在过去的一千年里，重金属和营养物质的富集引发了沼泽硅藻群落的显著变化（即群落结构的转变）

《Journal of Environmental Management》：Heavy-metal and nutrient enrichment triggered a regime shift in marsh diatom assemblages over the past millennium

　　

韩东学|丛金鑫|李琳|王国平|高传宇

中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春，130102，中国

摘要

三江平原是中国最大的连续淡水沼泽区域。然而，由于与快速经济发展相关的人为干扰，这些宝贵的生态系统经历了显著的退化。研究人类活动对该地区沼泽演变的历史影响对于未来的生态系统管理和保护至关重要。我们利用多指标古生态学方法分析了来自东方红沼泽的5700年沉积物岩芯。通过结合硅藻群落分析以及地球化学特征（包括微量元素、营养元素、黑碳（BC）和多环芳烃（PAHs）和放射性碳测年，探讨了人为压力对沼泽演变的长期影响，并为退化淡水沼泽的恢复建立了自然基准条件。研究结果表明，直到1300年前，东方红沼泽仍保持接近自然的状态，这从所有地球化学指标的低背景浓度中可以得到证实。汉朝时期人口逐渐增加，引发了小规模的采矿和冶金活动，导致铅（Pb）、锌（Zn）和铜（Cu）含量上升。到了唐朝，随着汉族农业文明的扩展，人口增长、耕地扩张和工业排放加剧了氮（N）、磷（P）、汞（Hg）、黑碳（BC）和多环芳烃（PAHs）的增加。尽管这些活动尚未对沼泽生态系统造成严重破坏，但在700年前发生了转变，当时化肥施用、生物质燃烧以及工业和生活废物的排放共同产生了明显的人为沉积信号。在过去一千年中，营养负荷的增加、沉积物中重金属的富集和有机污染物的沉积导致了水质恶化，并促使硅藻种类向更能耐受干扰的方向演变，这一趋势在过去一个世纪里显著加速。鉴于硅藻对水质变化的敏感性，它们可以作为监测水质和指导淡水沼泽适应性管理的可靠生物指标。因此，700年前东方红沼泽的稳定状态为三江平原的恢复目标提供了宝贵的参考。

引言

人口快速增长、经济扩张以及随之而来的人为排放导致了大气污染，威胁着自然生态系统和人类健康（McCarthy等人，2018年；Ji等人，2023年）。工业制造、冶炼和采矿的排放增加了大气中重金属（如铅、锌、铜、汞、砷和镉）的沉积（Thevenon等人，2011年；Stevens等人，2024年）。化肥和农药的使用将更多的微量重金属和过量营养物质（氮、磷）带入相邻的自然生态系统（Mangadze等人，2017年）。同时，生物质燃烧、煤炭消耗、工业和生活废水的排放都加剧了金属、营养物质、黑碳和有机污染物的富集（Ndiritu等人，2006年；Bao等人，2023年；Ji等人，2023年）。人为排放（即工业、农业和居民生活）已经明显超过了史前的大气沉积水平，导致大气中氮的沉积量、有毒金属和有机污染物的富集显著增加（Bao等人，2023年；Wang等人，2025年）。超出自然变异范围的干扰可能引发水文环境的突然变化和生物群落组成的变化（Gardoki等人，2023年）。营养物质水平和金属元素已被证明是湖泊水质的重要指标（Thevenon等人，2011年；McCarthy等人，2018年；Ji等人，2024年；Stevens等人，2024年），然而它们在沼泽中的诊断价值尚未得到充分研究。

沼泽是区域气候和水文的重要调节器，是生物多样性的重要栖息地，也是生态系统碳的重要汇（Gao等人，2018年）。然而，在气候变化和人类活动加剧的双重压力下，它们消失的速度比地球上任何其他陆地生态系统都要快。人类活动通过大气沉积和地表径流将化学和物理成分释放到沼泽生态系统中（Liu等人，2018年）。更深入地了解长期地质时间尺度上的区域水文动态对于理解沼泽生态系统的演变和退化至关重要（Garcés-Pastor等人，2017年）。沼泽沉积物是过去环境和气候变化的自然连续地质记录，包括人类活动的影响（Adeleye等人，2021年）。沼泽中的生物地球化学记录是解释沉积物中保存的环境信号的重要工具（Pande等人，2015年）。硅藻被广泛用于水文环境重建，如地下水位深度、pH值、营养状况和水质（Rimet，2012年；Mangadze等人，2017年；McCarthy等人，2018年）。总氮（TN）和总磷（TP）是湖泊富营养化的标准指标，同样可以用来追踪沼泽演变过程中的营养级变化（Gao等人，2018年；Farqan等人，2025年）。与人类活动密切相关的重金属（如汞、铜、铅和锌）被认为是环境变化和污染历史的良好指标（Gao等人，2014年）。多环芳烃（PAHs）是普遍存在、持久且有毒的有机污染物，由不完全燃烧过程产生，是有机污染的可靠指标（Bao等人，2014年）。与PAHs同时产生的黑碳（BC）记录了过去的火灾事件强度和频率（Bao等人，2023年）。这些来自沼泽沉积物的多样化指标的结合使得能够全面探索环境历史，为沼泽的环境重建提供更可靠的基础（Adeleye等人，2021年；Gardoki等人，2023年）。

中国东北部的三江平原分布着广阔的温带淡水沼泽，在保障国家粮食安全方面发挥着重要作用。由于其富含营养的土壤和平坦的地形，长期以来一直是农业开发的理想选择，因此在过去150年里经历了显著的人为改变（Gao等人，2018年）。自20世纪50年代以来，三江平原的沼泽面积从35,270平方公里减少到8,100平方公里，耕地面积增加了300多倍，从公元1900年的约130平方公里增加到1996年的36,533平方公里，几乎91%的消失的沼泽被转化为耕地（Group，1998年）。农业和经济的快速增长加剧了对剩余沼泽生态系统的环境压力，不仅威胁到它们的完整性，也威胁到整个地区的生态安全。环境管理已经超越了单纯的生态保护，整合了人类发展、资源治理和经济可持续性（Jin和Xu，2026年）。千年尺度的生态系统重建为解释过去的环境变化和预测未来的变化提供了关键背景（Garcés-Pastor等人，2017年）。深入了解长期的生态轨迹对于有效的沼泽管理至关重要（Adeleye等人，2021年），而历史古生态学基准对于当代的政策制定和管理目标变得至关重要（Peng等人，2026年）。然而，由于缺乏长期的大气沉积记录，大气污染的历史变化仍不甚清楚（Gao等人，2014年；Liu等人，2018年）。在这里，我们基于硅藻、金属和营养元素、PAHs以及黑碳，评估了三江平原东方红沼泽在晚全新世时期的水质。我们的研究填补了关于过去一千年沼泽生态系统动态及其对人类干扰敏感性的关键数据空白。本研究的目标是：（1）基于微量元素、营养元素、PAHs和黑碳重建人为来源的大气沉积历史；（2）分析硅藻群落的特征，并评估硅藻作为水质和环境污染指标的潜力；（3）探讨从晚全新世到人类世过渡期间人为排放对沼泽演变过程的影响。

章节摘录

研究区域

三江平原（东经129°11′20″-135°05′26″，北纬43°49′55″-48°27′40″）位于中国东北部。它是在上新世时期通过冲积作用和构造沉降形成的。这个低洼的冲积平原被阿穆尔河、乌苏里河和松花江流经，总面积约为10.88×10^4平方公里（图1）。该地区属于温带湿润至半湿润大陆性季风气候，年平均气温在1.4至4.3°C之间。

地球化学特征

在2000年前，东方红沼泽的沉积环境较为稳定，沉积速率（AR）为2.8克/平方米/年（图2）。总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量同步变化，平均值分别为15.8毫克/克和0.5毫克/克，碳氮比为32。黑碳（BC）和多环芳烃（PAHs）的浓度分别为0.6毫克/克和0.3微克/克。在2000年前至1000年前，沉积速率略微下降至2.1克/平方米/年，而总有机碳和总氮含量分别增加到27.5毫克/克和1.4毫克/克。

金属、营养物质、PAHs和黑碳的大气沉积历史

重金属如汞（Hg）、铅（Pb）、锌（Zn）和铜（Cu）常被用作重建历史时期人为污染的地球化学指标（Lamentowicz等人，2025年）。Wu等人（2024年）指出，在过去一千年中，人类活动显著增加了青藏高原东部湖泊系统中的金属含量。值得注意的是，在某些湖泊中，千年前的重金属浓度就已经超过了工业革命后的水平。

结论

我们构建了一个包含5700年多指标记录的数据库，结合了硅藻群落分析和地球化学示踪剂（有毒金属、营养元素、PAHs和黑碳），以重建中国东北部三江平原东方红淡水沼泽的古环境。晚全新世时期最显著的变化发生在700年前，当时硅藻物种Hantzschia amphioxys、Nitzschia perspicua和Pinnularia subcapitata的数量突然增加。

CRediT作者贡献声明

韩东学：概念构思、正式分析、资金获取、调查、初稿撰写、审稿与编辑。丛金鑫：概念构思、资金获取、方法论制定、撰写、审稿与编辑。李琳：调查、撰写、审稿与编辑。王国平：数据管理、撰写、审稿与编辑。高传宇：概念构思、资金获取、项目管理、撰写、审稿与编辑。

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

作者衷心感谢中国科学院东北地理与农业生态研究所的分析与测试中心的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42301120）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0807201）和吉林省科技厅（项目编号：YDZJ202601ZYTS318）的支持。