白洋淀生態(tài)補水系統(tǒng)響應的關鍵問題、研究框架及保障對策

楊 薇 ，李曉曉 ，付顯婷 ，趙彥偉 ，李傳哲 ，崔英杰

（1.北京師范大學環(huán)境學院，100875，北京；2.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，100038，北京）

湖泊是流域水循環(huán)與水生態(tài)過程的關鍵環(huán)節(jié)，是山水林田湖草沙生命共同體的重要組成。 我國多數(shù)湖泊呈現(xiàn)依賴河流補給、 湖盆坡降平緩、淺水型的特點（平均水深<10 m）。 近年， 淺水湖泊清水補給能力下降、污染物排放、過度捕撈，導致湖泊水面面積萎縮、水質(zhì)惡化、生物多樣性減少、系統(tǒng)功能受損等。 恢復湖泊水文過程，是改善生態(tài)健康和維護系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵。 生態(tài)補水作為應對人類活動影響下河湖自然水文情勢變化的重要舉措，旨在通過應急補水或生態(tài)調(diào)度進行水文過程的修復性調(diào)節(jié)，被廣泛實踐。

白洋淀是大清河流域的大型平原洼淀，20 世紀60 年代以來，白洋淀入淀流量銳減、自然水文情勢變異顯著、生態(tài)水文過程弱化、生態(tài)空間萎縮等問題逐步顯現(xiàn)。 為挽救白洋淀生態(tài)危機，自80 年代以來，水利部、河北省先后組織了近50 次生態(tài)補水，對淀區(qū)水位和水面的維持發(fā)揮了重要作用。 生態(tài)補水工程量大，其修復效果難以通過復制的實驗方法來檢驗， 因此補水后的生態(tài)響應成為焦點。 在現(xiàn)有補水后生態(tài)響應研究的基礎上，闡述了系統(tǒng)層面探究生態(tài)響應的必要性，提出了基于食物網(wǎng)穩(wěn)定性系統(tǒng)性研究生態(tài)補水下生態(tài)響應的總體框架，為淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復和多源生態(tài)補水機制建立提供科學支撐。

一、淺水湖泊生態(tài)補水相關研究存在的問題

1.缺乏系統(tǒng)層面上湖泊生態(tài)水文響應的科學評估

國內(nèi)學者及管理者的關注點，已從湖泊最低水位保障、 水質(zhì)改善、某重點魚類和鳥類保護轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)結構評估、功能評估、健康評估等方面。 但仍然存在白洋淀水生態(tài)數(shù)據(jù)觀測資料精度較低、有效時間序列資料嚴重缺乏， 有效水文-生態(tài)響應曲線難以獲取等問題。 有研究通過水文頻率高低估算生態(tài)需水， 但仍缺少湖泊水文-生態(tài)響應規(guī)律和機制解釋，也缺乏從整體角度分析淀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)系統(tǒng)服務、生物多樣性等與水文的關系。 全球范圍內(nèi)實施了大量的生態(tài)補水工程，以期改善水體環(huán)境，實現(xiàn)水體生態(tài)修復， 但在眾多調(diào)控案例中，多以水質(zhì)指標、優(yōu)勢植被、浮游生物、底棲生物、特定魚類等單一指標作為生態(tài)補水成效的依據(jù)。 有文獻調(diào)查了全球范圍內(nèi)99 個生態(tài)補水效應評估的典型案例，其中同時關注多指標的研究不足30%。

淺水湖泊具有水淺、 動力弱、格局復雜等特征，其生態(tài)系統(tǒng)過程對水文變化的響應尤為敏感。 忽略物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程而僅以某一目標生物作為修復成效依據(jù)，具有片面性；同時，不同生物對水文響應閾值存在差異及時間滯后效應，增加了流量調(diào)控后生態(tài)效應預測的難度。食物網(wǎng)提供了物種與生態(tài)過程間的一種耦合連接方法，其復雜營養(yǎng)級交互作用的系統(tǒng)理論和數(shù)據(jù)為研究生態(tài)系統(tǒng)結構和功能提供了有力工具。

2.生態(tài)補水對湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響機制不明確

維持穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)逐步成為湖泊管理者追求的管理目標。 而食物網(wǎng)則是表征生態(tài)系統(tǒng)的最佳方式，辨識食物網(wǎng)穩(wěn)定狀態(tài)及變化閾值，成為湖泊生態(tài)系統(tǒng)管理的重要環(huán)節(jié)。 目前湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性定量化方法多考慮靜態(tài)食物網(wǎng)穩(wěn)定性，往往通過年際平均生物量確定穩(wěn)定狀態(tài)，很少考慮系統(tǒng)在多個平衡態(tài)間可能的轉(zhuǎn)換。 此外，由于沒有包含與外界環(huán)境因子的互饋關系，現(xiàn)有食物網(wǎng)穩(wěn)定性定量化方法不能揭示外部脅迫作用的響應，也不能提供當前狀態(tài)與失穩(wěn)閾值之間的距離信息。淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)草/藻雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換理論作為對湖泊水域生態(tài)學具有很大影響力的概念框架，通常將湖泊生態(tài)系統(tǒng)的葉綠素a、沉水植物生物量等作為系統(tǒng)狀態(tài)表征，揭示其對環(huán)境條件的響應軌跡。 但食物網(wǎng)穩(wěn)定性理論是獨立發(fā)展的，沒有明確地將湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換與食物網(wǎng)穩(wěn)定性關聯(lián)起來。 如何協(xié)同食物網(wǎng)穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)的草/藻穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，進而確定淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的變化閾值，值得進一步研究。

3.生態(tài)補水策略難以支撐湖泊近自然水位波動過程

在生態(tài)流量調(diào)控過程中，湖泊水位波動以及高脈沖水位、頻率、時機具有重要生態(tài)學意義。 當前研究，多關注白洋淀年均水位以及年內(nèi)最小、適宜、最大水位等，有些涉及月均水位變化，卻鮮有研究關注水文脈沖及漲落過程。 國際上較先進的生態(tài)需水核算方法，如 IHA/RVA 法、ELOHA 法等，均特別強調(diào)了隨時間變化的動態(tài)需水特征以及營造年內(nèi)和年際高流量脈沖，對于河湖生態(tài)系統(tǒng)多樣性維持的重要意義。

由于白洋淀生態(tài)需水的科技支撐不足，以往淀區(qū)生態(tài)補水往往根據(jù)經(jīng)驗以臨界水位（6.0 m）作為補水需求，白洋淀實際水位變化中高流量脈沖漲落過程不明顯，次數(shù)偏少，且與歷史水文情勢過程嚴重不匹配，1997—2011 年年內(nèi)高水位出現(xiàn)在3月， 而以往 1959—1996 年最高水位出現(xiàn)在8—9 月。 因此即使每年堅持補水1—2 次，生態(tài)效應仍不容樂觀。且以最低水位為湖泊生態(tài)管理目標，存在生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定、生物多樣性降低等風險，變化環(huán)境下難以支撐生態(tài)補水的適應性管理。

二、白洋淀生態(tài)補水系統(tǒng)響應的研究重點和框架

白洋淀生態(tài)補水的系統(tǒng)響應研究，應聚焦水文情勢對淺水湖泊白洋淀生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)穩(wěn)定維持的關鍵基礎作用， 遵循 “結構演變－過程驅(qū)動－閾值識別－流量調(diào)控”總體思路開展研究工作，闡明淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結構演變特征，揭示水文情勢對淺水湖泊食物網(wǎng)營養(yǎng)動力過程的影響機制，辨識淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性變化閾值，提出維護湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定的生態(tài)補水模式及范圍。

1.揭示淺水草型湖泊食物網(wǎng)營養(yǎng)結構變化特征及關鍵驅(qū)動因素

在以往關于湖泊重點區(qū)域（核心水域、沼澤區(qū)域等）以及入湖口過渡區(qū)沉水植物、浮游植物、浮游動物、底棲生物、魚類等不同營養(yǎng)層級生物的結構組成、生物量等時空特征的研究基礎上，采用碳、氮穩(wěn)定同位素技術結合胃含物分析、 食源經(jīng)驗等方法，獲取消費者的營養(yǎng)級和食物網(wǎng)的營養(yǎng)結構拓撲特征。 闡明白洋淀入淀河流的路徑、流量、淀區(qū)水位及水面大小等水文要素、營養(yǎng)鹽濃度、總有機碳等水質(zhì)要素，以及農(nóng)田圍墾、淡水養(yǎng)殖等人類活動時空變化，與食物網(wǎng)營養(yǎng)結構拓撲指數(shù)之間的相關關系，找到影響食物網(wǎng)營養(yǎng)結構特征的關鍵水文水質(zhì)要素，明確維持食物網(wǎng)營養(yǎng)結構特征的水文水質(zhì)閾值范圍。

2.探索水文情勢變化對湖泊食物網(wǎng)營養(yǎng)動力過程的影響機制

水文情勢變化下不同營養(yǎng)級生物群落的生態(tài)響應趨勢和速率不同，進而通過種間競爭、上行、下行效應進行生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結構關系的重組?？紤]初級生產(chǎn)者對環(huán)境因子變化的敏感性，應重點關注湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的上行效應，明確水位、營養(yǎng)物質(zhì)等水文情勢變化下浮游植物、沉水植物的響應關系，進一步耦合Lotka-Volterra 競爭模型和平衡態(tài)下食物網(wǎng)的能量流動模型，構建湖泊食物網(wǎng)營養(yǎng)動力過程模型，模擬水文情勢變化下基于上行效應導致的食物網(wǎng)關鍵功能群的生物量、能流、營養(yǎng)傳遞效率等生態(tài)功能的非線性變化趨勢，探究維持食物網(wǎng)生態(tài)功能的最優(yōu)水文情勢變化區(qū)間，及由此反映的最小和適宜生態(tài)需水量。

3.明確水文情勢變化驅(qū)動下湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的變化閾值

在水文情勢與食物網(wǎng)營養(yǎng)動力過程機制闡釋的基礎上，構建食物網(wǎng)穩(wěn)定的定量化指標，核算不同水文情勢下白洋淀食物網(wǎng)穩(wěn)定性變化特征?？紤]水文情勢與浮游-沉水植物的響應關系，建立包含碎屑者、沉水植物、浮游植物、浮游動物、底棲生物和魚類等營養(yǎng)層級的白洋淀淺水湖泊PCLake 生態(tài)模型，揭示水文情勢變化下湖泊水位、氮磷、浮游植物、沉水植物、魚類生物量等的變化趨勢，結合草/藻雙穩(wěn)態(tài)理論，闡明湖泊生態(tài)系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)形成和內(nèi)部反饋機制。 協(xié)同分析不同水文情勢變化下湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性變化與草型湖泊/藻型湖泊突變轉(zhuǎn)換的關系，科學辨識水文情勢變化驅(qū)動下淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的變化閾值，從食物網(wǎng)穩(wěn)定性的響應角度為生態(tài)補水的動態(tài)管理提供科學支撐。

4.獲得維持湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的生態(tài)流量調(diào)控模式與范圍

分析維持湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定的多源生態(tài)補水措施的范圍組合，實現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的有效保護。 應篩選對湖泊食物網(wǎng)影響顯著的水文情勢要素（如水位變化、 營養(yǎng)物質(zhì)變化等），考慮上游地表水、跨流域調(diào)水（長江水和黃河水）等不同補水水源的可利用性及背景濃度差異，模擬不同生態(tài)流量調(diào)控組合下白洋淀淺水湖泊的生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化，獲得不同生態(tài)補水模式下生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化 （水位、營養(yǎng)物質(zhì)等）-狀態(tài) （食物網(wǎng)穩(wěn)定性、葉綠素a、沉水植物生物量等）的響應曲線，揭示不同補水組合模式的生態(tài)效應差異，評估不同組合方案的生態(tài)修復效果，尋求維持淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的多源生態(tài)補水組合模式，獲得適宜的生態(tài)流量調(diào)控范圍，支撐區(qū)域生態(tài)文明建設。 具體研究框架和路徑如圖1 所示。

圖1 研究框架與路徑

三、白洋淀開展生態(tài)補水系統(tǒng)調(diào)控的保障對策

1.在淀區(qū)尺度，考慮植被-水面動態(tài)的淀區(qū)生態(tài)需水精細化調(diào)控

河北雄安新區(qū)建設規(guī)劃對白洋淀生態(tài)環(huán)境提出新的要求和挑戰(zhàn)。 精準核算白洋淀生態(tài)水位，是構建多源補水機制、形成“一淀”“多廊”生態(tài)格局的前提。 白洋淀是典型的北方淺水草型湖泊，水生植被是淀區(qū)重要生物組成，且在不同生長發(fā)育期對水的需求不同，人為調(diào)控下水位的逆季節(jié)消長，如冬春季水位高，夏秋季水位低，水生植被受到不同的淹水脅迫，群落組成與植被格局發(fā)生根本變化。 逆季節(jié)水位波動下，植被群落無效蒸散發(fā)增強，影響到植被干物質(zhì)的積累，乃至營養(yǎng)物質(zhì)的去除。 建議對于臺田蘆葦沼澤區(qū)域， 分析不同水位與淀區(qū)生態(tài)格局關系，明確水位波動、季節(jié)差異對植被分布格局和蒸散發(fā)過程的影響，構建考慮淀區(qū)植被-水面動態(tài)變化的淀區(qū)生態(tài)需水精細化調(diào)控模型，有助于維護生態(tài)系統(tǒng)結構與功能完整。

2.在流域尺度，加強白洋淀河湖沼系統(tǒng)生態(tài)補水一體化調(diào)控

有關學者、管理部門逐步認識到河湖連通的重要性，河流、湖泊、沼澤通過橫向、 縱向和垂向的水文過程關聯(lián)成一個系統(tǒng)整體， 是流域整體的關鍵環(huán)節(jié)， 有效支撐著流域水資源協(xié)調(diào)配置。 河流、湖泊之間的水文連通性特征， 決定生態(tài)補水過程需要通盤考量各單元之間的內(nèi)在關聯(lián)，不能顧此失彼。 要優(yōu)化水系連通結構， 協(xié)調(diào)河湖沼之間的需水沖突及其與社會經(jīng)濟用水的沖突， 探索河湖沼水系網(wǎng)絡一體化調(diào)控模式，篩選適宜的、 可操作性強的生態(tài)調(diào)度方案， 實現(xiàn)多目標協(xié)調(diào)下的生態(tài)需水調(diào)控和保障。 在未來調(diào)控中，應進一步加強河湖沼系統(tǒng)的水文生態(tài)效應的監(jiān)測、評估，闡明流域尺度上重點河湖系統(tǒng)、河庫系統(tǒng)、河沼系統(tǒng)和湖沼系統(tǒng)等的連接形式、 水文過程、多尺度生態(tài)效應之間的關聯(lián)，科學高效提升河湖沼系統(tǒng)生態(tài)需水保障效果。