由于人类活动的影响，中国东部长江流域以大型水生植物为主的淡水湖泊水质正在恶化

《Anthropocene》：Anthropogenically driven deterioration of water quality in macrophyte-dominated freshwater lakes from Yangtze River basin, Eastern China

通过高分辨率古湖心学方法，结合脂质生物标志物、氢指数和重金属富集因子，揭示长江中游两个沉水植物湖泊（Xiliang和Liangzi）过去百年水质演变规律，发现农业扩张、水产养殖及工业化导致不同时期富营养化和污染物积累，沉水植物通过阻隔营养与污染物扩散延缓水质恶化，为湖泊管理提供依据。

　　

卢鹏|傅环|张永东|鲍坤山

华南师范大学地理学院，中国广州510631

摘要

过去一个世纪里，长江流域社会经济活动的快速发展对当地湖泊的环境造成了显著的负面影响；然而，该地区以大型水生植物为主的湖泊的环境动态及其与人为因素的相互作用仍缺乏足够的了解。本文通过高分辨率的古湖沼学方法，利用多种地球化学指标（包括脂质生物标志物（短链烷烃丰度、n-C₁₇/n-C₁₆烷烃、αβ-藿烷丰度、同藿烷指数）、氢指数（HI）以及痕量元素（砷、镉、铅和锌）富集因子（EFs）），研究了长江中游两个典型的大型水生植物主导的淡水湖泊（西梁湖和梁子湖）水质的长期变化。通过比较地球化学结果的变化时间与湖泊周边人类活动的文献记录，揭示了影响自然水质变化的人为因素。在西梁湖，1961年后沉积物中HI和n-C₁₇/n-C₁₆烷烃的显著增加表明浮游植物大量繁殖，导致湖泊水体营养化加剧，农业扩张是这一变化的主要驱动力。1977年后，所有地球化学指标均明显上升，表明湖泊更加富营养化，并受到石油产品和重金属的污染，这可能与湖泊内的水产养殖以及流域内农业的进一步发展（尤其是新技术的应用）有关。在梁子湖，地球化学指标显示自1993年以来湖泊经历了富营养化、石油和重金属污染，而水质恶化的延迟可能与沿岸密集生长的大型水生植物有关，这些植物阻碍了营养物质和污染物质向湖泊中心的传输，直到达到某个临界阈值。本研究强调了多种指标在记录大型水生植物主导的淡水湖泊水质动态方面的有效性。从古湖沼学的角度了解水质如何响应外部压力和湖泊内部过程，有助于制定环境管理和恢复策略，以减轻这些湖泊的水质恶化问题。

引言

由于水质相对较好，以大型水生植物为主的淡水湖泊通常被视为备用的饮用水资源。然而，在人类世背景下，社会经济活动的快速发展加上环境保护工作的缺失，对这些湖泊的水质构成了严重威胁，从而对人类健康、生物多样性和水资源可用性产生了负面影响（黄等人，2025年）。例如，来自水产养殖、农业和工业活动的富含氮（N）和磷（P）的废水排入湖泊会导致富营养化，为有害藻类的爆发提供条件，破坏湖泊生态系统和生物多样性（Paerl，1998年；Xu等人，2010年；Zhang等人，2019年；Janssen等人，2021年；Gregersen等人，2022年；Huang等人，2025年）。此外，随着流域的城市化和工业化，石油产品残留物和重金属可能进入湖泊，这些物质由于具有高迁移性和生物放大能力，对水生生物和人类具有毒性和致癌性（Opfer等人，2011年；Adams等人，2018年；Zhang等人，2018年）。了解湖泊水质如何因人为压力而偏离自然变化规律，对于预测未来的水质变化以及制定湖泊环境管理和恢复策略至关重要。然而，大多数湖泊的监测数据非常有限（Zhang等人，2019年）。即使进行了监测，水质恶化的起始时间通常也早于监测计划开始的时间，这使得区分人为影响和自然湖泊变化变得困难。相反，利用古湖沼学方法分析沉积物档案可以重建湖泊及其流域在长时间尺度（>100年）内的连续变化（Smol，2008年；Gregersen等人，2022年）。结合文献记录，我们可以识别湖泊对外部影响的内部响应（Gao等人，2017年）。

湖泊水质的古湖沼学重建基于已知的环境变化-地球化学响应关系（Meyers，2003年；Routh等人，2004年；Routh等人，2009年；Xu和Jaffé，2009年；Zhang等人，2019年；Zhang等人，2023a）。短链烷烃（n-C₁₅、n-C₁₇和n-C₁₉）的丰度常用于指示湖泊富营养化，因为浮游植物是这些烷烃的主要生产者，在营养丰富的条件下其生产力更高（Cranwell等人，1987年；Meyers，2003年；He等人，2015年；Huang等人，2017年；Zhang等人，2024a；Fu等人，2025年）。岩石热解得到的氢指数（HI）也可以指示湖泊富营养化，因为该指标反映了浮游植物对沉积有机质（OM）的贡献程度（Meyers，2003年）。地质形成的藿烷（17α(H),21β(H)-藿烷）是石油的生物标志物，其特定的来源有助于通过沉积物岩心中的αβ-藿烷丰度重建历史上的石油污染情况（Peters等人，2005年；Kim等人，2017年）。此外，通过计算重金属相对于保守元素（如铝）的富集因子（EFs），可以区分湖泊的重金属污染（Thevenon等人，2011年；Bai等人，2016年）。实际上，结合多种指标可以解决单一指标的潜在不确定性和局限性，从而提供更完整的古环境记录（Routh等人，2004年；Zhang等人，2019年；Zhang等人，2023b）。

历史上，中国长江流域发展了数百个淡水湖泊，其中大多数是以大型水生植物为主的湖泊。然而，随着社会经济活动的快速发展和相关污水排放，藻类大量繁殖并取代了大型水生植物，导致许多湖泊从以大型水生植物为主的状态转变为以藻类为主的状态（Jin等人，2025年）。幸运的是，尽管面临巨大的外部压力，长江中游的一些湖泊仍然保持以大型水生植物为主的状态，这引发了关于这些湖泊是否更能抵抗人为影响的争议（Ge等人，2021年；Zhang等人，2024年）。由于缺乏生态系统的转变，人们可能忽视了这些湖泊水质恶化的潜在风险，尽管复杂的流域活动不可避免地会引入营养物质和污染（Huang等人，2015年）。然而，湖泊水质相对于自然基线的退化过程（包括起始时间、持续时间、范围和驱动因素）仍不明确，这限制了对其未来行为的预测以及湖泊管理和恢复策略的制定。为了解决这一问题，选择了长江中游两个代表性的大型水生植物湖泊（西梁湖和梁子湖）作为研究目标，通过分析高分辨率定年沉积物岩心中的地球化学指标（脂质生物标志物、HI、痕量元素EFs）的演变轨迹，研究了这些湖泊过去一个世纪的水质变化。通过比较水质变化的时间与湖泊流域内人类活动的文献记录，我们试图解答三个关键问题：（1）水质变化何时以及为何偏离自然扰动？（2）湖泊水质如何响应流域和湖泊内部的压力？（3）大型水生植物能否增强湖泊环境对外部压力的抵抗力？希望本研究的结果能为长江中游湖泊水质演变的研究提供基础，并有助于该地区湖泊资源的可持续利用。

研究区域和采样

西梁湖（北纬29°51′–30°02′；东经114°00′–114°10′）和梁子湖（北纬30°03′–30°19′；东经114°26′–114°38′）均位于湖北省，地处长江中游南岸，彼此相距约50公里（图1）。这两个湖泊位于亚热带季风气候区，年平均温度和年降水量分别约为17°C和1260毫米。西梁湖的表面积为84平方公里，流域面积为827平方公里，平均深度为1.94米

沉积物岩心的年代学

在XL-1和LZ-1岩心中，²¹⁰Pb与²²⁶Ra在35厘米和65厘米深度达到活动平衡。过量²¹⁰Pb（²¹⁰Pb_ex）在两个岩心中均呈向下递减趋势，并与沉积物深度呈指数关系（图2）。这种模式表明沉积物在沉积后的扰动较小，使得恒定速率供应模型能够用来确定沉积物的年代。测年结果表明，XL-1岩心的上层35厘米沉积物形成于约1877年至2016年之间

用于古环境重建的有机地球化学指标

营养物质（氮和磷）是限制浮游植物生产力的关键因素，营养富集环境会刺激浮游植物的生长和生物量在沉积物中的积累（Xu等人，2010年；Zhang等人，2019年；Gregersen等人，2022年；Zhao等人，2024年）。因此，基于浮游植物有机质的地球化学指标被广泛用于重建湖泊的历史营养变化（Meyers，2003年；Routh等人，2009年；He等人，2015年）。

结论

通过分析定年沉积物岩心中短链烷烃丰度、n-C₁₇/n-C₁₆烷烃、αβ-藿烷丰度、同藿烷指数、HI以及痕量元素富集因子的变化轨迹，研究了两个代表性的大型水生植物湖泊过去的水质动态。在西梁湖，富营养化始于约1961年，并在1977年后加速；而重金属和石油污染则发生在后期。最初的富营养化可以归因于同时期的农业活动

未引用的参考文献

(Dong等人，2012年；Guo等人，2015年；Liu等人，2007年；Ou等人，2004年；Paerl，1988年；Prus等人，2011年；Schindler，2006年；Srinivasa Reddy等人，2005年)

CRediT作者贡献声明

鲍坤山：方法论。卢鹏：撰写——初稿、方法论、调查。张永东：撰写——审阅与编辑。傅环：方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号41673046）的支持。