过去70年来，中国华北平原这一最大的湖泊-湿地系统对水文调控和人为富营养化的生态响应

《Anthropocene》：Ecological responses of the largest lake-wetland system (North China Plain) to hydrological regulation and cultural eutrophication over the past 70 years

浮游动物群落演替揭示Baiyangdian湖近70年两次生态转型：1950年代由低生产力向中生产力转变，2000年代初因水文调控加剧与营养盐累积加速进入富营养化阶段，沉积物记录与多源数据整合证实人类活动是主要驱动因素，为湿地多压力源管理提供科学依据。

　　

程龙娟|约翰·P·斯莫尔|林琪|魏超然|杨书怡|万德军|姜庆峰|宁东亮|薛斌

中国江苏省南通市南通大学地理科学学院，邮编226007

摘要

浮游动物的组成和数量变化凸显了亟需揭示多种压力因素对淡水湿地生态状况的复杂影响。然而，在人类世期间，大型淡水湿地系统中浮游动物生态响应的时间轨迹仍然大部分未得到解决。本研究通过一个长期的历史时间线，探讨了这些生态动态。基于枝角类浮游动物的亚化石记录以及其他古湖沼学证据，结合水文模式、气候变量和人类活动的历史数据，研究了中国北部一个大型淡水湖泊-湿地系统——白洋淀对水文调节变化和人为富营养化的生态响应。在过去约70年中，枝角类群落发生了两次显著的生态转变，分别发生在20世纪50年代和21世纪初，这些转变是由沉积物中的营养物质和有机物的积累所驱动的。特别是在21世纪初，社会经济的快速发展和水文调节的加剧导致白洋淀的水体富营养化和生态系统退化速度空前加快。这一趋势威胁到了水生生态系统的安全，并引发了进一步的生态变化。我们的多年研究为在多重压力因素下保护这一标志性湖泊-湿地生态系统提供了基础支持。

引言

水生生物多样性的变化与从地方到全球范围内的生态系统稳定性和人类福祉密切相关（Gonzalez等人，2016年；Díaz等人，2019年；Lin等人，2024年）。这突显了揭示多种压力因素对生态系统结构和功能复杂影响的紧迫性（Keck等人，2025年）。由于湖泊中的关键生物元素（如浮游生物、鱼类和水生植物）的变化可能引发连锁效应，从而影响食物网结构的稳定性，进而导致淡水生态系统结构和功能的显著改变（Jeppesen等人，2020年）。目前基于短期监测和传感数据集的研究在理解大空间尺度上水生生物多样性变化的模式和影响方面取得了重要进展（Dornelas等人，2014年；Gonzalez等人，2016年；Keck等人，2025年）。然而，在人类世期间，湖泊生物多样性的长期生态响应，特别是浮游动物的动态，仍大部分未得到解答。针对长期、特定地点的湖泊生态系统变化的研究对于更好地理解局部群落如何导致大规模生物多样性丧失和水危机至关重要（Dornelas等人，2014年；Lin等人，2024年）。

湖泊-湿地生态系统，尤其是温带地区的生态系统，由于水文条件的变化和人类活动而极易退化。这种退化对人类社会和生态系统的用水安全构成了严重威胁（Zhuang等人，2011年；Jeppesen等人，2020年；Han等人，2022年）。作为这些生态系统的基础，水文条件直接决定了它们的结构和功能（Zhuang等人，2011年）。华北平原的水资源短缺问题长期存在，对人口密集的京津冀城市群的可持续发展构成了严重威胁。白洋淀作为华北平原上最大的淡水湖泊-湿地生态系统，在保护水资源和维持中国首都地区的生态平衡方面发挥着重要作用（Yi等人，2020年）。然而，该湖泊的水位对气候变化和人类调节非常敏感（Guo等人，2024年；Mao等人，2024年），湖泊流域的广大区域季节性暴露在外。这种水文模式日益威胁白洋淀的生态安全，表现为水生生物多样性的减少、芦苇地的丧失和饮用水危机（Zhuang等人，2011年）。此外，流域内城市化的加速和人口密度的增加导致淡水资源的过度开采以及地表植被覆盖的变化（Jeppesen等人，2020年）。这些变化进一步增加了外部营养物质和有机物的输入，这是人为富营养化的关键驱动因素。

由于水生植被（尤其是芦苇Phragmites australis）的广泛生长，白洋淀为多种水生生物和鸟类提供了理想的栖息地。在这个生态系统中，枝角类是淡水食物网的关键节点，可以作为生态系统状态变化的敏感指标（Damme和Kotov，2016年；Cheng等人，2022年）。枝角类的几丁质遗骸通常在沉积物中保存良好，保留了关于过去水文和生态条件的宝贵信息（Smol，2022年）。因此，通过沉积物记录重建枝角类群落组成和多样性的时间变化，可以有效揭示水生生态系统的长期动态（Cheng等人，2020年）。

本研究利用枝角类亚化石的古湖沼学分析，研究了受人类活动严重影响的白洋淀湖泊中浮游动物组成和多样性的多年变化。通过整合有机物和营养相关地球化学指标与社会经济和气象数据，我们阐明了浮游动物群落对水文波动和人为富营养化的生态响应。本研究的结果有望为在多重压力因素下保护这一标志性湖泊-湿地生态系统提供基础支持。

研究区域

白洋淀（北纬38°43′-39°02′，东经115°38′-116°07′），面积约为366平方公里，位于中国河北省中部（图1(A)）（保定市环境保护局，2011年；Bian等人，2023年；Mao等人，2024年）。该地区地形独特，河流和湿地相互连接，有超过3700条沟渠和水道纵横交错，连接着143个大小不一的湖泊和池塘，形成了一个融合了芦苇沼泽和梯田的独特自然景观。

沉积物年代学

BYD-18-1岩芯中的²¹⁰Pb_ex活性随深度呈合理的指数衰减（图2）。BYD-18-1岩芯中的¹³⁷Cs活性在21厘米深度处有一个明显的峰值浓度（10.29 Bq/kg）（图2），这对应于1963年北半球的¹³⁷Cs大气沉降通量（Pennington等人，1973年；He等人，1996年；Last和Smol，2001年）。采用复合模式（恒定供应率（CRS）模式和固定的¹³⁷Cs峰值）来进行分析

过去70年白洋淀的生态变化

根据GAM分析结果，枝角类群落的总量、P/L比值和Shannon_H指数在20世纪50年代中期和21世纪初发生了两次显著变化（图7），这与基于传统综合方法的湖泊生态系统稳定性评估结果一致（Xu等人，2001年；O’Brien等人，2016年；Meng等人，2021年）。此外，统计分析也支持了这一结论

结论

对白洋淀枝角类群落的分析表明，这个大型淡水湿地系统在过去约70年中经历了两次明显的生态转变，第一次发生在20世纪50年代左右，第二次发生在21世纪初。这些转变反映了从早期低生产力状态向更高生产力阶段的转变，最终发展为富营养化。沉积物中营养物质和有机物的累积是这一转变的主要驱动因素

未引用的参考文献

(Qin等人，2013年)

CRediT作者贡献声明

程龙娟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件应用，方法论，研究设计，资金获取，正式分析，概念构建。林琪：撰写 – 审稿与编辑，方法论，概念构建。约翰·斯莫尔：撰写 – 审稿与编辑，概念构建。杨书怡：软件应用，研究设计。魏超然：可视化，软件应用，研究设计。姜庆峰：资源获取，数据管理。万德军：资源获取，概念构建。薛斌：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家重点湖泊与流域科学实验室（2024SKL016）、国家自然科学基金（NSFC）（42002204、42177426和42471043）以及国家重点研发计划（2019YFA0607100）的支持。