劉世存，王歡歡，田 凱，趙彥偉，陳家琪，李春暉

（水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875）

濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)，是重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一，具有抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、改善氣候、控制污染、美化環(huán)境和維護區(qū)域生態(tài)平衡等方面的生態(tài)服務(wù)功能價值，被譽為“地球之腎”和“物種的基因庫”[1]。白洋淀是華北平原唯一常年積水的淺水型淡水湖泊，也是華北平原最大、最典型的淡水湖泊濕地，被譽為“華北明珠”，對維持華北地區(qū)生態(tài)平衡和保持生物多樣性發(fā)揮著生態(tài)安全屏障作用[2-3]。白洋淀也是雄安新區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要依托，是雄安新區(qū)“千年大計”的重要組成，因此雄安新區(qū)的發(fā)展對白洋淀的生態(tài)環(huán)境有更高的要求。長期以來，流域水土資源的過度開發(fā)導致白洋淀入淀水量減少、淀區(qū)濕地面積銳減、富營養(yǎng)化加劇、生物多樣性降低，淀區(qū)嚴重退化[4-5]。因此，分析白洋淀生態(tài)環(huán)境的變化趨勢，明確主要影響因子，可為白洋淀水污染治理、水生態(tài)保護與修復提供依據(jù)，也可以為雄安新區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)與管理提供重要參考。

國內(nèi)外學者對濕地生態(tài)環(huán)境變化進行了比較系統(tǒng)的研究。劉曼晴等[6]、謝冬明等[7]、Shsaeed 等[8]分析了濕地蒸散量、水位及濕地的變化，Gong 等[9]、Mallik等[10]和James 等[11]分別分析了濕地演變的驅(qū)動力與景觀變化的驅(qū)動機制，豐富了濕地研究的方法與內(nèi)容體系。作為華北平原最大的天然濕地，白洋淀濕地變化的研究也受到關(guān)注。部分學者[12-15]對白洋淀的潛在蒸散量、水位變化趨勢、白洋淀水質(zhì)時空變化、入淀水量變化及影響因素等進行了研究，劉豐等[16]、方宏陽等[17]、朱金峰等[18]和張敏等[19]分析了白洋淀土地利用與景觀轉(zhuǎn)化，研究了濕地土地變化的驅(qū)動機制，取得了豐富的研究成果?？傮w上，研究者針對白洋淀的生態(tài)環(huán)境要素進行了較為深入的研究，但受制于數(shù)據(jù)等原因，研究的時間序列較短，基本為10～20 a，難以明確長時間的生態(tài)環(huán)境變化趨勢，且對各要素之間的關(guān)系及白洋淀生態(tài)環(huán)境退化的影響因素缺乏更進一步的研究，制約了研究成果的應(yīng)用效果。

本文歸納總結(jié)了白洋淀水文、水質(zhì)、入淀水量、水生生物與景觀格局等要素的變化趨勢，研究了生態(tài)環(huán)境各要素之間的相關(guān)性，探討了白洋淀生態(tài)環(huán)境退化的影響因素，為白洋淀生態(tài)環(huán)境綜合治理提供更為系統(tǒng)的依據(jù)，支撐雄安新區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀位于海河流域大清河水系中游，地理位置為115°38′～116°09′E，38°43′～39°01′N（圖1）。淀區(qū)由保定市、滄州市交界的143 個相互聯(lián)系的大小淀泊和3700 多條溝壕組成，總面積366 km2，四周以堤壩為界。白洋淀多年平均氣溫7.3～12.7 ℃，年平均降水量563.9 mm，年平均蒸發(fā)量1369 mm。白洋淀植物種類繁多，生物多樣性豐富，是候鳥遷徙內(nèi)陸途中的重要通道，位置極為重要，但受自然與人為多因素影響，淀區(qū)生態(tài)環(huán)境退化嚴重。

圖1 白洋淀地理位置Figure 1 Location of Baiyangdian

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)和Web of Sci?ence 數(shù)據(jù)庫收錄的白洋淀生態(tài)環(huán)境相關(guān)文獻。文中圖表數(shù)據(jù)來源包括三部分：水文、水質(zhì)、水量、水生生物和景觀格局要素變化的圖表數(shù)據(jù)來自已有研究文獻，相關(guān)性分析和回歸分析的數(shù)據(jù)來自環(huán)境質(zhì)量報告書與相關(guān)生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究報告等，其他數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計局網(wǎng)站和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)等。

1.3 研究方法

歸納對比法（Inductive comparison method）的目的是通過對客觀事物的比較，將個別事物加以綜合，以獲得一般結(jié)論，進而認識事物的本質(zhì)和規(guī)律，形成經(jīng)驗積累和對類似情況的深刻認識[20]。本文采用歸納對比法對所選文獻進行整理歸納，橫向?qū)Ρ炔煌瑢W者對同一生態(tài)環(huán)境要素的研究結(jié)論，得到長期變化趨勢，縱向?qū)Ρ确治霾煌鷳B(tài)環(huán)境要素變化，歸納各要素間影響與作用的關(guān)系。

相關(guān)性分析（Correlation analysis）指對兩個或多個具備相關(guān)性的變量進行分析，衡量變量因素的相關(guān)密切程度，基于Pearson 系數(shù)的相關(guān)性分析可用來判斷兩組符合正態(tài)分布的定距變量間線性關(guān)系大小[21]。本文通過相關(guān)性分析比較相關(guān)系數(shù)大小，以判斷各要素間相關(guān)性的強弱。

曲線回歸（Curvilinear regression）是對非線性關(guān)系變量進行回歸分析的方法，其原理是以最小二乘法分析曲線關(guān)系數(shù)據(jù)變化特征[22]。研究采用本方法，嘗試建立各生態(tài)環(huán)境要素與其影響因子間定量關(guān)系，根據(jù)回歸系數(shù)R2判斷模型擬合效果，R2或調(diào)整R2越接近于1，模型擬合效果越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)環(huán)境變化分析

2.1.1 水文特征變化

結(jié)合相關(guān)研究，1956—2015 年，流域降水量在波動中呈下降趨勢（圖2a），且降水量存在一定的豐平枯周期變化規(guī)律，其中16 a 為降水變化的主周期[23-24]。1960—2016 年，白洋淀年平均蒸發(fā)量呈上升趨勢（圖2b）。1988—2011 年淀區(qū)最高水位在波動中呈下降趨勢，由1988 年的8.42 m 下降到2011 年的6.61 m[25]，下降幅度為1.81 m（圖2c）。如果保持白洋淀生態(tài)功能不受影響，最低水位應(yīng)保持在7.3 m，水位低于6.5 m 時會出現(xiàn)干淀，濕地存在較大的退化風險[26]?？梢?，在1988—2011 年期間，濕地長期處于低水位運行狀態(tài)，面臨著嚴重的干淀及生態(tài)風險。

2.1.2 入淀水量變化

1952 年至今，天然入淀水量呈明顯下降趨勢[27]。20 世紀70 年代之前，入淀水量與降水量基本呈同步變化，1970—1996年在波動中下降[28]。這種趨勢一直在持續(xù)，2010—2016 年平均入淀水量僅為60 年代的5.71%（圖3）。為解決入淀水量下降問題，白洋淀實施了多次人工補水，作為一個替代水源，人工補水很大程度上緩解了干淀危機。1981—2007 年，從上游的西大洋水庫等向白洋淀補水21 次，共補水6.36×108m3。其中，2000—2007 年補水較為頻繁，入淀水量也有明顯的升高。“引黃濟淀”是一個重要的應(yīng)急補水水源，2006—2011年，進行4次補水，最高補水量約1.2 億m3。隨著雄安新區(qū)的成立，白洋淀的生態(tài)補水更為穩(wěn)定，形成“引黃濟淀”“兩庫連通”“南水北調(diào)”等多源補水態(tài)勢。

圖2 水文要素變化Figure 2 Variation of hydrological elements

2.1.3 水質(zhì)變化

時間上，20世紀80年代以來，淀區(qū)水污染日趨嚴重，大部分水域呈中度營養(yǎng)化，水質(zhì)在Ⅲ類到Ⅳ類之間，淀區(qū)內(nèi)采蒲臺和端村水質(zhì)部分年份甚至達到劣Ⅴ類[29]。其中，1988—2016年各水質(zhì)指標濃度均呈先上升后下降趨勢，整體升高，其中總氮濃度明顯高于其他指標（圖4）。在年內(nèi)，總磷和總氮在4月之后升高，在8 月達到極值[30]。空間上，白洋淀的水質(zhì)狀況具有一定分異性，府河入淀口水域污染程度自入淀口向淀區(qū)中心呈輻射狀降低[31]。在淀區(qū)內(nèi)，水質(zhì)狀況較差的是端村、圈頭和采蒲臺附近水域，1988—2016 年平均水質(zhì)在Ⅳ到Ⅴ類之間[32]，這可能是受到孝義河和府河的排水以及居民生活污水排放等因素的影響。

2.1.4 水生生物變化

（1）浮游動植物變化

1958 年浮游植物有 129 屬，1975 年有 92 屬，1980年下降到64 屬，2006 年浮游植物平均密度較2005 年下降了 22%，2009 年較 2005 年上升 2.14 倍[33]。在水質(zhì)較好的凈水區(qū)，水體中氮磷等營養(yǎng)鹽濃度較低，生物需氧量和溶氧量相對較高，水質(zhì)穩(wěn)定，浮游植物的多樣性指數(shù)最高。自然因素疊加人為干擾（村落排污、底泥疏浚等）及浮游動物的下行效應(yīng)[34]使浮游動物種類持續(xù)降低，數(shù)量略有提高，目前浮游動物數(shù)量約為20世紀60年代的1.28倍（圖5）。

（2）水生高等植物變化

圖5 浮游動物種類和數(shù)量變化Figure 5 Changes in zooplankton species and numbers

水生高等植物可分為沉水植物、挺水植物、漂浮植物和浮葉根生植物。與20 世紀90 年代相比，沉水植物中許多優(yōu)勢群落生物量下降甚至群落消失。目前，在端村、圈頭和采蒲臺等水質(zhì)較差區(qū)域，以優(yōu)勢耐污種金魚藻（Ceratophyllum demersum）、篦齒眼子菜（Potamogeton pectinatus）和輪藻（Chara braurii Gmel）為主；在光淀張莊、棗林莊等水質(zhì)較好區(qū)域，以清潔種大茨藻（Najas marina）和小茨藻（Najas Minor）為主[35]。蘆葦（Phragmites australis）是白洋淀最重要的挺水植物，受水位變化影響，1987—2005 年蘆葦面積變化經(jīng)歷了“落-起-落”的過程，當?shù)乇硭坏陀?.9 m 時，葦?shù)孛娣e隨水位升高而增加，當水位高于6.9 m時，葦?shù)孛娣e隨水位升高而降低[36]。1953—2003年，白洋淀蘆葦年產(chǎn)量在波動中呈上升趨勢，主要分布在安新鎮(zhèn)、圈頭鄉(xiāng)、端村鎮(zhèn)[37]。

（3）魚類變化

歷史上，白洋淀魚類資源種類多，經(jīng)濟魚類產(chǎn)量高。1958 年魚類共有17 科54 種，以鯉、黑魚、黃顙（甲甲）為主；1980 年有14 科40 種；受1983—1988 年連續(xù)干淀影響，1989 年下降到 11 科 24 種。1989—1990 年重新蓄水后，由黃河水系向北遷移魚類及黑龍江水系向南遷移魚類在此交匯，形成特有的混雜類型。近年仍然維持減少趨勢。2001年和2002年調(diào)查有21 種，隸屬于7 目9 科25 屬。受到淀區(qū)水量、水質(zhì)及養(yǎng)殖活動的影響，魚類明顯減少，尤其經(jīng)濟魚類種數(shù)下降，自然魚類的種群呈現(xiàn)低齡、小型化趨勢[38-39]。

2.1.5 景觀格局變化

白洋淀的景觀類型以蘆葦?shù)?、耕地和水體為主。1974—2018 年，蘆葦?shù)孛娣e在波動中減少，水體面積下降，裸地減少（圖6a），居民地和耕地面積增加[40]。其中，1974—1983 年，居民地面積增加了 3.3 km2[41]。從整體看，濕地景觀向非濕地景觀轉(zhuǎn)化的比例加大，濕地退化趨勢顯著[19]。

蘆葦?shù)?、耕地和水域是白洋淀?yōu)勢斑塊類型，總占比高達 86.62%～93.06%[41]。1987—2010 年斑塊數(shù)由778個增加到957個，斑塊密度由2.15個·km-2增大到2.64 個·km-2，均增加約23%，最大斑塊指數(shù)從31.53 增加到 42.86，在 1999 年升高到 53.38（圖6b）?？傮w上看，臺地開墾、圍淀造田等人為活動使淀區(qū)的優(yōu)勢斑塊增大，整體景觀更加破碎化[17，41]。

圖6 景觀類型與景觀格局指數(shù)變化Figure 6 Changes of landscape pattern and landscape pattern indexes

2.2 生態(tài)環(huán)境變化的影響因素分析

2.2.1 生態(tài)環(huán)境要素間相關(guān)性

選取“水位”“總磷濃度”“浮游動物種類”“蘆葦濕地面積”和“耕地面積”指標，分別代表水文、水質(zhì)、水生生物、景觀格局要素，進行了生態(tài)環(huán)境要素間相關(guān)性分析（表1）。由表可見，水文與水質(zhì)、水生生物要素密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.865 和0.800，且影響顯著性較大。水質(zhì)與水生生物存在一定相關(guān)性，水質(zhì)下降時，水生生物種類減少，影響顯著性較小。景觀格局要素與水文要素的相關(guān)性較強，相關(guān)系數(shù)為0.800。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境退化的影響因素

（1）氣候條件變化的影響

以“降水量”和“蒸發(fā)量”代表氣候條件，“總磷濃度”代表水質(zhì)，“濕地與水面面積”和“浮游動物種類”代表水生態(tài)，采用曲線回歸分析方法，得到降水量、蒸發(fā)量變化與水質(zhì)、水生態(tài)指標的關(guān)系（圖7）。由圖可見，隨著年均降水量的增加，總磷濃度顯著下降（圖7a），濕地與水面面積增長（圖7b），浮游動物的種類也會增加（圖7c），表明年均降水量變化對水質(zhì)和水生態(tài)有較為明顯的影響。而隨著年均蒸發(fā)量的增加，濕地和水面面積快速下降（圖7d），但浮游動物種類變化并不明顯。莊長偉等[42]、Gao 等[23]的研究也表明，由氣溫升高等導致的降水量下降和蒸發(fā)量上升，疊加人類活動影響，引起白洋淀水位降低、入淀水量減少、濕地與水面面積下降、水質(zhì)下降，浮游動物的種類和數(shù)量也受到影響。劉志偉等[43]對青藏高原濕地近30年的生態(tài)環(huán)境變化、董曉玉等[44]對青海濕地變化和梁益同等[45]對洪湖濕地變化的研究也得出類似結(jié)論。

表1 各要素間相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Results of the correlation analysis among the ecological environment factors

圖7 氣候條件指標與水質(zhì)、水生態(tài)指標關(guān)系Figure 7 Relationship between climatic conditions and water quality and water ecological indexes

（2）入淀水量變化的影響

以“總磷”濃度代表水質(zhì)要素，“濕地與水面面積”和“浮游動物種類”代表水生態(tài)要素，采用曲線回歸分析法，得到入淀水量變化與水質(zhì)、水生態(tài)的關(guān)系（圖8）。由圖可見，隨著入淀水量增加，總磷濃度下降（圖8a），濕地與水面面積上升（圖8b），而浮游動物種類對水量變化的響應(yīng)并不顯著。表明水量仍然是白洋淀濕地變化的重要驅(qū)動因子，增加補水量是提升水環(huán)境質(zhì)量的有效方法，但水生態(tài)是多種干擾源綜合作用的結(jié)果，其響應(yīng)具有滯后性。李濤[46]對河北省平原濕地和夏熱帕提·阿不來提等[47]對黃河上游河道濕地變化的驅(qū)動因子的研究也得到基本一致的結(jié)論。

（3）社會經(jīng)濟和人口數(shù)量的影響

圖8 入淀水量與水質(zhì)、水生態(tài)指標關(guān)系Figure 8 Relationship between water quantity and water quality and water ecological indexes

保定市是白洋淀流域的主要城市，總面積占白洋淀上游總面積的78%，是GDP 的主要貢獻區(qū)。以保定市的GDP和人口代表上游的社會經(jīng)濟活動強度，采用曲線回歸分析法，得到社會經(jīng)濟和人口變化對白洋淀水質(zhì)、水生態(tài)的關(guān)系（圖9）。由圖可見，隨著GDP的增長，浮游動物種類下降（圖9a），濕地與水面面積呈減少趨勢（圖9b），總磷濃度迅速上升（圖9c）。隨著人口數(shù)量的增加，浮游動物種類減少（圖9d），濕地與水面面積下降（圖9e），總磷濃度上升（圖9f）。說明流域社會經(jīng)濟增長與人口增長是水質(zhì)、水生態(tài)變化的重要驅(qū)動因子，這緣于社會經(jīng)濟發(fā)展與人口增長導致的用水量與廢水排放量的增長，以及對濕地人為侵占等活動的增加，魏帆等[48]在圍墾等人類活動對環(huán)渤濱海濕地變化的影響研究中，也得到基本一致的結(jié)論。

2.3 生態(tài)環(huán)境保護與修復對策

白洋淀為淺湖型濕地，蒸發(fā)滲漏量大而蓄水量有限，受流域與淀區(qū)人為活動與自然的雙重影響，呈現(xiàn)出多要素協(xié)同退化的趨勢，對未來雄安新區(qū)的“水城共融”的生態(tài)城市建設(shè)施加了巨大的壓力。結(jié)合生態(tài)環(huán)境變化影響因素的研究結(jié)果，水位是白洋淀變化與退化的主要驅(qū)動因子，未來應(yīng)首先建立穩(wěn)定的生態(tài)補水配置與運行機制，依靠“南水北調(diào)”“引黃濟淀”“兩庫連通”等跨流域調(diào)水工程，實施多源生態(tài)補水，并盡快落實流域地下水超采綜合治理措施，有效控制流域及淀區(qū)地下水位下降，減少淀區(qū)對地下水的回補，共同支撐提升淀區(qū)生態(tài)水位。同時，流域與淀區(qū)人類活動是其退化的另一個驅(qū)動力，應(yīng)結(jié)合大清河流域綜合整治與雄安新區(qū)建設(shè)，升級流域社會經(jīng)濟發(fā)展模式，加強產(chǎn)業(yè)升級改造，逐步實施淀區(qū)淀中村生態(tài)移民工程，控制唐河污水庫對下游及周邊地下水的污染，實施流域水污染深度治理；由各生態(tài)環(huán)境要素的相關(guān)性分析可見，水文、水質(zhì)與水生態(tài)要素密切相關(guān)，濕地水生態(tài)系統(tǒng)的修復也有利于水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化等水文水質(zhì)指標改善，應(yīng)逐步實施退耕還濕，加強濕地生態(tài)修復與濕地溝渠連通性建設(shè)，逐步恢復生態(tài)功能，樹立雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境標桿。

圖9 社會經(jīng)濟和人口與水質(zhì)、水生態(tài)的關(guān)系Figure 9 Relationship between social economy and population and water quality and water ecological indexes

3 結(jié)論

（1）白洋淀生態(tài)環(huán)境變化主要體現(xiàn)在降水量下降，蒸發(fā)量增加，天然入淀水量減少，人工補水量增加，水位下降，水環(huán)境質(zhì)量下降；同時，浮游動植物種類下降，數(shù)量增多；部分沉水植物優(yōu)勢群落減少甚至消失；魚類種類呈下降趨勢；濕地和水面面積景觀減少，居民地和耕地景觀增加，濕地景觀向非濕地景觀轉(zhuǎn)化比例加大，景觀破碎化增加。

（2）生態(tài)環(huán)境各要素間存在一定相關(guān)性，水質(zhì)與水生生物存在一定相關(guān)性，景觀格局與水文要素相關(guān)性較強，和其他要素相關(guān)性較弱。

（3）降水量減少和蒸發(fā)量增加是水質(zhì)與生態(tài)環(huán)境退化的驅(qū)動因子；入淀水量減少使總磷濃度升高，水質(zhì)下降，濕地與水面面積減少；經(jīng)濟發(fā)展與人口增長是水質(zhì)、水生態(tài)退化的重要驅(qū)動力。自然條件與流域人類活動共同驅(qū)動白洋淀濕地生態(tài)環(huán)境變化。

（4）未來應(yīng)建立穩(wěn)定的生態(tài)補水與運行機制，優(yōu)化流域社會經(jīng)濟發(fā)展模式，強化流域水污染治理，逐步退耕還淀，加強濕地生態(tài)修復，提升濕地溝渠連通性，改善白洋淀生態(tài)環(huán)境狀況。