《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Long-term changes in Wolf Lake (Sudbury region, Ontario) situated in Mi'iangan Zaagagan Preserve: A proposed Indigenous conservation area
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本研究针对苏德伯里地区矿业活动导致的湖泊酸化与金属污染长期影响，特别是在原住民社区重要领地——狼湖——历史基线数据缺失的问题，研究人员利用沉积物记录中的古生态学指标（如硅藻、叶绿素a、有机碳和金属元素），重建了该湖自1850年条约签署前至今的生态与化学变化历程。结果表明，狼湖在20世纪中期因远距离酸性沉降而严重酸化（pH降至约5.1），同时生产力与溶解性有机碳（DOC）下降，沉积物金属浓度升高。尽管近期pH、DOC和叶绿素a有所恢复，但沉积物金属浓度仍高，硅藻群落未完全复原。这项工作为瓦哈纳皮特原住民部族将狼湖申报为“基于区域的其他有效保护措施”（OECM）提供了关键的基线数据和管理洞见。
在加拿大安大略省广袤的北方森林中，距离著名的矿业城市苏德伯里东北约50公里处，隐藏着一个形似嚎叫狼首的湖泊——狼湖。它不仅因其独特的地形而闻名，更因其周边保存着北美最大、最完整的古老红松林而具有极高的生态价值。对于瓦哈纳皮特原住民部族以及其他当地原住民社区而言，这片水域承载着深厚的文化与生活记忆。然而，自19世纪末以来，苏德伯里地区发展成为全球最大的金属采矿和冶炼中心之一，一个多世纪的大规模工业活动向大气排放了巨量的二氧化硫（SO2）和金属颗粒物。这些污染物通过大气沉降（如酸雨）进入周边水体，导致大范围的湖泊酸化和金属污染。狼湖也未能幸免，它在20世纪60年代因来自区域冶炼厂的远距离酸性沉降而酸化。当政府监测始于1980年时，狼湖已呈强酸性（pH 4.5），且据传统生态知识记载，曾经健康的湖鳟种群已然消失。
尽管自20世纪70年代起，由于技术进步和更严格的污染控制法规，排放量已大幅减少超过95%，狼湖的水化学（如pH）也显示出部分恢复的迹象，但一个关键问题始终悬而未决：在工业活动开始之前，狼湖的原始状态究竟是怎样的？它的生态系统究竟受到了多深的影响？又在多大程度上开始了真正的恢复？解答这些问题对于设定现实的生态修复目标至关重要，尤其是考虑到瓦哈纳皮特原住民部族正积极推动将狼湖及其周边生态系统指定为“基于区域的其他有效保护措施”（Other Effective Area-based Conservation Measure， OECM），即Mi‘iangan Zaagagan保护区。然而，长期监测数据的缺乏构成了主要障碍。为此，一个由多学科科学家组成的研究团队转向了时间的胶囊——湖泊沉积物，利用古湖沼学这一强大的工具，去揭开狼湖被尘封的生态历史。
研究人员于2022年9月从狼湖最深点采集了沉积岩芯，运用多种技术手段重建了过去约170年的环境变化。首先，他们利用铅-210（210Pb）测年法建立了沉积序列的年代框架。其次，分析了沉积物中的金属元素（包括砷、镉、铜、镍、铅、汞、锌等共60种），以追踪污染历史，并利用阈值效应浓度（Threshold Effect Concentration， TEC）和可能效应浓度（Probable Effect Concentration， PEC）等沉积物质量指南评估其生态风险。同时，他们通过可见光-近红外光谱（VNIRS）技术，从沉积物光谱特征间接推算了历史湖水中溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon， DOC）的浓度变化，并利用沉积物反射光谱特征估算了反映整体湖泊初级生产力的叶绿素a（Chlorophyll a， chl a）及其衍生物的总量。最后，研究团队对沉积物中的硅藻微体化石进行了鉴定与统计分析。硅藻是一类对水质变化极其敏感的单细胞藻类，其硅质细胞壁能完好保存在沉积物中。研究者使用了一个针对苏德伯里地区建立的转换函数，根据硅藻物种组成定量重建了历史湖水的pH值，从而直观地展示了狼湖的酸化与恢复过程。
研究结果清晰地揭示了狼湖在过去一个多世纪里所经历的巨大生态动荡，并将其划分为三个显著不同的阶段。
1. 什么是1850年条约签署前，密集采矿活动之前的原始条件？
在罗宾逊-休伦条约（1850年）签署及苏德伯里采矿活动开始（约1880年）之前，狼湖处于稳定、未受干扰的状态。沉积物金属浓度均低于可能产生生物效应的阈值。硅藻群落以喜好中性至微碱性水体的浮游和底栖种类为主，如假星形盘星藻（Discostella pseudostelligera）、微小曲壳藻（Achnanthidium minutissimum）等。重建的湖水pH值约为6.6，溶解性有机碳浓度约为5 mg/L，处于适合湖鳟生存的健康范围。这些数据为评估后续破坏程度和设定恢复目标提供了可靠的“基线”。
2. 狼湖在多大程度上受到采矿和冶炼活动产生的酸和金属沉降的影响？
从20世纪50年代左右开始，随着苏德伯里地区冶炼活动进入峰值，狼湖的生态系统发生了剧烈变化。沉积物记录显示，多种金属（如砷、铜、镍、铅等）浓度开始显著上升，并在20世纪90年代前后达到峰值。其中铜和镍的浓度超过了可能产生不利生物效应的浓度限值。与此同时，湖水开始酸化，硅藻重建pH值从6.6持续下降，在20世纪90年代达到最低点约pH 5.1。硅藻群落发生了根本性转变，耐酸的种类，如美国等片藻变种（Asterionella ralfsii var. americana）、短小短缝藻（Eunotia exigua）等成为优势物种，而原先占主导的喜中性种类锐减。伴随酸化和金属污染，反映湖泊整体生产力的沉积物叶绿素a浓度以及推断的湖水溶解性有机碳浓度也大幅下降，溶解性有机碳在1990年降至约1.6 mg/L，较基线下降了88%。这一系列变化与湖鳟种群的消失时间相吻合，印证了工业排放对湖泊生态的深远破坏。
3. 鉴于排放量显著下降，狼湖是否正在从采矿和冶炼活动中恢复？
自20世纪70年代实施严格的排放控制后，狼湖显示出部分化学性质的恢复。长期监测数据显示，湖水pH从1981年的4.5上升至2024年的6.2，溶解性有机碳浓度也从极低的0.6 mg/L回升至2.5 mg/L。沉积物叶绿素a浓度自20世纪70年代最低点后持续升高，表明初级生产力有所恢复。更重要的是，随着水质改善，湖鳟已经自然重新迁入狼湖并建立了可繁殖的种群。这无疑是生态恢复的一个积极信号。然而，恢复并不完全。尽管一些金属（如砷、镉）的沉积物浓度开始下降，但铜、镍等仍高于可能效应浓度，汞的浓度甚至呈现上升趋势。沉积物的平均可能效应浓度商数显示，直至2022年，仍存在对生物产生不利影响的“可能”风险。尤为关键的是，硅藻群落并未回归到污染前的状态。尽管部分酸性指标种有所减少，但耐酸和耐金属的底栖硅藻（如短小短缝藻、纤细短缝藻Eunotia tenella等）在近期沉积物中依然丰富。这表明，尽管湖水化学条件改善，但沉积物中遗留的金属污染以及由此维持的酸性微环境，仍在阻碍生物群落的完全恢复。
4. 近期 stressors（如加速的气候变化）在多大程度上影响湖沼学变化？
研究发现，近期狼湖溶解性有机碳浓度的上升，除了归因于酸沉降减少后的恢复，也可能部分受到区域气候变暖的驱动。气候变暖可以促进流域内有机物的分解和淋溶，从而增加输入湖泊的溶解性有机碳。对于狼湖这样的深水、冷水湖鳟湖而言，溶解性有机碳的适度增加可能有助于加深水体的光热吸收，强化湖水分层，为湖鳟提供更凉爽的避难所，从而在一定程度上抵消气候变暖带来的压力。然而，研究也指出，气候变化与遗留污染等 stressors 的交互作用可能使恢复轨迹复杂化。
归纳研究的结论与讨论，这项古湖沼学评估成功重建了狼湖自前工业时代至今的完整生态历史。它证实了苏德伯里地区长期的采矿和冶炼活动通过大气沉降，对数十公里外的狼湖造成了严重的酸化和金属污染，导致其生态系统发生根本性转变，并丧失了关键的湖鳟种群。尽管近几十年由于有效的污染控制政策，湖水化学性质（pH、溶解性有机碳）和部分生物功能（初级生产力）出现了显著恢复，甚至湖鳟得以回归，但沉积物中遗留的金属污染构成了持续的生态压力，阻碍了硅藻等生物群落回归基线状态。这种“化学恢复先于生物恢复”的现象在受污染生态系统中并不少见，凸显了 legacy contamination（遗留污染）的长期影响。
这项研究的重要意义在于，它为原住民社区主导的 conservation initiative（保护行动）提供了不可或缺的科学依据。通过确立明确的 pre-disturbance baseline（干扰前基线），研究不仅量化了历史损害，也为Mi’iangan Zaagagan保护区（OECM）的未来管理、监测和生态修复目标提供了具体的、基于科学的参考点。它强调，完整的生态恢复需要同时关注水体和沉积物两方面的治理。狼湖的故事是环境破坏与局部恢复的缩影，也警示着工业化遗产的持久性，以及在全球变化背景下，综合性的、包容原住民知识与权利的环境管理策略的紧迫性。该研究成果发表于《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》期刊。
