，規(guī)劃每年向白洋淀生態(tài)補(bǔ)水2.55×108m3；2018年南水北調(diào)工程實(shí)施后，通過易縣的瀑河、北易水兩個(gè)退水閘向白洋淀補(bǔ)水，年補(bǔ)水量約為1億m3. 這些措施在一定程度上提高了白洋淀的水位，避免了干淀狀況發(fā)生，對遏制白洋淀生態(tài)退化起到了良好作用，未來更加穩(wěn)定和常態(tài)化的生態(tài)補(bǔ)水措施將持續(xù)為雄安新區(qū)的建設(shè)和發(fā)展保駕護(hù)航.

圖4 白洋淀歷史補(bǔ)水水源/補(bǔ)水時(shí)間及補(bǔ)水量分布[27-28](柱狀圖表示補(bǔ)水量，曲線對應(yīng)補(bǔ)水持續(xù)時(shí)間)Fig.4 Historical replenishment water source/replenishment time and replenishment water distribution in Lake Baiyangdian[27-28]

3 水環(huán)境問題

在Web of Science使用主題詞“Baiyangdian”進(jìn)行檢索，采用CiteSpace軟件繪制了不同時(shí)間的主要關(guān)鍵詞. 圖5反映了不同時(shí)期白洋淀的研究重點(diǎn)，研究的重視程度在一定程度上反映了當(dāng)時(shí)的環(huán)境生態(tài)問題. 關(guān)于白洋淀的研究從1995年開始出現(xiàn)在國際期刊上，關(guān)注的重點(diǎn)是水質(zhì)，尤其是氮、磷的問題；21世紀(jì)初，隨著入淀水量的減少，入淀河流與湖泊的關(guān)系研究開始成為關(guān)注的焦點(diǎn)；2008年開始，關(guān)于白洋淀的污染問題，特別是富營養(yǎng)化和新興污染物的問題成為熱點(diǎn)；2012年開始，沉積物的污染、新興污染物如多環(huán)芳烴等受到重視，白洋淀生態(tài)修復(fù)開始提上日程.

圖5 白洋淀CiteSpace關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)圖Fig.5 Time zone of Lake Baiyangdian with CiteSpace keywords

研究的發(fā)展趨勢在一定程度上反映了不同時(shí)期白洋淀的關(guān)鍵環(huán)境問題. 針對以上幾個(gè)主要關(guān)鍵詞，進(jìn)一步分類進(jìn)行檢索(附表Ⅰ). 隨著人類活動(dòng)的增強(qiáng)，白洋淀整體的水質(zhì)條件逐漸惡化，尤其在2005年以后，常年處于Ⅴ類或劣Ⅴ類[29-30]. 水質(zhì)的惡化引起了廣泛的關(guān)注，關(guān)于白洋淀水質(zhì)問題的研究也在這一時(shí)期逐漸增多. 2010-2014年，隨著“十一五水專項(xiàng)”的實(shí)施，每年相關(guān)的論文數(shù)量基本在20篇以上(附圖Ⅰa). 然而，水質(zhì)條件并沒有隨著研究的增多而改善，其原因可能是在一種污染得到有效治理的同時(shí)，新的污染問題又開始出現(xiàn)；或是環(huán)境的治理不只是科學(xué)研究一方面的事情，從認(rèn)識(shí)污染、到治理方法、再到落實(shí)治理措施，是一個(gè)研究和管理共同作用的過程.

白洋淀富營養(yǎng)化狀態(tài)和相關(guān)研究的論文數(shù)量分布呈現(xiàn)很好的同步關(guān)系(附圖Ⅰb). 該方面研究從2005年開始逐步增加，在2012、2013年達(dá)到峰值，在此期間，白洋淀的富營養(yǎng)化狀況為中度富營養(yǎng). 自2015年，白洋淀富營養(yǎng)化程度由中度向輕度轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的研究熱度也有所降低，特別是2017年雄安新區(qū)設(shè)立以來，水體富營養(yǎng)化問題得到了較好的控制. 相比富營養(yǎng)化的研究，重金屬和新興污染物的研究則少得多，但可以看出，兩者的研究一直較為平穩(wěn)(附圖Ⅰc,d). 由于新興污染物具有穩(wěn)定性、高毒性等特點(diǎn)，將是未來白洋淀區(qū)域治理研究需要持續(xù)關(guān)注的問題.

3.1 水體質(zhì)量

白洋淀水體污染的來源廣、途徑多、種類復(fù)雜. 污染的主要來源有：由府河排入淀內(nèi)的保定市生活污水，及其他上游河流汛期徑流匯入的污染物、農(nóng)業(yè)污染源、城鎮(zhèn)污染源、旅游業(yè)污染源等. 1973年以來，白洋淀水質(zhì)總體上呈惡化趨勢，水質(zhì)條件受入淀水量影響大(圖6)[29,31]. 1973-1983年期間，除1975年由于突發(fā)性水污染事件水質(zhì)為Ⅴ類水外，其他年份水質(zhì)均優(yōu)于或等于Ⅲ類水；1985、1986年為極干旱年，干淀的同時(shí)水質(zhì)為 Ⅳ 類；1987-1996年，隨著自然徑流的恢復(fù)和間歇性補(bǔ)水，水質(zhì)依然維持在優(yōu)于或等于Ⅲ類水；進(jìn)入21世紀(jì)后，白洋淀入淀流量急劇下降，水體惡化加劇，水質(zhì)等級(jí)多處于Ⅳ類、Ⅴ類，甚至在2005、2006、2014和2015年為劣Ⅴ類.

圖6 白洋淀逐年水質(zhì)等級(jí)與入淀水量(水質(zhì)等級(jí)1～6分別表示Ⅰ～劣Ⅴ類水體)[29,31]Fig.6 Annual water quality grade and the amount of water into Lake Baiyangdian(the water quality grade 1 to 6 represent Ⅰ-worse Ⅴ water body, respectively) [29,31]

作者分別統(tǒng)計(jì)了近年來白洋淀水體中TN、TP、COD和DO的逐年平均濃度變化趨勢(圖7)，根據(jù)我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中的湖、庫水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP和TN自1997年以來一直維持在較高濃度水平，尤其是TP濃度大部分年份超過了V類水標(biāo)準(zhǔn). 2019年，通過一系列治理措施，TP和TN濃度均有大幅度下降，基本能滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn). COD濃度自1970s以來，一直呈逐漸升高態(tài)勢，2005年以前屬于Ⅲ類及以下；2006-2018年平均濃度為31.58 mg/L，水質(zhì)多屬于Ⅲ～Ⅴ類之間. 從淀區(qū)COD平均濃度來看，2006年開始水質(zhì)明顯惡化. 白洋淀DO濃度較高，多處于Ⅲ類水及以上，對水質(zhì)不構(gòu)成威脅.

圖7 白洋淀淀區(qū)水體主要水質(zhì)因子逐年濃度：(a) 總氮；(b) 總磷；(c) 化學(xué)需氧量；(d) 溶解氧[20,31-32] Fig.7 Annual concentration level of main water quality factors in the water of Lake Baiyangdian: (a) total nitrogen; (b) total phosphorus; (c) chemical oxygen demand; (d) dissolved oxygen[20,31-32]

圖8 1996-2018年白洋淀水體氮磷組成比率Fig.8 TN/TP of water body in Lake Baiyangdian from 1996 to 2018

圖9 白洋淀不同采樣點(diǎn)沉積物粒徑組成Fig.9 Composition of sediment particle size at different sampling sites of Lake Baiyangdian

氮磷組成比率(TN/TP)是衡量水體中氮或磷元素為藻類生長限制因子的關(guān)鍵指標(biāo). Guildford和Hecky[33]在Redfield比值的基礎(chǔ)上，重新定義了淡水湖泊TN/TP的取值范圍：TN/TP質(zhì)量比小于9時(shí)藻類生長缺少氮元素，為氮限制；TN/TP質(zhì)量比大于23時(shí)為磷限制；TN/TP質(zhì)量比為9～23時(shí)，藻類生長受N和P共同限制[33-34]. 從近23年來白洋淀TN/TP計(jì)算結(jié)果可以看出(圖8)，TN/TP比值波動(dòng)較大，最大值為32(2003年)，最小值為0.72(1996年)，僅有3個(gè)年份TN/TP略低于9，表明白洋淀藻類生長整體為P限制和N、P共同限制. 從2007年白洋淀水污染防治被列入國家“水專項(xiàng)”項(xiàng)目，開展實(shí)施“白洋淀水質(zhì)改善與沼澤化控制技術(shù)及工程示范研究”以來，TN/TP幾乎維持在23∶1以上，因此可以認(rèn)為目前白洋淀藻類的生長限制性營養(yǎng)元素為磷.

3.2 沉積物

白洋淀位于“九河下梢”，承接著上游的徑流，同時(shí)也攜帶了大量的泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)，這些物質(zhì)隨徑流進(jìn)入淀區(qū)后，由于水流速度減緩，懸浮物進(jìn)一步沉降，大量的泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)和污染物沉積在淀區(qū).

根據(jù)白洋淀上游河流1951-1989年間的實(shí)測輸沙量，白洋淀上游河流多年平均輸沙總量為5871.02萬m3，多年平均輸沙量為173.1萬m3，多年平均出口輸沙量為1.47萬m3[35]，大量泥沙在此淤積，河床抬升. 進(jìn)入淀區(qū)的泥沙從河流入口附近呈扇形向中心區(qū)域逐漸推進(jìn). 北部的藻窄淀泥沙淤積最為嚴(yán)重，受泥沙淤積以及水量減少的影響，其平均水深不超過1 m. 上游水庫的興建大大緩解了入淀的泥沙量，據(jù)估計(jì)，上游水庫攔沙量約為2億m3. 圖9為淀區(qū)不同采樣點(diǎn)底泥的粒徑組成，可以看出不同點(diǎn)的顆粒物粒徑組成差異不大，主要為粉粒和黏粒.

結(jié)合Guo等于2011年對白洋淀泥柱同位素定年以及相關(guān)元素分析結(jié)果[13]和課題組近年對白洋淀底泥采樣的分析結(jié)果，得出了白洋淀近160年來TOC、TN、As、Cd、Pb和Hg的演變結(jié)果(圖10). 總體來看，除了As，底泥中其他物質(zhì)含量均逐步上升，尤其在1990s以后都呈現(xiàn)出較快的增長趨勢，這也體現(xiàn)出底泥作為污染物質(zhì)的匯的特征.

保定市的發(fā)電廠、造紙工業(yè)和有色金屬制造廠等排出的工業(yè)廢水經(jīng)府河排入白洋淀，是白洋淀沉積物重金屬污染的主要來源之一[36]；同時(shí)淀內(nèi)的旅游業(yè)、游船用柴油、養(yǎng)殖業(yè)等也在一定程度上帶來重金屬污染. 基于此，國內(nèi)外學(xué)者對白洋淀沉積物重金屬污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)開展了大量研究. 對白洋淀表層沉積物采樣，結(jié)果顯示：白洋淀底泥重金屬As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的干重含量分別為5.40～12.09、0.17～0.55、45.50～68.04、20.16～63.35、482.27～739.72、21.33～54.99、15.71～54.99、16.16～23.10和63.55～105.66 mg/kg[12]. 淀內(nèi)整體上呈現(xiàn)出營養(yǎng)元素“西北高東南低”、重金屬“中部高南北低”的空間變化特征，高潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的空間分布主要集中在湖東西之間的河流廊道上，中等潛在危險(xiǎn)區(qū)主要集中在附近湖邊的城鎮(zhèn)和村莊[37]. 淀內(nèi)表層沉積物中污染最為嚴(yán)重的元素為Cd，其他元素Cu、Zn、Cr、Ni、Co及Sn為中度污染；Cu、Pb、Zn、Cr及Ni具有輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而元素Cd具有強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[38]. 未來，處理表層沉積物中Cd污染將成為白洋淀生態(tài)修復(fù)的重要課題.

圖10 白洋淀不同沉積層深度對應(yīng)年代的總有機(jī)碳、總氮和重金屬干重含量[13]Fig.10 Total organic carbon, total nitrogen and heavy metals contents at different sedimentary depths corresponding to different ages in Lake Baiyangdian[13]

4 水生態(tài)

4.1 水生維管束植物

大型水生維管束植物是水域生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，為其他生物提供食物和棲息場所. 白洋淀作為典型淺水草型湖泊，廣闊的水域面積和適宜的氣候，為水生動(dòng)植物提供了良好的生存和繁殖環(huán)境. 歷史上白洋淀是一個(gè)水草豐美的魚鳥之鄉(xiāng)，水生維管束植物的覆蓋度達(dá)30%～40%. 水生維管束植物包括挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮葉植物4大類，其中挺水植物和沉水植物是白洋淀的主要優(yōu)勢類群. 挺水植物的優(yōu)勢種主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、蓮(Nelumbosp.)和狹葉香蒲(TyphaangustifoliaL.)；沉水植物的優(yōu)勢物種包括金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)、菹草(PotamogetoncrispusL.)、龍須眼子菜(Potamogetonpectinatus)等，且隨季節(jié)變化，根據(jù)2015年的調(diào)查結(jié)果顯示，沉水植物優(yōu)勢物種春季為菹草，夏季為金魚藻，秋季為龍須眼子菜和金魚藻.

圖11 不同年份白洋淀大型水生維管束植物種數(shù)及組成[39-46]Fig.11 Species and composition of large aquatic plants in Lake Baiyangdian in different years[39-46]

據(jù)文獻(xiàn)記載，1958和1975年白洋淀有水生維管束植物34種[39-40]，遠(yuǎn)小于1979年記載的66種，可能是由于當(dāng)時(shí)的采樣頻率和強(qiáng)度所致. 近40年來白洋淀水生維管束植物種數(shù)和組成變化如圖11所示[41-46]. 總體來看，1979-2018年白洋淀水生維管束植物種數(shù)逐步降低，其中減少最為明顯的是1979-1990年(Ⅰ)和2007-2011年(Ⅱ)兩個(gè)時(shí)期. 第Ⅰ時(shí)期挺水、浮葉和沉水植被種類分別由28、13和20種減少至18、8和15種，其減少的原因可能主要是1980s持續(xù)干淀導(dǎo)致對水位和地形敏感的物種消失. 1990-2007年，水生維管束植物種數(shù)較為穩(wěn)定. 然而在2007-2011年種類數(shù)又大幅下降，此次主要減少的物種是挺水植物，由原來的16種減少到7種，其原因可能是補(bǔ)水工程的實(shí)施保證了水位維持在一定的水平，這促使需要一定水深條件但是對水位變幅不敏感的物種則能維持較好的生長；但短時(shí)間高流量的補(bǔ)水措施雖然抬升了水位，而反季相的補(bǔ)水?dāng)_亂了白洋淀水位的自然波動(dòng)節(jié)律，與植物的生長周期所需水位不匹配，導(dǎo)致一些對淹水深度和周期敏感的物種死亡.

圖12 白洋淀浮游植物(a)和浮游動(dòng)物(b)物種數(shù)的歷史演變趨勢[47-57]Fig.12 Historical evolution trend of species richness of phytoplankton (a) and zooplankton (b) in Lake Baiyangdian[47-57]

4.2 浮游生物

浮游植物位于食物鏈的底端，是水生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，對水質(zhì)的變化非常敏感. 大量研究通過藻類的密度、群落結(jié)構(gòu)和功能組成來反映水體的營養(yǎng)狀態(tài). 總體來看，1958年至今白洋淀浮游植物的物種數(shù)呈下降趨勢. 圖12a為白洋淀浮游植物物種數(shù)及物種組成的演變過程[47-57]. 1958年(未受污染時(shí)期)白洋淀有浮游植物129屬，1975年降到92屬，無隱藻記錄[47]. 導(dǎo)致該時(shí)期物種數(shù)下降的原因可能為1960s中期伊始的興修水利工程，加之極端干旱導(dǎo)致的5、6次干淀，以及人類活動(dòng)增強(qiáng)導(dǎo)致的水質(zhì)下降等. 直至1982-1983年(干淀前)僅有浮游植物63屬，且黃藻消失并出現(xiàn)隱藻. 1984年徹底干淀，水生生物幾近絕跡. 1988年由于連降暴雨及入淀河流上游山洪匯集，白洋淀重新蓄水，浮游植物迅速恢復(fù)，到1991年已鑒定到135屬263種，比歷史上最高水平的1958年多6屬，細(xì)胞密度年均值達(dá)到425.1×104cells/L，是干淀前的3倍以上，種類組成和數(shù)量均恢復(fù)到干淀前的水平[42]. 從1990s開始，浮游植物物種數(shù)從1991年的263種下降到1996年的170種，2013年文獻(xiàn)記載的浮游植物物種數(shù)量到達(dá)谷底值(69種)，1990-2013年白洋淀浮游植物物種數(shù)急劇降低且優(yōu)勢群落逐漸由硅藻門轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)藻門和綠藻門，這是因?yàn)楣まr(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致大量的污染物和營養(yǎng)物質(zhì)滯留在水體和沉積物中，使白洋淀水體富營養(yǎng)化加劇. 2018年采集到浮游植物共102種，其中藍(lán)、綠藻門比例下降，硅藻門比例上升，說明雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)后，跨流域補(bǔ)水與水污染治理等多重生態(tài)修復(fù)工程初見成效. 浮游動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)消費(fèi)者與被捕食者，是維持食物網(wǎng)豐富和穩(wěn)定的重要組成部分，其物種豐富度、群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性等特征是營養(yǎng)狀況的良好指標(biāo)，且對湖泊污染和富營養(yǎng)化程度關(guān)系密切. 1958-2018年白洋淀浮游動(dòng)物物種數(shù)同樣呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(圖12b)[47-57]. 從1958-1975年，浮游動(dòng)物物種數(shù)大幅減少. 1975-1993年白洋淀水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，從外地調(diào)入大量漁業(yè)種質(zhì)資源，隨之引入部分浮游甲殼動(dòng)物，浮游動(dòng)物物種數(shù)下降減緩[58]. 從1993年開始，從府河輸入的生活污水和工業(yè)廢水持續(xù)增加，進(jìn)入淀區(qū)的污染物于部分區(qū)域超過了白洋淀的自凈能力[59-60]，導(dǎo)致浮游動(dòng)物在此期間急劇減少，2015年浮游動(dòng)物物種數(shù)僅為25種，優(yōu)勢種如微型裸腹溞(MoinamicruraKurz)、角突臂尾輪蟲(Brachionusangularis)、針簇多肢輪蟲(Polyarthratrigla)等多為耐污種. 近3年，浮游動(dòng)物物種數(shù)有所回升，且耐污種的比例有所下降，潔凈水體中廣為分布的物種如尖額溞(Alonasp.)、象鼻溞(Bosminasp.)等物種重新被發(fā)現(xiàn)，說明在國家和地方政府對環(huán)境的努力治理下，淀區(qū)水質(zhì)有所改善.

4.3 底棲動(dòng)物

圖13 白洋淀底棲動(dòng)物物種數(shù)變化[39,47,61-63]Fig.13 Variation of benthic animal species richnessin Lake Baiyangdian[39,47,61-63]

圖14 白洋淀魚類物種數(shù)變化[17,47,66-72]Fig.14 Variation of fishes species richnessin Lake Baiyangdian[17,47,66-72]

大型底棲無脊椎動(dòng)物(以下簡稱“底棲動(dòng)物”)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成成分，可以加快有機(jī)碎屑分解、促進(jìn)水-泥界面的物質(zhì)交換，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中扮演著重要角色，是食物網(wǎng)的重要一環(huán). 白洋淀屬于泥質(zhì)沉積環(huán)境，水生植物腐爛后，大量的有機(jī)質(zhì)沉積水底，有力地促進(jìn)底棲動(dòng)物繁育、生長. 底棲動(dòng)物總體上經(jīng)歷了先增加后減少的趨勢，優(yōu)勢種主要為軟體和節(jié)肢類. 1958年記錄底棲動(dòng)物28種，1975年38種，增加的種類主要是軟體動(dòng)物，從11種增加到17種；到1980年一直維持在30多種. 至1990s銳減至22種，優(yōu)勢類群從軟體動(dòng)物變?yōu)楣?jié)肢動(dòng)物，雙殼類物種數(shù)量明顯減少，而寡毛類物種數(shù)量增加(圖13)[39,47,61-63]. 1958年的物種主要包括軟體動(dòng)物11種、貽貝7種、蝦類4種和許多清潔種如蜻蜓和蜉蝣目幼蟲等. 1990s，螺蚌、蟹等物種消失，其他軟體動(dòng)物減少到5種，搖蚊(Chironomidae)、寡毛綱和其他耐染物種比例顯著增加，水質(zhì)條件惡化是造成耐污性低的生物從白洋淀生態(tài)系統(tǒng)中消失或滅絕的重要原因[62-63]，之后白洋淀底棲動(dòng)物種類穩(wěn)定在20～25種. 近年來由于環(huán)境污染，白洋淀底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)較為單一，以搖蚊、顫蚓等耐污物種為主，多樣性相對較低[64]. 2018、2019年持續(xù)的大量補(bǔ)水，白洋淀水質(zhì)向好，底棲動(dòng)物物種數(shù)也有所回升. 近期，為控制和修復(fù)白洋淀底泥污染實(shí)施的河道清淤工程也會(huì)對底棲動(dòng)物造成一定的影響[65].

4.4 魚類

1950s之前，白洋淀水域遼闊、水質(zhì)良好且水產(chǎn)資源豐富，享有“華北之腎”的美譽(yù). 歷史記載的魚類物種數(shù)相對較少可能和當(dāng)時(shí)處于戰(zhàn)爭年代以及調(diào)查的力度不夠有關(guān)(圖14)[17,47,66-72]. 1958年對魚類進(jìn)行調(diào)查，共鑒定到11目17科54種，魚的種類和數(shù)量都很豐富，經(jīng)濟(jì)魚類以鯉科(Cyprinidae)為主，尚存在洄游性的魚類，如鯔科(Mugilidae)、鰻鱺科(Anguillidae)等[66]. 1958年入淀河系上游開始修建水利工程，入淀水量大幅度減少，1976年調(diào)查發(fā)現(xiàn)5目11科33屬35種，缺少鯔科、鰻鱺科等溯河性魚類，種群組成仍以鯉科占優(yōu)勢，共計(jì)21種，占總數(shù)的60.0%[47]. 1980年調(diào)查到40種，隸屬8目14科37屬，鯉科25種，占總數(shù)的62.5%. 彼時(shí)，白洋淀的優(yōu)勢物種有白鰷魚(Hemiculterleucisculus)，主要物種仍為鯉科魚類[67]. 1983年后，白洋淀連續(xù)出現(xiàn)周期性干淀，淀內(nèi)魚類資源大大減少，1989-1991年的兩次調(diào)查分別僅得到24種魚類，為歷次調(diào)查最低值[68-69]. 經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大的有鰻鱺科魚類、梭魚(Sphyraenus)、鳡魚(Elopichthysbambusa)、赤眼鱒(Squaliobarbuscurriculus)等，自1980s干淀之后再未發(fā)現(xiàn)[70]. 1997年后，隨著調(diào)水補(bǔ)淀工程以及污染治理措施的實(shí)施，淀內(nèi)魚種類穩(wěn)定在25種左右，其中2002年調(diào)查的魚類33種，含人工養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)種類10種[71]，隸屬7目12科30屬. 主要的經(jīng)濟(jì)魚類中，有10種目前已成為人工養(yǎng)殖的種類，其中鯉的人工養(yǎng)殖品種還有紅鯉、鏡鯉等. 在自然組分中，鯉科種類占51.5%；漁獲物中鯉、鯽(Carassiusauratusauratus)、白鰷(Hemiculterleucisculus)、麥穗魚(Pseudorasboraparva)居多，表現(xiàn)出了江河平原動(dòng)物區(qū)系、河海亞區(qū)魚類組成的特點(diǎn). 2003年開始，白洋淀開始對經(jīng)濟(jì)魚類進(jìn)行增殖放流，增加了經(jīng)濟(jì)魚類的產(chǎn)量，但對物種的增加沒有貢獻(xiàn)[71]. 2010、2011年共調(diào)查到白洋淀水域魚類33種，隸屬于7目12科30屬，鯽耐污染、耐低氧，已成為優(yōu)勢種群，洄游性魚幾乎全部消失，一些大型的經(jīng)濟(jì)魚類也相繼消失[17,72]. 2015年共調(diào)查到6目9科23種魚類，優(yōu)勢種仍然以網(wǎng)箱養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)魚類鯉科為主(35%)，此外還發(fā)現(xiàn)近年來瀕臨絕跡的青鱂(Oryziaslatipes)，表明白洋淀的生態(tài)環(huán)境在日趨改善.

4.5 其他生物

白洋淀濕地由于水淺草多、光照充足、氣候適宜，野生動(dòng)物種類繁多，生物資源豐富，被譽(yù)為“生物資源和野生動(dòng)物種群的基因庫”. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，干淀以前，白洋淀內(nèi)有鳥類192種，隸屬于16目46科102屬，有國家級(jí)保護(hù)鳥類187種，其中國家I級(jí)保護(hù)鳥類3種，國家II級(jí)保護(hù)鳥類26種. 哺乳動(dòng)物14種，隸屬于5目8科12屬，有國家級(jí)保護(hù)動(dòng)物5種. 兩棲動(dòng)物3種，隸屬于1目2科2屬，均為我國保護(hù)的有益或有重要經(jīng)濟(jì)科學(xué)研究價(jià)值的陸生野生動(dòng)物. 爬行動(dòng)物共有11種，隸屬于2目4科7屬. 1970s以后，受入淀水量減少、上游水庫控制下水文情勢變異、水污染問題嚴(yán)重和資源過度開發(fā)等影響，野生動(dòng)物的生存環(huán)境惡化，過去經(jīng)常出沒的一些大型猛禽如金雕(Aquilachrysaetos)、赤狐(Vulpesvulpes)等己難覓蹤影，珍稀鳥類逐漸減少. 1983年發(fā)生持續(xù)干淀后，珍貴鳥類瀕于絕跡. 1988年恢復(fù)蓄水，水禽種數(shù)有所回升，但鴻雁(Ansercygnoides)、斑嘴鴨(Anaszonorhyncha)、綠頭鴨(Anasplatyrhynchos)等數(shù)量仍較少. 施行常態(tài)補(bǔ)水措施以來，水面開闊、候鳥大量增加，一些絕跡多年的水禽水鳥又回到白洋淀的蘆葦叢中. 據(jù)安新縣2004年觀測數(shù)據(jù)，白洋淀野生禽鳥、灰鶴(Grusgrus)、豆雁(Anserfabalis)數(shù)增加，多年不見的白天鵝(Cygnuscygnus)、東方白鶴(Grusleugeranus)再度出現(xiàn)[59].

總體而言，自1960s以來，白洋淀的水生植被、浮游植物、浮游動(dòng)物、大型底棲動(dòng)物和魚類的物種數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，1960s-1970s是白洋淀生物資源最為豐富的年代，之后受干旱、水體污染的影響，白洋淀的生物資源逐漸減少，部分物種甚至在此區(qū)域絕跡. 尤其是2017年雄安新區(qū)設(shè)立以來，白洋淀的水環(huán)境污染和水生態(tài)恢復(fù)開始得到重視和治理，水量和水質(zhì)得到了大幅提升，物種的多樣性正在逐步恢復(fù)，白洋淀水生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù).

5 結(jié)論

本文結(jié)合歷史資料、相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以及課題組長期的實(shí)測數(shù)據(jù)，回顧并探究了白洋淀近60年來的生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律. 結(jié)果表明，白洋淀的多年降水量呈減少趨勢，受氣候影響以及上游大壩攔截，天然入淀水量持續(xù)減少，淀區(qū)水位下降甚至在1980s出現(xiàn)長時(shí)間干淀，導(dǎo)致白洋淀的水生動(dòng)植物，如魚類、水生維管束植物、浮游植物、浮游動(dòng)物以及大型底棲生物的物種數(shù)減少，甚至導(dǎo)致部分物種滅絕；同時(shí)耐污染、耐低氧種類所占比例上升. 為恢復(fù)白洋淀水位與水生態(tài)，流域內(nèi)和跨流域生態(tài)補(bǔ)水為白洋淀帶來了新鮮血液，同時(shí)為湖泊生態(tài)恢復(fù)提供了重要的先決條件. 在生態(tài)補(bǔ)水的影響下，淀區(qū)水位日漸上升，白洋淀整體水質(zhì)由Ⅴ～劣Ⅴ類水逐漸好轉(zhuǎn)為Ⅳ～Ⅴ類水，湖泊水體中營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷)濃度逐漸降低，生物資源也逐漸恢復(fù).

然而，作為雄安新區(qū)的關(guān)鍵生態(tài)屏障，對白洋淀水環(huán)境和水生態(tài)的治理要求提出了新高度. 白洋淀流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染的控制和周邊生活垃圾及污水的控制治理已取得初步成效，水質(zhì)趨好，基本能達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn). 然而離規(guī)劃的目標(biāo)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)還有一定距離. 從劣Ⅴ類、Ⅴ類提升到Ⅳ類水的過程主要通過控源截污實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步從Ⅳ類水提升到Ⅲ類水則是更為艱巨的過程，在控源截污的基礎(chǔ)上，還需要通過多水源大量補(bǔ)水，降低淀區(qū)水力滯留時(shí)間，提高淀區(qū)水體的環(huán)境容量，實(shí)現(xiàn)淀區(qū)的進(jìn)一步凈化. 同時(shí)生態(tài)補(bǔ)水的節(jié)律與水生生物生命節(jié)律匹配的問題還值得進(jìn)一步關(guān)注. 作為沉積作用強(qiáng)的淺水湖泊，底泥在長期污染過程中充當(dāng)著污染物“匯”的角色，在淀區(qū)水體質(zhì)量好轉(zhuǎn)后其轉(zhuǎn)換成“源”的角色，如何采取有效的底泥污染治理措施，也是目前亟需解決的問題. 水質(zhì)問題逐步改善，水生生物群落亦將逐步恢復(fù)，達(dá)到新的平衡，下一步需要明晰健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該有怎樣的物種組成和食物鏈構(gòu)成. 在雄安新區(qū)建設(shè)規(guī)劃的推動(dòng)下，希望白洋淀這顆“明珠”早日重拾往日光彩，展現(xiàn)荷塘葦海自然景色，實(shí)現(xiàn)建成藍(lán)綠交織、水城和諧共融的生態(tài)新城.

6 附錄

附表Ⅰ和附圖Ⅰ見電子版(DOI: 10.18307/2020.0500).