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联合研究金小伟团队在长江洞庭湖和太湖生态系统健康影响因素方面研究取得新进展

水生态环境科学 2024-06-06 10:15 湖北

来源：长江保护修复联合研究中心

近日，联合研究专题一“长江流域水生态特征与完整性评估”课题参与单位中国环境监测总站金小伟研究员团队，在Environmental Science and Ecotechnology上发表了题为“Land use and river-lake connectivity: Biodiversity determinants of lake ecosystems”的论文。本研究利用2011—2019年原位监测数据，对中国亚热带长江通江型湖泊（洞庭湖）和非通江型湖泊（太湖）底栖动物群落的时空变化进行了研究，综合评估了水质、水文、气候变化和土地利用等四类关键环境因素对两湖的影响。研究发现，尽管两湖水质有所改善，但底栖动物群落的分类多样性和功能多样性仍呈下降趋势。人类活动带来的持续压力，特别是湖泊周边土地利用变化是导致这一趋势的主要原因。值得注意的是，河湖连通性在塑造湖泊生态状况对多重压力的响应路径中发挥着至关重要的作用，洞庭湖和太湖的生态状况分别与距离湖岸2～5 km和0.05～2.5 km范围内的人类用地建设密切相关。本研究表明，在湖泊周边设置特定空间尺度的陆地缓冲区，可有效保护湖区生物多样性，增强湖泊生态系统弹性。

本项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、长江生态环境保护修复联合研究（第二期）的资助。

文章信息

第一作者：谢慧钰，北京师范大学水科学研究院和中国环境科学研究院联合培养博士研究生，研究方向为流域水生态完整性评估。通讯作者：金小伟，中国环境监测总站教授级高工，博士生导师。主要从事流域水生态系统完整性评估与诊断，污染物区域生态风险评价理论与方法研究。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ese.2024.100434

图片摘要

引言
湖泊作为重要的生态系统，提供着水资源、调节气候、维护生物多样性等服务，对人类生存至关重要。然而，由于自然压力和人类活动的共同影响，湖泊生态系统正遭受着前所未有的挑战，包括栖息地退化、生物多样性下降、关键物种灭绝等。人类活动，尤其是农业发展和城市化，是导致湖泊水质恶化、生物多样性下降的主要驱动因素，而人为导致的极端天气事件也加剧了湖泊生态系统的脆弱性。此外，不同流域尺度的水文连通性差异会影响养分循环，加剧富营养化风险。多种环境因素相互作用，以复杂的方式塑造和影响着不同湖泊生态系统的结构和功能。本研究选择长江流域洞庭湖和太湖（图1）作为中国亚热带洪泛平原地区与长江相通和不相通湖泊的代表，通过长期生物监测和环境数据分析，旨在分析两个湖泊土地利用、气候变化、水文状况、水质以及底栖动物群落的时空变化趋势，确定影响底栖动物群落构建的主要驱动因素和潜在路径，量化人类用地强度对湖泊底栖动物群落的空间影响范围。

图1  洞庭湖和太湖的地理区位（a—c）和主要环境指标的变化（d—h）。

图文导读

1. 人类用地的扩张导致生物多样性下降

2011—2019年，洞庭湖和太湖的水质总体有所改善（图1），洞庭湖的综合水质指数（WQI）自2015年起显著上升，2019年达到最高，水质趋于良好，湖区周边非生态用地比例增长缓慢，平均为45.97%，其中耕地占34.66%，不透水覆盖占11.31%，与TN呈显著正相关（图2）。太湖的WQI也呈稳步上升趋势，但富营养化现象仍较为严重，环境因素变化具有显著的梯度，环湖非生态用地开发程度较高，平均可达70%。从底栖动物群落分布状况看，洞庭湖和太湖记录的物种数量相近，但群落结构存在显著差异（图3—4）。洞庭湖有较多敏感物种，太湖则有较多耐污物种。过去十年间，洞庭湖的分类丰度、丰富度和均匀度下降，而功能分化增加；太湖底栖动物丰度整体呈上升趋势，寡毛纲等物种占比较高。尽管水质改善，两湖的水生态稳定性呈下降趋势，太湖底栖动物群落同质化程度较洞庭湖更为严重。

图2—4  洞庭湖和太湖环境因素的作用关系以及底栖动物群落的分类和功能性状的时空分异特征。

2. 多重环境压力共同塑造了复杂的底栖动物群落和功能性状组成

以分类丰富度和功能丰富度为因变量，发现土地利用、水文和营养水平指标对生物多样性的变化有显著贡献（图5）。在洞庭湖，河湖连通性和人类建设活动是影响底栖动物分类和功能多样性的主要因素；年径流量对分类多样性的影响系数为0.40（P < 0.05），对功能多样性的影响系数为−0.1；而非生态用地建设能通过直接影响营养物浓度，导致栖息地破碎化，间接影响了底栖动物分类多样性。在太湖，非生态用地对底栖生物多样性的影响显著大于水文变化，土地利用、气候和水文过程协同作用于总氮（TN）和总磷（TP），最终直接和间接影响底栖生物群落的累计路径系数分别达为0.33和0.28（图6）。

图5—6  洞庭湖和太湖底栖生物多样性变化的潜在驱动因素与主要响应路径。

3.湖泊水生态状况对人类用地的响应范围存在差异

太湖水生态状况对人类土地利用的空间响应相较于洞庭湖更为敏感，尤其在5 km范围内（图7）。太湖周围存在较强的人为扰动，其水生态状况主要在0.05～2.5 km范围内波动最为显著，其中分类和功能多样性与1.5 km范围的土地利用相关系数最高，分别为0.37（P < 0.01）和0.41（P < 0.01）。洞庭湖的营养物浓度显著受2～5 km范围内非生态用地的影响，分类和功能多样性分别与2 km和5 km范围的土地利用相关性最强。

图7  洞庭湖和太湖人类土地利用强度的空间变化及其对水生态状况的影响范围。

结论

人类用地建设是影响湖泊生态系统健康的主要因素，且水文连通性的差异直接影响着湖泊对多重胁迫要素的响应路径。尽管洞庭湖和太湖底栖动物群落的健康状况受到多种因素的影响，但在江湖阻隔的湖泊生态系统中，土地利用变化的影响最为显著。相比之下，水文要素对通江湖泊生态系统的影响更为直接。为了保护生态稳定性和恢复力较低的湖泊流域，合理规划人类建设活动至关重要。此外，长时间序列的水生生物和水环境监测有助于验证水生态状况的多重胁迫响应过程和机制。尽管过去十年来洞庭湖和太湖水质显著改善，但底栖动物群落结构仍倾向于同质化，生态稳定性显著减弱，这与水生态环境管理预期的目标还有一定的差距。未来的研究不仅需要关注水体的污染状况，也应重视生物群落的结构和功能。建立以水生生物要素为核心的流域水生态状况评估方法，系统开展水生生物监测、评价和退化成因的诊断，通过水生生物效应和多重压力因素（水环境、水生境、水资源）的分析，解析并识别关键性胁迫因素，建立水生态系统退化和多重胁迫因素的内在关系，以胁迫因素为导向通过考核、评估有目的地修复和调控水生态系统，促进其健康发展。