楊 薇 ，李曉曉 ，付顯婷 ，趙彥偉 ，李傳哲 ，崔英杰

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，100875，北京；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

湖泊是流域水循環(huán)與水生態(tài)過程的關(guān)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(guó)多數(shù)湖泊呈現(xiàn)依賴河流補(bǔ)給、 湖盆坡降平緩、淺水型的特點(diǎn)（平均水深<10 m）。 近年， 淺水湖泊清水補(bǔ)給能力下降、污染物排放、過度捕撈，導(dǎo)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(fù)湖泊水文過程，是改善生態(tài)健康和維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。 生態(tài)補(bǔ)水作為應(yīng)對(duì)人類活動(dòng)影響下河湖自然水文情勢(shì)變化的重要舉措，旨在通過應(yīng)急補(bǔ)水或生態(tài)調(diào)度進(jìn)行水文過程的修復(fù)性調(diào)節(jié)，被廣泛實(shí)踐。

白洋淀是大清河流域的大型平原洼淀，20 世紀(jì)60 年代以來，白洋淀入淀流量銳減、自然水文情勢(shì)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(jī)，自80 年代以來，水利部、河北省先后組織了近50 次生態(tài)補(bǔ)水，對(duì)淀區(qū)水位和水面的維持發(fā)揮了重要作用。 生態(tài)補(bǔ)水工程量大，其修復(fù)效果難以通過復(fù)制的實(shí)驗(yàn)方法來檢驗(yàn)， 因此補(bǔ)水后的生態(tài)響應(yīng)成為焦點(diǎn)。 在現(xiàn)有補(bǔ)水后生態(tài)響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，闡述了系統(tǒng)層面探究生態(tài)響應(yīng)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(bǔ)水下生態(tài)響應(yīng)的總體框架，為淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和多源生態(tài)補(bǔ)水機(jī)制建立提供科學(xué)支撐。

一、淺水湖泊生態(tài)補(bǔ)水相關(guān)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(yīng)的科學(xué)評(píng)估

國(guó)內(nèi)學(xué)者及管理者的關(guān)注點(diǎn)，已從湖泊最低水位保障、 水質(zhì)改善、某重點(diǎn)魚類和鳥類保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評(píng)估、功能評(píng)估、健康評(píng)估等方面。 但仍然存在白洋淀水生態(tài)數(shù)據(jù)觀測(cè)資料精度較低、有效時(shí)間序列資料嚴(yán)重缺乏， 有效水文-生態(tài)響應(yīng)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(yīng)規(guī)律和機(jī)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(wù)、生物多樣性等與水文的關(guān)系。 全球范圍內(nèi)實(shí)施了大量的生態(tài)補(bǔ)水工程，以期改善水體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水體生態(tài)修復(fù)， 但在眾多調(diào)控案例中，多以水質(zhì)指標(biāo)、優(yōu)勢(shì)植被、浮游生物、底棲生物、特定魚類等單一指標(biāo)作為生態(tài)補(bǔ)水成效的依據(jù)。 有文獻(xiàn)調(diào)查了全球范圍內(nèi)99 個(gè)生態(tài)補(bǔ)水效應(yīng)評(píng)估的典型案例，其中同時(shí)關(guān)注多指標(biāo)的研究不足30%。

淺水湖泊具有水淺、 動(dòng)力弱、格局復(fù)雜等特征，其生態(tài)系統(tǒng)過程對(duì)水文變化的響應(yīng)尤為敏感。 忽略物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等生態(tài)過程而僅以某一目標(biāo)生物作為修復(fù)成效依據(jù)，具有片面性；同時(shí)，不同生物對(duì)水文響應(yīng)閾值存在差異及時(shí)間滯后效應(yīng)，增加了流量調(diào)控后生態(tài)效應(yīng)預(yù)測(cè)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(fù)雜營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(jié)構(gòu)和功能提供了有力工具。

2.生態(tài)補(bǔ)水對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響機(jī)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(biāo)。 而食物網(wǎng)則是表征生態(tài)系統(tǒng)的最佳方式，辨識(shí)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(gè)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(guān)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(yīng)，也不能提供當(dāng)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(duì)湖泊水域生態(tài)學(xué)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(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)軌跡。 但食物網(wǎng)穩(wěn)定性理論是獨(dú)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(guān)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(jìn)而確定淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的變化閾值，值得進(jìn)一步研究。

3.生態(tài)補(bǔ)水策略難以支撐湖泊近自然水位波動(dòng)過程

在生態(tài)流量調(diào)控過程中，湖泊水位波動(dòng)以及高脈沖水位、頻率、時(shí)機(jī)具有重要生態(tài)學(xué)意義。 當(dāng)前研究，多關(guān)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(guān)注水文脈沖及漲落過程。 國(guó)際上較先進(jìn)的生態(tài)需水核算方法，如 IHA/RVA 法、ELOHA 法等，均特別強(qiáng)調(diào)了隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)需水特征以及營(yíng)造年內(nèi)和年際高流量脈沖，對(duì)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(bǔ)水往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以臨界水位（6.0 m）作為補(bǔ)水需求，白洋淀實(shí)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(shì)過程嚴(yán)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(jiān)持補(bǔ)水1—2 次，生態(tài)效應(yīng)仍不容樂觀。且以最低水位為湖泊生態(tài)管理目標(biāo)，存在生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定、生物多樣性降低等風(fēng)險(xiǎn)，變化環(huán)境下難以支撐生態(tài)補(bǔ)水的適應(yīng)性管理。

二、白洋淀生態(tài)補(bǔ)水系統(tǒng)響應(yīng)的研究重點(diǎn)和框架

白洋淀生態(tài)補(bǔ)水的系統(tǒng)響應(yīng)研究，應(yīng)聚焦水文情勢(shì)對(duì)淺水湖泊白洋淀生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)穩(wěn)定維持的關(guān)鍵基礎(chǔ)作用， 遵循 “結(jié)構(gòu)演變－過程驅(qū)動(dòng)－閾值識(shí)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(jié)構(gòu)演變特征，揭示水文情勢(shì)對(duì)淺水湖泊食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力過程的影響機(jī)制，辨識(shí)淺水湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性變化閾值，提出維護(hù)湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定的生態(tài)補(bǔ)水模式及范圍。

1.揭示淺水草型湖泊食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)變化特征及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素

在以往關(guān)于湖泊重點(diǎn)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(dòng)物、底棲生物、魚類等不同營(yíng)養(yǎng)層級(jí)生物的結(jié)構(gòu)組成、生物量等時(shí)空特征的研究基礎(chǔ)上，采用碳、氮穩(wěn)定同位素技術(shù)結(jié)合胃含物分析、 食源經(jīng)驗(yàn)等方法，獲取消費(fèi)者的營(yíng)養(yǎng)級(jí)和食物網(wǎng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣鳌?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(yíng)養(yǎng)鹽濃度、總有機(jī)碳等水質(zhì)要素，以及農(nóng)田圍墾、淡水養(yǎng)殖等人類活動(dòng)時(shí)空變化，與食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)渲笖?shù)之間的相關(guān)關(guān)系，找到影響食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵水文水質(zhì)要素，明確維持食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)特征的水文水質(zhì)閾值范圍。

2.探索水文情勢(shì)變化對(duì)湖泊食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力過程的影響機(jī)制

水文情勢(shì)變化下不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物群落的生態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)和速率不同，進(jìn)而通過種間競(jìng)爭(zhēng)、上行、下行效應(yīng)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系的重組?？紤]初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)環(huán)境因子變化的敏感性，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的上行效應(yīng)，明確水位、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等水文情勢(shì)變化下浮游植物、沉水植物的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步耦合Lotka-Volterra 競(jìng)爭(zhēng)模型和平衡態(tài)下食物網(wǎng)的能量流動(dòng)模型，構(gòu)建湖泊食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力過程模型，模擬水文情勢(shì)變化下基于上行效應(yīng)導(dǎo)致的食物網(wǎng)關(guān)鍵功能群的生物量、能流、營(yíng)養(yǎng)傳遞效率等生態(tài)功能的非線性變化趨勢(shì)，探究維持食物網(wǎng)生態(tài)功能的最優(yōu)水文情勢(shì)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(shì)變化驅(qū)動(dòng)下湖泊食物網(wǎng)穩(wěn)定性的變化閾值

在水文情勢(shì)與食物網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力過程機(jī)制闡釋的基礎(chǔ)上，構(gòu)建食物網(wǎng)穩(wěn)定的定量化指標(biāo)，核算不同水文情勢(shì)下白洋淀食物網(wǎng)穩(wěn)定性變化特征?？紤]水文情勢(shì)與浮游-沉水植物的響應(yīng)關(guān)系，建立包含碎屑者、沉水植物、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生物和魚類等營(yíng)養(yǎng)層級(jí)的白洋淀淺水湖泊PCLake 生態(tài)模型，揭示水文情勢(shì)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(shì)，結(jié)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(jī)制。 協(xié)同分析不同水文情勢(shì)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(guān)系，科學(xué)辨識(shí)水文情勢(shì)變化驅(qū)動(dòng)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(yīng)角度為生態(tài)補(bǔ)水的動(dòng)態(tài)管理提供科學(xué)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(bǔ)水措施的范圍組合，實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)。 應(yīng)篩選對(duì)湖泊食物網(wǎng)影響顯著的水文情勢(shì)要素（如水位變化、 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變化等），考慮上游地表水、跨流域調(diào)水（長(zhǎng)江水和黃河水）等不同補(bǔ)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(dòng)態(tài)變化，獲得不同生態(tài)補(bǔ)水模式下生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化 （水位、營(yíng)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(yīng)曲線，揭示不同補(bǔ)水組合模式的生態(tài)效應(yīng)差異，評(píng)估不同組合方案的生態(tài)修復(fù)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(bǔ)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(shè)。 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(bǔ)水系統(tǒng)調(diào)控的保障對(duì)策

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

河北雄安新區(qū)建設(shè)規(guī)劃對(duì)白洋淀生態(tài)環(huán)境提出新的要求和挑戰(zhàn)。 精準(zhǔn)核算白洋淀生態(tài)水位，是構(gòu)建多源補(bǔ)水機(jī)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(zhǎng)發(fā)育期對(duì)水的需求不同，人為調(diào)控下水位的逆季節(jié)消長(zhǎng)，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(dòng)下，植被群落無效蒸散發(fā)增強(qiáng)，影響到植被干物質(zhì)的積累，乃至營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除。 建議對(duì)于臺(tái)田蘆葦沼澤區(qū)域， 分析不同水位與淀區(qū)生態(tài)格局關(guān)系，明確水位波動(dòng)、季節(jié)差異對(duì)植被分布格局和蒸散發(fā)過程的影響，構(gòu)建考慮淀區(qū)植被-水面動(dòng)態(tài)變化的淀區(qū)生態(tài)需水精細(xì)化調(diào)控模型，有助于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能完整。

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

有關(guān)學(xué)者、管理部門逐步認(rèn)識(shí)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(guān)聯(lián)成一個(gè)系統(tǒng)整體， 是流域整體的關(guān)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(bǔ)水過程需要通盤考量各單元之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，不能顧此失彼。 要優(yōu)化水系連通結(jié)構(gòu)， 協(xié)調(diào)河湖沼之間的需水沖突及其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的沖突， 探索河湖沼水系網(wǎng)絡(luò)一體化調(diào)控模式，篩選適宜的、 可操作性強(qiáng)的生態(tài)調(diào)度方案， 實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)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(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)河湖沼系統(tǒng)的水文生態(tài)效應(yīng)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估，闡明流域尺度上重點(diǎn)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(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，科學(xué)高效提升河湖沼系統(tǒng)生態(tài)需水保障效果。