杨 薇 ，李晓晓 ，付显婷 ，赵彦伟 ，李传哲 ，崔英杰

（1.北京师范大学环境学院，100875，北京；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京）

湖泊是流域水循环与水生态过程的关键环节，是山水林田湖草沙生命共同体的重要组成。 我国多数湖泊呈现依赖河流补给、 湖盆坡降平缓、浅水型的特点（平均水深<10 m）。 近年， 浅水湖泊清水补给能力下降、污染物排放、过度捕捞，导致湖泊水面面积萎缩、水质恶化、生物多样性减少、系统功能受损等。 恢复湖泊水文过程，是改善生态健康和维护系统稳定的关键。 生态补水作为应对人类活动影响下河湖自然水文情势变化的重要举措，旨在通过应急补水或生态调度进行水文过程的修复性调节，被广泛实践。

白洋淀是大清河流域的大型平原洼淀，20 世纪60 年代以来，白洋淀入淀流量锐减、自然水文情势变异显著、生态水文过程弱化、生态空间萎缩等问题逐步显现。 为挽救白洋淀生态危机，自80 年代以来，水利部、河北省先后组织了近50 次生态补水，对淀区水位和水面的维持发挥了重要作用。 生态补水工程量大，其修复效果难以通过复制的实验方法来检验， 因此补水后的生态响应成为焦点。 在现有补水后生态响应研究的基础上，阐述了系统层面探究生态响应的必要性，提出了基于食物网稳定性系统性研究生态补水下生态响应的总体框架，为浅水湖泊生态系统修复和多源生态补水机制建立提供科学支撑。

一、浅水湖泊生态补水相关研究存在的问题

1.缺乏系统层面上湖泊生态水文响应的科学评估

国内学者及管理者的关注点，已从湖泊最低水位保障、 水质改善、某重点鱼类和鸟类保护转变为生态系统结构评估、功能评估、健康评估等方面。 但仍然存在白洋淀水生态数据观测资料精度较低、有效时间序列资料严重缺乏， 有效水文-生态响应曲线难以获取等问题。 有研究通过水文频率高低估算生态需水， 但仍缺少湖泊水文-生态响应规律和机制解释，也缺乏从整体角度分析淀区生态系统健康、生态系统服务、生物多样性等与水文的关系。 全球范围内实施了大量的生态补水工程，以期改善水体环境，实现水体生态修复， 但在众多调控案例中，多以水质指标、优势植被、浮游生物、底栖生物、特定鱼类等单一指标作为生态补水成效的依据。 有文献调查了全球范围内99 个生态补水效应评估的典型案例，其中同时关注多指标的研究不足30%。

浅水湖泊具有水浅、 动力弱、格局复杂等特征，其生态系统过程对水文变化的响应尤为敏感。 忽略物质循环和能量流动等生态过程而仅以某一目标生物作为修复成效依据，具有片面性；同时，不同生物对水文响应阈值存在差异及时间滞后效应，增加了流量调控后生态效应预测的难度。食物网提供了物种与生态过程间的一种耦合连接方法，其复杂营养级交互作用的系统理论和数据为研究生态系统结构和功能提供了有力工具。

2.生态补水对湖泊生态系统稳定性影响机制不明确

维持稳定的生态系统逐步成为湖泊管理者追求的管理目标。 而食物网则是表征生态系统的最佳方式，辨识食物网稳定状态及变化阈值，成为湖泊生态系统管理的重要环节。 目前湖泊食物网稳定性定量化方法多考虑静态食物网稳定性，往往通过年际平均生物量确定稳定状态，很少考虑系统在多个平衡态间可能的转换。 此外，由于没有包含与外界环境因子的互馈关系，现有食物网稳定性定量化方法不能揭示外部胁迫作用的响应，也不能提供当前状态与失稳阈值之间的距离信息。浅水湖泊生态系统草/藻双稳态转换理论作为对湖泊水域生态学具有很大影响力的概念框架，通常将湖泊生态系统的叶绿素a、沉水植物生物量等作为系统状态表征，揭示其对环境条件的响应轨迹。 但食物网稳定性理论是独立发展的，没有明确地将湖泊生态系统稳态转换与食物网稳定性关联起来。 如何协同食物网稳定性和生态系统的草/藻稳态转变，进而确定浅水湖泊食物网稳定性的变化阈值，值得进一步研究。

3.生态补水策略难以支撑湖泊近自然水位波动过程

在生态流量调控过程中，湖泊水位波动以及高脉冲水位、频率、时机具有重要生态学意义。 当前研究，多关注白洋淀年均水位以及年内最小、适宜、最大水位等，有些涉及月均水位变化，却鲜有研究关注水文脉冲及涨落过程。 国际上较先进的生态需水核算方法，如 IHA/RVA 法、ELOHA 法等，均特别强调了随时间变化的动态需水特征以及营造年内和年际高流量脉冲，对于河湖生态系统多样性维持的重要意义。

由于白洋淀生态需水的科技支撑不足，以往淀区生态补水往往根据经验以临界水位（6.0 m）作为补水需求，白洋淀实际水位变化中高流量脉冲涨落过程不明显，次数偏少，且与历史水文情势过程严重不匹配，1997—2011 年年内高水位出现在3月， 而以往 1959—1996 年最高水位出现在8—9 月。 因此即使每年坚持补水1—2 次，生态效应仍不容乐观。且以最低水位为湖泊生态管理目标，存在生态系统不稳定、生物多样性降低等风险，变化环境下难以支撑生态补水的适应性管理。

二、白洋淀生态补水系统响应的研究重点和框架

白洋淀生态补水的系统响应研究，应聚焦水文情势对浅水湖泊白洋淀生态系统食物网稳定维持的关键基础作用， 遵循 “结构演变－过程驱动－阈值识别－流量调控”总体思路开展研究工作，阐明浅水湖泊生态系统食物网结构演变特征，揭示水文情势对浅水湖泊食物网营养动力过程的影响机制，辨识浅水湖泊食物网稳定性变化阈值，提出维护湖泊食物网稳定的生态补水模式及范围。

1.揭示浅水草型湖泊食物网营养结构变化特征及关键驱动因素

在以往关于湖泊重点区域（核心水域、沼泽区域等）以及入湖口过渡区沉水植物、浮游植物、浮游动物、底栖生物、鱼类等不同营养层级生物的结构组成、生物量等时空特征的研究基础上，采用碳、氮稳定同位素技术结合胃含物分析、 食源经验等方法，获取消费者的营养级和食物网的营养结构拓扑特征。 阐明白洋淀入淀河流的路径、流量、淀区水位及水面大小等水文要素、营养盐浓度、总有机碳等水质要素，以及农田围垦、淡水养殖等人类活动时空变化，与食物网营养结构拓扑指数之间的相关关系，找到影响食物网营养结构特征的关键水文水质要素，明确维持食物网营养结构特征的水文水质阈值范围。

2.探索水文情势变化对湖泊食物网营养动力过程的影响机制

水文情势变化下不同营养级生物群落的生态响应趋势和速率不同，进而通过种间竞争、上行、下行效应进行生态系统营养结构关系的重组。考虑初级生产者对环境因子变化的敏感性，应重点关注湖泊生态系统食物网的上行效应，明确水位、营养物质等水文情势变化下浮游植物、沉水植物的响应关系，进一步耦合Lotka-Volterra 竞争模型和平衡态下食物网的能量流动模型，构建湖泊食物网营养动力过程模型，模拟水文情势变化下基于上行效应导致的食物网关键功能群的生物量、能流、营养传递效率等生态功能的非线性变化趋势，探究维持食物网生态功能的最优水文情势变化区间，及由此反映的最小和适宜生态需水量。

3.明确水文情势变化驱动下湖泊食物网稳定性的变化阈值

在水文情势与食物网营养动力过程机制阐释的基础上，构建食物网稳定的定量化指标，核算不同水文情势下白洋淀食物网稳定性变化特征。考虑水文情势与浮游-沉水植物的响应关系，建立包含碎屑者、沉水植物、浮游植物、浮游动物、底栖生物和鱼类等营养层级的白洋淀浅水湖泊PCLake 生态模型，揭示水文情势变化下湖泊水位、氮磷、浮游植物、沉水植物、鱼类生物量等的变化趋势，结合草/藻双稳态理论，阐明湖泊生态系统的多稳态形成和内部反馈机制。 协同分析不同水文情势变化下湖泊食物网稳定性变化与草型湖泊/藻型湖泊突变转换的关系，科学辨识水文情势变化驱动下浅水湖泊食物网稳定性的变化阈值，从食物网稳定性的响应角度为生态补水的动态管理提供科学支撑。

4.获得维持湖泊食物网稳定性的生态流量调控模式与范围

分析维持湖泊食物网稳定的多源生态补水措施的范围组合，实现湖泊生态系统的有效保护。 应筛选对湖泊食物网影响显著的水文情势要素（如水位变化、 营养物质变化等），考虑上游地表水、跨流域调水（长江水和黄河水）等不同补水水源的可利用性及背景浓度差异，模拟不同生态流量调控组合下白洋淀浅水湖泊的生态系统动态变化，获得不同生态补水模式下生态系统环境变化 （水位、营养物质等）-状态 （食物网稳定性、叶绿素a、沉水植物生物量等）的响应曲线，揭示不同补水组合模式的生态效应差异，评估不同组合方案的生态修复效果，寻求维持浅水湖泊食物网稳定性的多源生态补水组合模式，获得适宜的生态流量调控范围，支撑区域生态文明建设。 具体研究框架和路径如图1 所示。

图1 研究框架与路径

三、白洋淀开展生态补水系统调控的保障对策

1.在淀区尺度，考虑植被-水面动态的淀区生态需水精细化调控

河北雄安新区建设规划对白洋淀生态环境提出新的要求和挑战。 精准核算白洋淀生态水位，是构建多源补水机制、形成“一淀”“多廊”生态格局的前提。 白洋淀是典型的北方浅水草型湖泊，水生植被是淀区重要生物组成，且在不同生长发育期对水的需求不同，人为调控下水位的逆季节消长，如冬春季水位高，夏秋季水位低，水生植被受到不同的淹水胁迫，群落组成与植被格局发生根本变化。 逆季节水位波动下，植被群落无效蒸散发增强，影响到植被干物质的积累，乃至营养物质的去除。 建议对于台田芦苇沼泽区域， 分析不同水位与淀区生态格局关系，明确水位波动、季节差异对植被分布格局和蒸散发过程的影响，构建考虑淀区植被-水面动态变化的淀区生态需水精细化调控模型，有助于维护生态系统结构与功能完整。

2.在流域尺度，加强白洋淀河湖沼系统生态补水一体化调控

有关学者、管理部门逐步认识到河湖连通的重要性，河流、湖泊、沼泽通过横向、 纵向和垂向的水文过程关联成一个系统整体， 是流域整体的关键环节， 有效支撑着流域水资源协调配置。 河流、湖泊之间的水文连通性特征， 决定生态补水过程需要通盘考量各单元之间的内在关联，不能顾此失彼。 要优化水系连通结构， 协调河湖沼之间的需水冲突及其与社会经济用水的冲突， 探索河湖沼水系网络一体化调控模式，筛选适宜的、 可操作性强的生态调度方案， 实现多目标协调下的生态需水调控和保障。 在未来调控中，应进一步加强河湖沼系统的水文生态效应的监测、评估，阐明流域尺度上重点河湖系统、河库系统、河沼系统和湖沼系统等的连接形式、 水文过程、多尺度生态效应之间的关联，科学高效提升河湖沼系统生态需水保障效果。