2020, Vol. 32 
(2: 北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室, 北京 100875)
(2: Ministry of Education Key Laboratory of Water and Substrate Science, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)
湿地是陆地生态系统和水生生态系统相互作用形成的独特生态系统，是动植物重要的栖息环境，也是自然界最富生物多样性的生态系统.其具有抵御洪水、调节径流、改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等生态服务功能，被誉为“地球之肾”、“生命的摇篮”、“文明的发源地”和“物种的基因库”[1-3].近年来，由于全球气候变化和人类活动的加剧，湿地面积大幅度持续缩减.据世界经济合作与发展组织(OECD)的统计，1900年以来全球已有接近50 %的湿地消失[4]，越来越多的湿地正面临严重的危机.我国也针对此危机采取了包括立法、建立自然保护区等一系列湿地保护与管理的相关措施，截至2015年，共投入保护资金150亿元, 减缓了49 %的湿地功能衰退[5].
白洋淀位于海河流域大清河水系的“九河下梢”(图 1a)，是我国华北平原为数极少且最大的淡水湖泊湿地.白洋淀曾经水域辽阔，水质良好，水产资源丰富，享有“华北之肾”、“华北明珠”等美誉[6], 发挥着调节气候、蓄水兴利、渔苇生产、旅游景观、保护生物多样性等多种重要生态功能.近半个世纪以来，由于气候变化和人类活动的综合作用，白洋淀湿地面临水源不足、湿地萎缩、水体污染、泥沙淤积、生物多样性减少等问题，水质污染影响了白洋淀流域的工农业生产和城市生活用水安全，导致其生态系统服务功能衰退[7-8].
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图 1 白洋淀流域示意图：(a)白洋淀流域水系结构及主要水库分布；(b)白洋淀及雄安新区区域图；(c)白洋淀淀区地形及采样点分布 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 |
为了“把白洋淀修复好、保护好”[9]，国家和地方政府也采取了一系列生态环境保护措施. 2002年，河北省政府批准《白洋淀湿地自然保护区规划》，设立了白洋淀湿地省级自然保护区；2012年，《白洋淀省级自然保护区总体规划(修编版)》对保护区进行了调整，进一步扩大了保护区范围与面积；2015年，河北省发展和改革委员会编制了《白洋淀环境综合整治与生态修复规划(2015-2020年)》，指出实施引水补水调水、污染源综合治理、村镇综合整治、入淀河流整治、淀区管护维护、区域产业转型和能力设施建设等8项重点任务；2017年，白洋淀与洱海、丹江口一起被纳入环境保护部“新三湖”水污染治理体系. 2017年4月1日，中共中央、国务院设立河北雄安新区. 2018年4月中共河北省委、河北省人民政府颁布的《河北雄安新区规划纲要》正式划定了雄安新区的范围(图 1b)，白洋淀作为雄安新区的后花园，统筹城水林田淀系统治理，做好白洋淀生态环境保护，恢复“华北之肾”功能，是雄安新区打造新时代生态文明典范城市的重要环节. 2019年1月颁布了《白洋淀生态环境治理和保护规划(2018-2035年)》，规划从流域治理角度出发，统筹考虑了水量、水质、生态3大要素，以白洋淀水质、水生态恢复目标为抓手，通过补水、治污、清淤、搬迁等措施综合治理，全面恢复白洋淀“华北之肾”功能，使“华北明珠”重放光彩[10].
目前，针对白洋淀环境生态问题已经开展了大量的研究，包括水体富营养化监测与评价[11]、重金属[12]和新兴污染物[13]的污染特征与风险分析、大型水生植物关键影响因子识别与生物量模拟[14]、浮游植物和浮游植物群落结构特征及其对营养状态的响应[15]、基于广义可加模型的底栖动物分布模拟和预测[16]、水利工程建设对鱼类生存环境的影响[17]以及沉积物中微生物群落结构对人类活动的响应[18]等工作.本文正是基于前期大量的研究，在查阅大量历史资料和实地调查、监测、研究的基础上，系统梳理了1950s以来白洋淀入淀水量、生态补水、水质条件和典型生物群落的组成和演变，并分析了演变的可能原因，以期为白洋淀的环境生态修复与治理提供有益的支持.
1 材料与方法 1.1 白洋淀概况白洋淀流域是海河流域大清河水系中游的缓洪滞洪区，承担着洪水调蓄功能，是我国水资源开发利用程度最高、水资源最为紧缺的流域之一，对维护华北平原的生态平衡起着不可替代的作用[19].它承接着大清河水系九条河流来水，有“九河下梢”之称，现代地理中这9条河是指潴龙河、孝义河、唐河、清水河、瀑河、府河、萍河、漕河、白沟引河(图 1a).
不同于太湖、巢湖等其他大型浅水湖泊，白洋淀地形独特，河淀相连、沟壑纵横，3700多条沟壕和河道将143个大小不同的淀泊连接在一起，形成芦苇田、园田台地、洼地、村庄相融合的独特自然景观[20].在众多淀泊中，超过600万m2淀泊共7个，包括白洋淀、烧车淀、马棚淀、羊角淀、池鱼淀、后塘、小北淀，60万~600万m2的淀泊共24个，60万m2以下的淀泊共112个，在所有淀泊中白洋淀面积最大，故得此名[21]，水域、台田、耕地与农田是白洋淀的主要景观类型.
1.2 研究方法本研究通过收集并整理文献、统计年鉴、保定市水文局和国家气象数据中心的历史数据，与课题组采样数据相结合，归纳总结了白洋淀水量、水质与水生态的演变历程.具体参数包括：气温、降水量、入淀水量与水位；水体中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)浓度和沉积物中重金属含量；水生态系统中维管束植物、浮游生物、底栖动物、鱼类和其他生物物种数等.其中，课题组共选择12个有代表性的区域进行调查和采样，采样点按生境类型可分为干扰区和半自然区.其中干扰区采样点包括：端村(D1)、圈头(D2)、淀头(D3)、鸳鸯岛(D4)、东关码头(D5)和旅游码头(D6)；半自然区包括采蒲台(S1)、光淀张庄(S2)、枣林庄(S3)、王家寨(S4)、大口子(S5)和烧车淀(S6)(图 1c).历史数据所引用的参考文献标注在图题上，其余数据来自课题组采样或保定市水文局、国家气象数据中心.
2 水文条件 2.1 水系格局1960s以前，白洋淀上游河流基本未受人类活动干扰，径流通畅，九河入淀，而后经赵北口自溢东去，但也因泄水不畅经常发生洪涝灾害. 1963年特大洪水灾害后，在“上蓄、中疏、下导、适当地滞”的防洪原则指导下，白洋淀上游河流水系开始修建一系列水利工程，包括百万立方米以上的大、中、小型水库53座，60万m2以上灌区36处，大、中型扬水站44个，灌溉面积约为30亿m2.新盖房水利枢纽工程的兴建和白沟引河的开挖，使原来不入淀的大清河北支也经由此入淀；唐河新道的建成，切断了金线河与清水河的入淀通道；府河清污分流，清水入淀，污水排入唐河污水库；属于平原河流的孝义河、萍河常年干枯断流；至此白洋淀实际入淀河流仅剩6条.下游出口则由枣林庄闸和赵北口溢流堰控制，自赵王新河入大清河.水利工程的修建有利于防洪除涝和灌溉，但也改变了白洋淀流域的水系格局，白洋淀由天然过水型湖泊转变为人工调蓄型湖泊.目前，入淀河流有大清河北支南拒马河和白沟河来水经白沟引河、新盖房闸入淀，大清河南支8条入淀河流除府河、孝义河外，其他河流仅在汛期有少量径流入淀.
2.2 气候状态受气候变化影响，自1950s以来，白洋淀淀区年平均降水量呈现较大波动趋势，总体呈逐步减少趋势. Walter和Breckle于1985年提出了气候状态图，通过温度和降水的季节变化、干旱和湿润季节的长度和强度等大量气候信息表征陆地植被分布和气候的关系[22].王兆印根据我国的气候特点，给定了适合我国气候特征的月降水量与气温的对应关系[23].白洋淀多年平均气温为12.3℃，多年平均降水量为445 mm.基于安新水文站1960-2019年的月降水和气温数据绘制的气候状态图(图 2)可知，白洋淀属于典型的温带半干旱大陆性季风气候，四季分明且雨热同期.旱季(3-6月、9-11月)降水量低，温度线位于降水量线上方，气候干冷，不利于植被发育，降水是该区生态系统演化的限制因子；雨季降雨丰富，且主要集中在7、8月，多以暴雨的形式出现，降水量线在气温线上方，气候湿热，此期间温度为白洋淀生态系统演化的限制因子.
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图 2 白洋淀1960-2019年期间气候状态 Fig.2 Climate state of Lake Baiyangdian during 1960-2019 |
空间分布上，白洋淀流域降水的特点是地域分布比较均匀，降水量空间分布从西北山区向东南平原区略减[24].白洋淀降水量年际变化大，大多数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约为多年平均降水量的2倍，常以局部暴雨的形式，易形成洪涝灾害.
2.3 入淀水量与补水白洋淀入淀水量来自天然径流、上游水库补水和跨流域调水3部分.入淀水量的变化随着自然和人类活动的影响大致可以划分为以下3个阶段(图 3)：第Ⅰ阶段为1965年前，未修建水利工程，入淀水量丰富，1956年达到51亿m3，与降水量基本同步，淀区水位在8 m左右波动，枣林庄枢纽对水位进行有效调控；第Ⅱ阶段为1965-1997年，此时大量水利工程竣工并投入使用.入淀水量明显减少，1978年减少到11亿m3，淀区水位急剧降低，干淀现象时常发生. 1983-1987年白洋淀更是经历了长达5年的干淀期，生态环境急剧破坏.从1981年开始，上游水库开始对白洋淀进行间歇性补水；第Ⅲ阶段为1997年至今，人口增加、经济发展导致用水量增加，入淀水量急剧减少，多年平均入淀水量仅为2.4亿m3，自然径流急剧减少，上游水库开始对白洋淀的补水力度加大，“引岳济淀”、“引黄入冀”以及南水北调等生态补水工程陆续实施，白洋淀水位开始恢复，在7 m左右波动，2015年后水位持续升高.这些措施避免了白洋淀水位降低甚至发生干淀的风险，在一定程度上遏制了白洋淀生态环境的破坏.但人工补水改变了年内入淀流量过程，洪峰流量由7-8月变为生态补水下的2-4月，干扰了部分生物的生命节律.
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图 3 白洋淀入淀水量及水位演变过程(水位为1985年国家高程基准)[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] |
为了缓解入淀流量减少导致的淀区水位下降甚至干淀状况的发生，1981-2019年从上游水库(王快水库、西大洋水库、安各庄水库、岳城水库)、“引黄济淀”、“引黄入冀”补淀、南水北调等工程向白洋淀人工补水46次，累计输水总量为192.6×108 m3(图 4). 2004年完成“引岳济淀”补水工程，从海河岳城水库累计引水1.6×108 m3；2006-2011年先后实施了5次“引黄济淀”工程，共计引水入淀5.1×108 m3；2016年开工建设“引黄入冀”补淀工程，自濮阳黄河渠村闸引水，规划每年向白洋淀生态补水2.55×108 m3；2018年南水北调工程实施后，通过易县的瀑河、北易水两个退水闸向白洋淀补水，年补水量约为1亿m3.这些措施在一定程度上提高了白洋淀的水位，避免了干淀状况发生，对遏制白洋淀生态退化起到了良好作用，未来更加稳定和常态化的生态补水措施将持续为雄安新区的建设和发展保驾护航.
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图 4 白洋淀历史补水水源/补水时间及补水量分布[27-28](柱状图表示补水量，曲线对应补水持续时间) Fig.4 Historical replenishment water source/replenishment time and replenishment water distribution in Lake Baiyangdian[27-28] |
在Web of Science使用主题词“Baiyangdian”进行检索，采用CiteSpace软件绘制了不同时间的主要关键词.图 5反映了不同时期白洋淀的研究重点，研究的重视程度在一定程度上反映了当时的环境生态问题.关于白洋淀的研究从1995年开始出现在国际期刊上，关注的重点是水质，尤其是氮、磷的问题；21世纪初，随着入淀水量的减少，入淀河流与湖泊的关系研究开始成为关注的焦点；2008年开始，关于白洋淀的污染问题，特别是富营养化和新兴污染物的问题成为热点；2012年开始，沉积物的污染、新兴污染物如多环芳烃等受到重视，白洋淀生态修复开始提上日程.
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图 5 白洋淀CiteSpace关键词时区图 Fig.5 Time zone of Lake Baiyangdian with CiteSpace keywords |
研究的发展趋势在一定程度上反映了不同时期白洋淀的关键环境问题.针对以上几个主要关键词，进一步分类进行检索(附表Ⅰ).随着人类活动的增强，白洋淀整体的水质条件逐渐恶化，尤其在2005年以后，常年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类[29-30].水质的恶化引起了广泛的关注，关于白洋淀水质问题的研究也在这一时期逐渐增多. 2010-2014年，随着“十一五水专项”的实施，每年相关的论文数量基本在20篇以上(附图Ⅰa).然而，水质条件并没有随着研究的增多而改善，其原因可能是在一种污染得到有效治理的同时，新的污染问题又开始出现；或是环境的治理不只是科学研究一方面的事情，从认识污染、到治理方法、再到落实治理措施，是一个研究和管理共同作用的过程.
白洋淀富营养化状态和相关研究的论文数量分布呈现很好的同步关系(附图Ⅰb).该方面研究从2005年开始逐步增加，在2012、2013年达到峰值，在此期间，白洋淀的富营养化状况为中度富营养.自2015年，白洋淀富营养化程度由中度向轻度转变，相应的研究热度也有所降低，特别是2017年雄安新区设立以来，水体富营养化问题得到了较好的控制.相比富营养化的研究，重金属和新兴污染物的研究则少得多，但可以看出，两者的研究一直较为平稳(附图Ⅰc, d).由于新兴污染物具有稳定性、高毒性等特点，将是未来白洋淀区域治理研究需要持续关注的问题.
3.1 水体质量白洋淀水体污染的来源广、途径多、种类复杂.污染的主要来源有：由府河排入淀内的保定市生活污水，及其他上游河流汛期径流汇入的污染物、农业污染源、城镇污染源、旅游业污染源等. 1973年以来，白洋淀水质总体上呈恶化趋势，水质条件受入淀水量影响大(图 6)[29, 31]. 1973-1983年期间，除1975年由于突发性水污染事件水质为Ⅴ类水外，其他年份水质均优于或等于Ⅲ类水；1985、1986年为极干旱年，干淀的同时水质为Ⅳ类；1987-1996年，随着自然径流的恢复和间歇性补水，水质依然维持在优于或等于Ⅲ类水；进入21世纪后，白洋淀入淀流量急剧下降，水体恶化加剧，水质等级多处于Ⅳ类、Ⅴ类，甚至在2005、2006、2014和2015年为劣Ⅴ类.
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图 6 白洋淀逐年水质等级与入淀水量(水质等级1~6分别表示Ⅰ~劣Ⅴ类水体)[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] |
作者分别统计了近年来白洋淀水体中TN、TP、COD和DO的逐年平均浓度变化趋势(图 7)，根据我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的湖、库水质标准，TP和TN自1997年以来一直维持在较高浓度水平，尤其是TP浓度大部分年份超过了V类水标准. 2019年，通过一系列治理措施，TP和TN浓度均有大幅度下降，基本能满足Ⅲ类水标准. COD浓度自1970s以来，一直呈逐渐升高态势，2005年以前属于Ⅲ类及以下；2006-2018年平均浓度为31.58 mg/L，水质多属于Ⅲ~Ⅴ类之间.从淀区COD平均浓度来看，2006年开始水质明显恶化.白洋淀DO浓度较高，多处于Ⅲ类水及以上，对水质不构成威胁.
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图 7 白洋淀淀区水体主要水质因子逐年浓度：(a)总氮；(b)总磷；(c)化学需氧量；(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] |
氮磷组成比率(TN/TP)是衡量水体中氮或磷元素为藻类生长限制因子的关键指标. Guildford和Hecky[33]在Redfield比值的基础上，重新定义了淡水湖泊TN/TP的取值范围：TN/TP质量比小于9时藻类生长缺少氮元素，为氮限制；TN/TP质量比大于23时为磷限制；TN/TP质量比为9~23时，藻类生长受N和P共同限制[33-34].从近23年来白洋淀TN/TP计算结果可以看出(图 8)，TN/TP比值波动较大，最大值为32(2003年)，最小值为0.72(1996年)，仅有3个年份TN/TP略低于9，表明白洋淀藻类生长整体为P限制和N、P共同限制.从2007年白洋淀水污染防治被列入国家“水专项”项目，开展实施“白洋淀水质改善与沼泽化控制技术及工程示范研究”以来，TN/TP几乎维持在23 :1以上，因此可以认为目前白洋淀藻类的生长限制性营养元素为磷.
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图 8 1996-2018年白洋淀水体氮磷组成比率 Fig.8 TN/TP of water body in Lake Baiyangdian from 1996 to 2018 |
白洋淀位于“九河下梢”，承接着上游的径流，同时也携带了大量的泥沙、营养物质和污染物质，这些物质随径流进入淀区后，由于水流速度减缓，悬浮物进一步沉降，大量的泥沙、营养物质和污染物沉积在淀区.
根据白洋淀上游河流1951-1989年间的实测输沙量，白洋淀上游河流多年平均输沙总量为5871.02万m3，多年平均输沙量为173.1万m3，多年平均出口输沙量为1.47万m3[35]，大量泥沙在此淤积，河床抬升.进入淀区的泥沙从河流入口附近呈扇形向中心区域逐渐推进.北部的藻窄淀泥沙淤积最为严重，受泥沙淤积以及水量减少的影响，其平均水深不超过1 m.上游水库的兴建大大缓解了入淀的泥沙量，据估计，上游水库拦沙量约为2亿m3.图 9为淀区不同采样点底泥的粒径组成，可以看出不同点的颗粒物粒径组成差异不大，主要为粉粒和黏粒.
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图 9 白洋淀不同采样点沉积物粒径组成 Fig.9 Composition of sediment particle size at different sampling sites of Lake Baiyangdian |
结合Guo等于2011年对白洋淀泥柱同位素定年以及相关元素分析结果[13]和课题组近年对白洋淀底泥采样的分析结果，得出了白洋淀近160年来TOC、TN、As、Cd、Pb和Hg的演变结果(图 10).总体来看，除了As，底泥中其他物质含量均逐步上升，尤其在1990s以后都呈现出较快的增长趋势，这也体现出底泥作为污染物质的汇的特征.
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图 10 白洋淀不同沉积层深度对应年代的总有机碳、总氮和重金属干重含量[13] Fig.10 Total organic carbon, total nitrogen and heavy metals contents at different sedimentary depths corresponding to different ages in Lake Baiyangdian[13] |
保定市的发电厂、造纸工业和有色金属制造厂等排出的工业废水经府河排入白洋淀，是白洋淀沉积物重金属污染的主要来源之一[36]；同时淀内的旅游业、游船用柴油、养殖业等也在一定程度上带来重金属污染.基于此，国内外学者对白洋淀沉积物重金属污染特征与风险评价开展了大量研究.对白洋淀表层沉积物采样，结果显示：白洋淀底泥重金属As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的干重含量分别为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].淀内整体上呈现出营养元素“西北高东南低”、重金属“中部高南北低”的空间变化特征，高潜在风险区的空间分布主要集中在湖东西之间的河流廊道上，中等潜在危险区主要集中在附近湖边的城镇和村庄[37].淀内表层沉积物中污染最为严重的元素为Cd，其他元素Cu、Zn、Cr、Ni、Co及Sn为中度污染；Cu、Pb、Zn、Cr及Ni具有轻微潜在生态风险，而元素Cd具有强潜在生态风险[38].未来，处理表层沉积物中Cd污染将成为白洋淀生态修复的重要课题.
4 水生态 4.1 水生维管束植物大型水生维管束植物是水域生态系统的初级生产者，为其他生物提供食物和栖息场所.白洋淀作为典型浅水草型湖泊，广阔的水域面积和适宜的气候，为水生动植物提供了良好的生存和繁殖环境.历史上白洋淀是一个水草丰美的鱼鸟之乡，水生维管束植物的覆盖度达30 % ~40 %.水生维管束植物包括挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮叶植物4大类，其中挺水植物和沉水植物是白洋淀的主要优势类群.挺水植物的优势种主要有芦苇(Phragmites australis)、莲(Nelumbo sp.)和狭叶香蒲(Typha angustifolia L.)；沉水植物的优势物种包括金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、菹草(Potamogeton crispus L.)、龙须眼子菜(Potamogeton pectinatus)等，且随季节变化，根据2015年的调查结果显示，沉水植物优势物种春季为菹草，夏季为金鱼藻，秋季为龙须眼子菜和金鱼藻.
据文献记载，1958和1975年白洋淀有水生维管束植物34种[39-40]，远小于1979年记载的66种，可能是由于当时的采样频率和强度所致.近40年来白洋淀水生维管束植物种数和组成变化如图 11所示[41-46].总体来看，1979-2018年白洋淀水生维管束植物种数逐步降低，其中减少最为明显的是1979-1990年(Ⅰ)和2007-2011年(Ⅱ)两个时期.第Ⅰ时期挺水、浮叶和沉水植被种类分别由28、13和20种减少至18、8和15种，其减少的原因可能主要是1980s持续干淀导致对水位和地形敏感的物种消失. 1990-2007年，水生维管束植物种数较为稳定.然而在2007-2011年种类数又大幅下降，此次主要减少的物种是挺水植物，由原来的16种减少到7种，其原因可能是补水工程的实施保证了水位维持在一定的水平，这促使需要一定水深条件但是对水位变幅不敏感的物种则能维持较好的生长；但短时间高流量的补水措施虽然抬升了水位，而反季相的补水扰乱了白洋淀水位的自然波动节律，与植物的生长周期所需水位不匹配，导致一些对淹水深度和周期敏感的物种死亡.
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图 11 不同年份白洋淀大型水生维管束植物种数及组成[39-46] Fig.11 Species and composition of large aquatic plants in Lake Baiyangdian in different years[39-46] |
浮游植物位于食物链的底端，是水生态系统的主要初级生产者，对水质的变化非常敏感.大量研究通过藻类的密度、群落结构和功能组成来反映水体的营养状态.总体来看，1958年至今白洋淀浮游植物的物种数呈下降趋势.图 12a为白洋淀浮游植物物种数及物种组成的演变过程[47-57]. 1958年(未受污染时期)白洋淀有浮游植物129属，1975年降到92属，无隐藻记录[47].导致该时期物种数下降的原因可能为1960s中期伊始的兴修水利工程，加之极端干旱导致的5、6次干淀，以及人类活动增强导致的水质下降等.直至1982-1983年(干淀前)仅有浮游植物63属，且黄藻消失并出现隐藻. 1984年彻底干淀，水生生物几近绝迹. 1988年由于连降暴雨及入淀河流上游山洪汇集，白洋淀重新蓄水，浮游植物迅速恢复，到1991年已鉴定到135属263种，比历史上最高水平的1958年多6属，细胞密度年均值达到425.1×104 cells/L，是干淀前的3倍以上，种类组成和数量均恢复到干淀前的水平[42].从1990s开始，浮游植物物种数从1991年的263种下降到1996年的170种，2013年文献记载的浮游植物物种数量到达谷底值(69种)，1990-2013年白洋淀浮游植物物种数急剧降低且优势群落逐渐由硅藻门转变为蓝藻门和绿藻门，这是因为工农业的快速发展导致大量的污染物和营养物质滞留在水体和沉积物中，使白洋淀水体富营养化加剧. 2018年采集到浮游植物共102种，其中蓝、绿藻门比例下降，硅藻门比例上升，说明雄安新区规划建设后，跨流域补水与水污染治理等多重生态修复工程初见成效.浮游动物是水生态系统中的初级消费者与被捕食者，是维持食物网丰富和稳定的重要组成部分，其物种丰富度、群落结构和生物多样性等特征是营养状况的良好指标，且对湖泊污染和富营养化程度关系密切. 1958-2018年白洋淀浮游动物物种数同样呈现逐步下降的趋势(图 12b)[47-57].从1958-1975年，浮游动物物种数大幅减少. 1975-1993年白洋淀水产养殖业发达，从外地调入大量渔业种质资源，随之引入部分浮游甲壳动物，浮游动物物种数下降减缓[58].从1993年开始，从府河输入的生活污水和工业废水持续增加，进入淀区的污染物于部分区域超过了白洋淀的自净能力[59-60]，导致浮游动物在此期间急剧减少，2015年浮游动物物种数仅为25种，优势种如微型裸腹溞(Moina micrura Kurz)、角突臂尾轮虫(Brachionus angularis)、针簇多肢轮虫(Polyarthra trigla)等多为耐污种.近3年，浮游动物物种数有所回升，且耐污种的比例有所下降，洁净水体中广为分布的物种如尖额溞(Alona sp.)、象鼻溞(Bosmina sp.)等物种重新被发现，说明在国家和地方政府对环境的努力治理下，淀区水质有所改善.
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图 12 白洋淀浮游植物(a)和浮游动物(b)物种数的历史演变趋势[47-57] Fig.12 Historical evolution trend of species richness of phytoplankton (a) and zooplankton (b) in Lake Baiyangdian[47-57] |
大型底栖无脊椎动物(以下简称“底栖动物”)是湖泊生态系统中的重要组成成分，可以加快有机碎屑分解、促进水-泥界面的物质交换，在物质循环和能量流动中扮演着重要角色，是食物网的重要一环.白洋淀属于泥质沉积环境，水生植物腐烂后，大量的有机质沉积水底，有力地促进底栖动物繁育、生长.底栖动物总体上经历了先增加后减少的趋势，优势种主要为软体和节肢类. 1958年记录底栖动物28种，1975年38种，增加的种类主要是软体动物，从11种增加到17种；到1980年一直维持在30多种.至1990s锐减至22种，优势类群从软体动物变为节肢动物，双壳类物种数量明显减少，而寡毛类物种数量增加(图 13)[39, 47, 61-63]. 1958年的物种主要包括软体动物11种、贻贝7种、虾类4种和许多清洁种如蜻蜓和蜉蝣目幼虫等. 1990s，螺蚌、蟹等物种消失，其他软体动物减少到5种，摇蚊(Chironomidae)、寡毛纲和其他耐染物种比例显著增加，水质条件恶化是造成耐污性低的生物从白洋淀生态系统中消失或灭绝的重要原因[62-63]，之后白洋淀底栖动物种类稳定在20~25种.近年来由于环境污染，白洋淀底栖动物群落结构较为单一，以摇蚊、颤蚓等耐污物种为主，多样性相对较低[64]. 2018、2019年持续的大量补水，白洋淀水质向好，底栖动物物种数也有所回升.近期，为控制和修复白洋淀底泥污染实施的河道清淤工程也会对底栖动物造成一定的影响[65].
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图 13 白洋淀底栖动物物种数变化[39, 47, 61-63] Fig.13 Variation of benthic animal species richness in Lake Baiyangdian[39, 47, 61-63] |
1950s之前，白洋淀水域辽阔、水质良好且水产资源丰富，享有“华北之肾”的美誉.历史记载的鱼类物种数相对较少可能和当时处于战争年代以及调查的力度不够有关(图 14)[17, 47, 66-72]. 1958年对鱼类进行调查，共鉴定到11目17科54种，鱼的种类和数量都很丰富，经济鱼类以鲤科(Cyprinidae)为主，尚存在洄游性的鱼类，如鲻科(Mugilidae)、鳗鲡科(Anguillidae)等[66]. 1958年入淀河系上游开始修建水利工程，入淀水量大幅度减少，1976年调查发现5目11科33属35种，缺少鲻科、鳗鲡科等溯河性鱼类，种群组成仍以鲤科占优势，共计21种，占总数的60.0 % [47]. 1980年调查到40种，隶属8目14科37属，鲤科25种，占总数的62.5 %.彼时，白洋淀的优势物种有白鲦鱼(Hemiculter leucisculus)，主要物种仍为鲤科鱼类[67]. 1983年后，白洋淀连续出现周期性干淀，淀内鱼类资源大大减少，1989-1991年的两次调查分别仅得到24种鱼类，为历次调查最低值[68-69].经济价值较大的有鳗鲡科鱼类、梭鱼(Sphyraenus)、鳡鱼(Elopichthys bambusa)、赤眼鳟(Squaliobarbus curriculus)等，自1980s干淀之后再未发现[70]. 1997年后，随着调水补淀工程以及污染治理措施的实施，淀内鱼种类稳定在25种左右，其中2002年调查的鱼类33种，含人工养殖的经济种类10种[71]，隶属7目12科30属.主要的经济鱼类中，有10种目前已成为人工养殖的种类，其中鲤的人工养殖品种还有红鲤、镜鲤等.在自然组分中，鲤科种类占51.5 %；渔获物中鲤、鲫(Carassius auratus auratus)、白鲦(Hemiculter leucisculus)、麦穗鱼(Pseudorasbora parva)居多，表现出了江河平原动物区系、河海亚区鱼类组成的特点. 2003年开始，白洋淀开始对经济鱼类进行增殖放流，增加了经济鱼类的产量，但对物种的增加没有贡献[71]. 2010、2011年共调查到白洋淀水域鱼类33种，隶属于7目12科30属，鲫耐污染、耐低氧，已成为优势种群，洄游性鱼几乎全部消失，一些大型的经济鱼类也相继消失[17, 72]. 2015年共调查到6目9科23种鱼类，优势种仍然以网箱养殖的经济鱼类鲤科为主(35 %)，此外还发现近年来濒临绝迹的青鱂(Oryzias latipes)，表明白洋淀的生态环境在日趋改善.
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图 14 白洋淀鱼类物种数变化[17, 47, 66-72] Fig.14 Variation of fishes species richness in Lake Baiyangdian[17, 47, 66-72] |
白洋淀湿地由于水浅草多、光照充足、气候适宜，野生动物种类繁多，生物资源丰富，被誉为“生物资源和野生动物种群的基因库”.据统计，干淀以前，白洋淀内有鸟类192种，隶属于16目46科102属，有国家级保护鸟类187种，其中国家I级保护鸟类3种，国家II级保护鸟类26种.哺乳动物14种，隶属于5目8科12属，有国家级保护动物5种.两栖动物3种，隶属于1目2科2属，均为我国保护的有益或有重要经济科学研究价值的陆生野生动物.爬行动物共有11种，隶属于2目4科7属. 1970s以后，受入淀水量减少、上游水库控制下水文情势变异、水污染问题严重和资源过度开发等影响，野生动物的生存环境恶化，过去经常出没的一些大型猛禽如金雕(Aquila chrysaetos)、赤狐(Vulpes vulpes)等己难觅踪影，珍稀鸟类逐渐减少. 1983年发生持续干淀后，珍贵鸟类濒于绝迹. 1988年恢复蓄水，水禽种数有所回升，但鸿雁(Anser cygnoides)、斑嘴鸭(Anas zonorhyncha)、绿头鸭(Anas platyrhynchos)等数量仍较少.施行常态补水措施以来，水面开阔、候鸟大量增加，一些绝迹多年的水禽水鸟又回到白洋淀的芦苇丛中.据安新县2004年观测数据，白洋淀野生禽鸟、灰鹤(Grus grus)、豆雁(Anser fabalis)数增加，多年不见的白天鹅(Cygnus cygnus)、东方白鹤(Grus leugeranus)再度出现[59].
总体而言，自1960s以来，白洋淀的水生植被、浮游植物、浮游动物、大型底栖动物和鱼类的物种数均呈现先增加后减少的趋势，1960s-1970s是白洋淀生物资源最为丰富的年代，之后受干旱、水体污染的影响，白洋淀的生物资源逐渐减少，部分物种甚至在此区域绝迹.尤其是2017年雄安新区设立以来，白洋淀的水环境污染和水生态恢复开始得到重视和治理，水量和水质得到了大幅提升，物种的多样性正在逐步恢复，白洋淀水生态系统得以恢复.
5 结论本文结合历史资料、相关文献数据以及课题组长期的实测数据，回顾并探究了白洋淀近60年来的生态环境演变规律.结果表明，白洋淀的多年降水量呈减少趋势，受气候影响以及上游大坝拦截，天然入淀水量持续减少，淀区水位下降甚至在1980s出现长时间干淀，导致白洋淀的水生动植物，如鱼类、水生维管束植物、浮游植物、浮游动物以及大型底栖生物的物种数减少，甚至导致部分物种灭绝；同时耐污染、耐低氧种类所占比例上升.为恢复白洋淀水位与水生态，流域内和跨流域生态补水为白洋淀带来了新鲜血液，同时为湖泊生态恢复提供了重要的先决条件.在生态补水的影响下，淀区水位日渐上升，白洋淀整体水质由Ⅴ~劣Ⅴ类水逐渐好转为Ⅳ~Ⅴ类水，湖泊水体中营养物质(氮、磷)浓度逐渐降低，生物资源也逐渐恢复.
然而，作为雄安新区的关键生态屏障，对白洋淀水环境和水生态的治理要求提出了新高度.白洋淀流域内农业面源污染的控制和周边生活垃圾及污水的控制治理已取得初步成效，水质趋好，基本能达到Ⅳ类水标准.然而离规划的目标Ⅲ类水标准还有一定距离.从劣Ⅴ类、Ⅴ类提升到Ⅳ类水的过程主要通过控源截污实现，进一步从Ⅳ类水提升到Ⅲ类水则是更为艰巨的过程，在控源截污的基础上，还需要通过多水源大量补水，降低淀区水力滞留时间，提高淀区水体的环境容量，实现淀区的进一步净化.同时生态补水的节律与水生生物生命节律匹配的问题还值得进一步关注.作为沉积作用强的浅水湖泊，底泥在长期污染过程中充当着污染物“汇”的角色，在淀区水体质量好转后其转换成“源”的角色，如何采取有效的底泥污染治理措施，也是目前亟需解决的问题.水质问题逐步改善，水生生物群落亦将逐步恢复，达到新的平衡，下一步需要明晰健康的生态系统应该有怎样的物种组成和食物链构成.在雄安新区建设规划的推动下，希望白洋淀这颗“明珠”早日重拾往日光彩，展现荷塘苇海自然景色，实现建成蓝绿交织、水城和谐共融的生态新城.
6 附录附表Ⅰ和附图Ⅰ见电子版(DOI: 10.18307/2020.0500).
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附表Ⅰ 白洋淀Web of Science检索不同分类关键词 Appendix Ⅰ Web of Science retrieval of Baiyangdian with different classification keywords |
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附图Ⅰ 白洋淀相关研究历年文献发表情况：(a)水质；(b)富营养化；(c)重金属；(d)新兴污染物(水质等级1~6分别表示Ⅰ~劣Ⅴ类水体；富营养化状态指数3为中度富营养，2为轻度富营养)[29-30] FigureS1 Literature published about Lake Baiyangdian over the years: (a) water quality; (b) eutrophication; (c) heavy metals; (d) emerging pollutants (the water quality grade 1 to 6 represent Ⅰ-worse Ⅴ water body, respectively; Eutrophication status index 3 represents moderate eutrophication, 2 represents mild eutrophication) [29-30] |
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