生态文明建设以来长江中下游湖泊水生态环境变化

张 运 林，张 毅 博，周 永 强，徐 轩，施 坤

(中国科学院南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008)

0 引 言

湖泊是陆地表层系统最基本的地理单元，也是地表水资源的重要载体。湖泊承担安全供水、防洪抗旱、旅游休闲、生物多样性保护、维系区域生态平衡等多种生态服务功能，也是“山水林田湖草沙”生命共同体的重要组成部分[1]。湖泊约占全球陆地总面积的3%，但为人类社会提供了全球生态系统服务总量的23.2%[2-3]。在中国，湖泊在保障城市清洁饮用水供应方面尤为重要，服务了全国47.2%人口的集中式饮用水[4]。

长江中下游洪泛平原是中国湖泊密度最大、淡水湖泊最集中的区域，也是世界上极具特色、生态意义巨大的著名湖群[5]。由于地处人口稠密地区，它也是受人类活动干扰最强烈、富营养化和湖泊污染最突出的区域之一。据第二次中国湖泊调查数据统计，长江中下游地区有面积1 km2以上湖泊598个，总面积15 312 km2，占全国淡水湖泊面积的60%。长江中下游湖泊在洪水调蓄、水资源供给、水质净化以及生物多样性维持等方面发挥着重要作用，如太湖供给了周边上海、苏州、无锡等城市近4 000万人口的饮用水；鄱阳湖和洞庭湖是国际重要湿地以及珍稀候鸟和江豚等关键生物物种的集中分布区与栖息地。长江中下游湖泊既是长江生态安全廊道和生态屏障的重要组成部分，也是保障长江经济带生态优先、绿色高质量发展的关键要素。然而，过去40 a受气候变化、城市化发展、水利工程建设、围垦养殖等人类活动干扰，长江中下游湖泊普遍面临面积萎缩、蓄水量和水质下降、富营养化、藻类水华暴发、草型生态系统退化以及生物多样性下降等诸多问题[6-10]。概括起来，大致可以归纳为水资源失衡、水环境下降和水生态退化3个方面的主要生态环境问题：① 湖泊面积萎缩和泥沙淤积造成湖泊调蓄功能下降，叠加流域水文变化和极端气象事件容易引发洪旱灾害；② 流域入湖污染负荷增加和湖泊围网养殖等人类活动造成水体营养盐超标和湖泊富营养化；③ 藻类异常增殖、蓝藻水华暴发、草型生态系统退化等造成生态系统完整性、稳定性和持续性下降，生物多样性降低。因此，《长江经济带发展规划(2016～2030年)》指出：“长江中下游湖泊湿地生态功能退化，江湖关系紧张，…湖库富营养化未得到有效控制”。2021年，《国家发展改革委关于加强长江经济带重要湖泊保护和治理的指导意见》也提出：“紧盯重要湖泊主要问题，以鄱阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖、洱海、滇池等重要湖泊为重点，以湖泊生态环境保护为突破口，江湖同治、水岸同治、流域同治，构建完整、稳定、健康的湖泊生态系统，助力长江经济带高质量发展”。

2012年11月，党的十八大从新的历史起点出发，作出“大力推进生态文明建设”的战略决策，把生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展[11-12]。在习近平生态文明思想指引下，长江流域沿线共抓大保护，不搞大开发，扎实推进流域水资源保护、水污染治理、水环境改善、水生态修复和水灾害防御，推动长江生态环境持续改善[13]。为探讨生态文明建设实施以来长江中下游湖泊水生态环境变化状况，本文聚焦水资源、水环境和水生态，选取生态文明建设实施前后(2010～2021年)的数据进行分析，重点剖析湖泊面积、透明度、氮磷营养盐、藻类水华和水生植被等指标的动态变化过程及趋势，并进一步厘清其变化原因和未来面临的挑战。

1 数据与方法

1.1 遥感数据

通过Landsat卫星提取长江中下游湖泊面积、透明度和水生植被面积，其中湖泊面积提取涉及447个常年水域面积在1 km2以上的湖泊，透明度反演涉及447个湖泊中的420个，水生植被主要针对10 km2以上的湖泊，总共98个。利用MODIS卫星通过漂浮藻类指数法提取太湖、巢湖2个蓝藻水华频发的典型湖泊逐日蓝藻水华面积。湖泊面积数据覆盖时段为2010～2020年，透明度、蓝藻水华和水生植被数据覆盖时段为2010～2021年。湖泊面积、透明度、蓝藻水华和水生植被提取方法详见相关文献[14-17]。

1.2 水质数据

溶解氧、氮磷营养盐、高锰酸盐指数和生化需氧量等湖泊关键水质数据来源于中国环境监测总站，其长期连续和一致性监测数据被广泛用于诊断、分析和评估河流、湖库水环境动态变化及演化趋势[18-20]。中国环境监测总站在长江中下游22个湖泊布设了120个监测站点开展逐月监测(见图1)，采用采测分离的方式进行测定分析，2010～2020年共记录了9 163条各种水质参数数据。

图1 长江中下游开展水质监测的22个湖泊分布Fig.1 Spatial distribution of lakes with water quality monitoring in the middle and lower reaches of the Yangtze River

1.3 数据分析与制图

利用SPSS 22统计各指标年均值并进行线性趋势拟合，利用ArcGIS 9.2绘制湖泊和各指标空间分布图，采用OriginPro 2018绘制各指标数据曲线图。

2 结果与讨论

2.1 湖泊面积与透明度

2010～2020年长江中下游地区1 km2以上湖泊年内最大面积和年内最小面积(反映最高水位和最低水位对应面积)提取结果显示：湖泊总面积整体上有增加趋势，但不显著(见图2)，低值出现在生态文明建设实施前的2011年，高值出现在生态文明建设实施后的2016年和2020年，最高值相对于最低值分别增加了13.6%和12.3%，反映过去10 a长江中下游湖泊没有继续被围垦和侵占，湖泊萎缩得到明显遏制，退耕还湖和退渔还湖等措施成效明显，湖泊调蓄能力和水资源保有量增加。湖泊透明度反演结果显示：2010～2021年透明度呈现动态波动，除2010年和2020年透明度较高外，其他年份透明度基本上差别不大，在0.75 m左右，整体上没有明显变化趋势，多年均值在0.75 m。

图2 2010～2021年长江中下游地区1 km2以上湖泊面积和透明度变化Fig.2 Yearly changes of lake area and water transparency for lakes with the area larger than 1 km2 in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 2010 to 2021

2.2 关键水质参数

长江中下游地区22个湖泊120个监测站点逐月监测结果显示：2010～2020年6个关键水质参数——溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、总氮、氨氮和总磷呈现出不同的变化趋势(见图3)。溶解氧年均值在8.5 mg/L以上，整体维持在较高水平并且稍有上升，但统计检验不显著(R2=0.19，p=0.19)，多年平均值为 8.80 mg/L，不存在缺氧或者厌氧情况，一定程度上反映湖泊水质在改善，因为溶解氧下降或者缺氧和厌氧的出现某种程度上意味着水环境质量下降[21]。高锰酸盐指数除了在2018年出现相对高值3.88 mg/L外，其他年份大致维持在3.30 mg/L，没有增加和减少趋势。生化需氧量、总氮和氨氮呈现较为一致的变化趋势，均表现为显著下降，如生化需氧量由2010年的2.50 mg/L下降到2020年的1.71 mg/L，总氮由2010年的2.10 mg/L下降到2020年1.21 mg/L，氨氮由2010年的0.31 mg/L下降到2020年0.13 mg/L，分别下降了31.6%，42.4%和58.1%，反映湖泊水质在持续好转。总磷在2010～2012年间有较为明显下降，尽管之后稍微波动增加，但2020年的0.061 mg/L仍明显低于2010年的0.078 mg/L，下降21.7%。因此，综合考虑6个关键水质参数的变化特征和趋势，整体上反映生态文明建设以来湖泊水质已有较为明显的改善，但必须承认的是当前总磷浓度依然偏高，超过地表水湖库Ⅲ类水标准(0.05 mg/L)。

图3 2010～2020年长江中下游地区22个湖泊6个关键水质参数变化Fig.3 Yearly changes of 6 key water quality parameters for 22 lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 2010 to 2021

2.3 典型湖泊蓝藻水华

长江中下游湖泊普遍面临富营养化和藻类水华的问题，其中又以太湖和巢湖的蓝藻水华问题最为突出。MODIS卫星逐日遥感监测显示，2010～2021年太湖和巢湖蓝藻水华年均面积和年最大面积呈现出较大的波动变化(见图4)。如太湖年均藻华面积在130.4～291.0 km2间波动，最大年份(2017年)藻华面积是最小年份(2014年)面积的2.23倍；巢湖年均藻华面积在49.0～97.5 km2间波动，最大年份(2018年)藻华面积是最小年份(2021年)面积的1.99倍。从年最大藻华面积来看，太湖年最大藻华面积出现在2017年，为1 268.4 km2，占整个太湖水面面积的54.2%，巢湖年最大藻华面积出现在2018年，为497.8 km2，占整个巢湖水面面积的64.7%。趋势分析显示，太湖和巢湖蓝藻水华面积没有明显的下降趋势，目前仍处于高位波动，但值得欣喜的是，2021年太湖和巢湖蓝藻水华均处于过去10 a较低水平，另外2022年也整体处于向好态势。

图4 太湖和巢湖2010年以来蓝藻水华面积年平均值和最大值逐年变化Fig.4 Yearly changes of cyanobacterial blooms areas of mean values and maxium values for Taihu Lake and Chaohu Lake from 2010 to 2021

2.4 湖泊大型水生植被

大型水生植被是湖泊重要的初级生产者，对营养盐拦截和滞留、水质净化以及碳的固定和埋藏都起到非常重要的作用，同时为浮游动物、底栖动物及各种鱼类提供栖息场所，成为湖泊生态系统健康状况的重要表征，在湖泊生态系统修复中占据重要的地位。以沉水植物为主形成的湖泊草型生态系统，具有多种生态服务功能，提供重要的生态产品。Landsat卫星对长江中下游98个面积50 km2以上湖泊大型水生植物遥感监测显示：2010～2021年长江中下游湖泊大型水生植物整体上呈现明显下降趋势，并且对不同面积湖泊呈现出较为一致的变化趋势(见图5～6)。从空间分布来看，洞庭湖水生植被的退化相对较小(见图6)。

图5 2010～2021年长江中下游地区10 km2以上湖泊水生植被面积变化Fig.5 Yearly changes of aquatic vegetation area for lakes with water area more than 10 km2 in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 2010 to 2021

图6 2010～2021年长江中下游10 km2以上湖泊水生植被面积变化率空间分布Fig.6 Spatial distribution of change rate of aquatic vegetation area for lakes with water area more than 10 km2 in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 2010 to 2021

3 讨 论

3.1 湖泊面积变化特征及原因

长江中下游洪泛平原人口稠密，人类活动强烈，为支撑人类生息繁衍和工农业社会发展，自古以来就对该区域湖泊的开发利用强度大，特别是受人多地少和对湖泊功能认识不足等因素的影响，导致湖泊被大量不合理围垦，面积急剧减少[7，22]。据不完全统计分析，1971～1988年面积1 km2以上的湖泊总面积减少了2 545 km2，消失湖泊达102个；2015年面积1 km2以上的696个湖泊总面积相比20世纪80年代净减少了1 862 km2[23]。对1973～2018年间长江中下游112个湖泊的围垦造地(农田或建筑用地)和围网养殖时空演化过程分析，发现湖泊自然水面积损失超40%、库容损失30%[24]，湖泊蓄水量降低，应对长江流域极端洪水和干旱的调蓄能力下降，如2022年长江中下游流域极端干旱造成农业生产、农村人蓄饮水、城市供水面临挑战。以洞庭湖为例，湖泊面积由1949年的4 400 km2下降到1970 s的3 000 km2，再到现在的2 600 km2[25]。值得欣慰的是，1998年中国在长江中下游地区开始实行退耕还湖政策，党的十八以来继续加大退耕还湖力度，国办2016 年印发《湿地保护修复制度方案的通知》(国办发〔2016〕89 号)，长江中下游湖泊通过拆除围网等手段，逐步恢复湖泊自由水面和湿地生态功能[26]。因此，随着退耕还湖和退渔还湖政策实施，长江中下游湖泊逐步恢复，湖泊水面面积有所扩大，但未来仍需再加快步伐、加大力度，让湖泊休养生息，更多地恢复到以前生态。

3.2 湖泊水环境变化特征及原因

从2010～2020年长江中下游地区22个湖泊6个关键水质参数变化来看，水质整体在改善，但不同参数变化存在明显分异，生化需氧量、总氮和氨氮显著下降，溶解氧有所提升、总磷有所下降，但都改善不明显，高锰酸盐指数基本上没有改善甚至部分年份还有所反弹。总氮和氨氮浓度下降与外源污染负荷控制以及浅水湖泊强脱氮能力有关，流域氮进入湖体后除了在沉积物蓄积外，大部分会通过一系列硝化和反硝化作用最终以氮气和氧化亚氮等气态方式永久离开水体，如太湖外源年输入氮只有9%滞留在湖体[27]。湖泊总磷下降缓慢甚至部分年份有反弹，这与流域磷排放、蓝藻水华暴发、沉积物释放和水生植被退化密切相关，流域磷进入湖体除了随出流排出湖体外，绝大部分都沉降和蓄积在沉积物中，如太湖外源年输入磷高达63%滞留在湖体，使得内源磷负荷蓄积量大，而风浪扰动、蓝藻水华暴发和水生植被退化等加剧底泥向水体的磷释放[6,27-31]。例如，太湖是典型的大型浅水湖泊，动力扰动再悬浮和藻类等生物泵吸作用造成底泥内源营养盐大量释放。底泥再悬浮通量的高频观测显示，藻型湖区底泥磷释放通量是水草区的16倍[32]。因此，尽管太湖底泥平均污染程度不高，但由于对水相磷供给的效率高、总负荷大，特别是蓝藻水华造成pH值升高和底部厌氧，能够大量泵吸底泥中的磷进入水体。据调查，太湖仅表层3 cm底泥中赋存的易释放活性磷就达1 500多吨[33]。另外，历史上湖泊围网养殖及近年来的快速拆除也会造成磷在沉积物中的蓄积和大量释放[8,26,34]。长江中下游许多湖泊都经历高密度围网投饵养殖，沉积物中残留大量饵料和水产品排泄物，富含丰富磷元素[24]。2016年以来长江中下游湖泊围网被快速拆除后，水生植被没有有效恢复，缺乏足够水生植物覆盖的浅水湖泊沉积物在风浪和底栖鱼类扰动下，极易发生磷内源释放，一定程度上也造成总磷居高不下。高锰酸盐指数在2018年有较为明显的反弹，对应生化需氧量也有所反弹，其具体原因不是非常清楚，猜测可能与部分湖泊出现明显有机物污染有关，后续需要加强跟踪监测和深入分析。

3.3 湖泊水生态变化特征及原因

本文涉及的湖泊水生态变化主要包括藻类生长、蓝藻水华暴发以及湖泊大型水生植物退化。湖泊藻类异常增殖和蓝藻水华暴发受气象水文(气温、光照、降水、换水周期)、水体营养盐浓度和食物链等多种因素影响，同时容易造成湖泊厌氧、鱼类死亡和异味物质超标，是影响湖泊水生态系统健康和饮用水安全的常见生态灾害。近年来，随着全球湖泊富营养化加剧，叠加高温热浪、干旱、暴雨等极端天气事件增多，蓝藻水华在全球范围内呈现发生频次增加、强度增强的趋势，研究发现全球68%的湖库蓝藻水华持续加剧[35]。长江中下游湖泊发育在土壤肥沃的洪泛平原，营养盐本底高，加之流域高强度人类活动和高负荷污染排放，水体营养盐长期处于高位，为藻类异常增殖和蓝藻水华暴发奠定了坚实的物质基础[5,8]。而气候变化导致的温度上升、风速下降、强降水事件增多强化和放大了蓝藻水华及其灾害[9,20,28,36-39]。首先，相对于其他硅藻和绿藻，蓝藻喜高温(>25 ℃)，全球变暖使得冬季温度上升、春季升温提前而秋季降温推迟，延长了生长期，改变了浮游植物物候[9,40]。太湖逐日水温观测资料显示，2017年与2007年水温异常，在冬春季节温度较往年显著偏高。暖冬有利于水柱中水华优势属微囊藻越冬，为来年水华暴发提供“种源”，从而使得水华暴发提前、程度加剧，例如2007年与2017年太湖严重的蓝藻水华均发生在温暖的冬春季之后[41]。其次，全球气候变化导致中国大部分区域近地面风速下降，例如太湖流域在过去的30 a间，平均风速下降约37%，蓝藻优势随着风速下降而进一步增大，同时低风速情况下上浮更迅速，更容易形成表面水华[42]。无论是日、月还是年尺度上，蓝藻水华面积与风速均显著负相关，表现为小风蓝藻聚集效应[36]。气候变化造成有利于喜高温的有害蓝藻成为优势类群，加剧蓝藻水华暴发，扩张了藻型生态系统。同时，蓝藻水华频繁增加又加剧了湖泊底部缺氧和底泥营养盐释放，促进蓝藻水华发生，形成恶性循环。太湖、巢湖等湖泊经过长期高强度治理，营养盐特别是总氮和生化需氧量等已有明显改善，但蓝藻水华改善有限且缓慢，主要是由于气候变化对蓝藻水华的促进作用部分抵消了流域氮磷控制削减对蓝藻水华缓解的成效。

湖泊中大型水生植物生长、发育和演替等受多种环境和生物因子的综合影响，大致可以分为非生物和生物两大类，其中非生物因子包括营养盐浓度、光照(或者透明度)、温度、底泥、水深(或者水位)和风浪等，生物因子包括藻类竞争和鱼的捕食[43]。长江中下游湖泊大型水生植物目前整体呈现退化态势，主要可以归结于以下几个方面。

(1) 湖泊水体营养盐仍处于高位，藻型生境尚未根本逆转，限制水生植被生长和恢复[16，44]。随着湖泊富营养化进程，湖泊水体中总氮、总磷等营养盐在波动中逐步上升，当前长江中下游湖泊总氮在1.5 mg/L、总磷在0.07 mg/L左右，非常有利于藻类大量生长，甚至暴发蓝藻水华[45]，其遮蔽光照导致透明度下降，蓝藻水华的侵入对湖泊草型生境破坏是非常关键的。蓝藻水华除了遮蔽光照，还会分泌其他化感物质，抑制水生植物生长，水华颗粒物的分解还会导致底部的厌氧环境，胁迫水生植物的生长，这些最终都会导致水生植物退化。随着水生植物消亡，裸露的底泥就会释放营养盐，促进藻类的生长[30]，形成水生植物消退-蓝藻水华暴发-底泥释放-蓝藻生长-水华暴发的恶性循环，驱动湖泊生态系统从“清水草型”向“浊水藻型”生态系统演替。

(2) 江湖阻隔造成湖泊水位变化较小且全年处于高位[46-47]。水位(水深)是影响沉水植物分布的重要因素，随着水深变浅，水体的透明度与水深比值相对增加，会促进水生植物大量繁殖，分布范围和面积不断扩大。水位通过直接影响沉积物特性、水透光性、水流速等进而对水生植物丰富度、分布和植被组成产生决定性的间接影响。水位的波动会影响沉积物悬浮状态，改变水体透光率，同时刺激和抑制水生植物发芽，改变环境中氧气的可利用性，干扰养分和有毒物质在水-土界面的交换通量等，这些作用机制综合效应影响着水生植物的丰度、生物量和组成。闸坝建设和江湖阻隔造成太湖、巢湖等长江中下游许多湖泊长期高水位运行，很大程度上限制了沉水植物的发育和生长。

(3) 浅水湖泊频繁风浪扰动叠加藻类快速生长造成湖泊透明度整体偏低[16，44]。沉水植物最主要的代谢活动是光合作用，光照强度是沉水植物生长必需的环境因子和主要限制因素，影响着水生植物的存活率、竞争优势和生长等。而透明度是影响光照强度在水体中衰减的最重要因素，因此决定着沉水植物的盖度、生物量和物种多样性[16，44]。长江中下游湖泊水体浑浊、透明度整体偏低，大部分湖泊透明度在0.5 m左右，意味着沉水植物只能分布在1.5 m以下的浅水区域[10，48]。

(4) 湖泊围网养殖造成水生植被分布区严重萎缩，覆盖率显著下降[49]。围网养殖要利用湖泊丰富的沉水植物等水草资源作为饵料，因此一般均布设在水生植物分布区，其最直接的影响是大大压缩了水生植物分布区和生存空间。此外围网养殖投饵造成湖泊污染和富营养化，致使水体透明度下降，湖泊底部光照严重不足[24，50]，造成水生植被分布区严重萎缩，覆盖率显著下降。

4 结论与展望

党的十八大后，实施生态文明建设后以来，长江中下游湖泊总氮、氨氮、生化需氧量等显著下降，2020年相比于2010年分别降低了42.4%，58.1%和31.6%，表明湖泊水环境质量改善明显，但总磷等部分水质指标和生态系统响应滞缓，特别是草型生态系统恢复进展缓慢，甚至出现进一步退化态势，与美丽河湖建设目标仍存在一定差距。同时，我们也必须清醒认识到过去10 a长江中下游地区六省一市(湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海)人口和经济总量大幅度攀升，其中人口增加2 300万(由3.83亿增加到4.06亿)，GDP翻了一倍多(由14.01万亿增加到35.56万亿)，经济社会快速发展造成流域入湖污染负荷显著增加，超出湖泊水环境容量和水资源、水环境、水生态承载力。加之全球气候变化引起的湖泊增温、极端气象事件增加也对湖泊水生态环境带来极大冲击[9，28]。因此，长江中下游湖泊能取得当前生态环境质量改善成就已实属不易，但湖泊治理修复特别是水生态恢复仍任重道远。

为确保长江经济带重要湖泊保护治理成效与人民群众对优美湖泊生态环境的需要相适应，基本达成与美丽中国目标相适应的湖泊保护治理水平，有效保障长江经济带绿色高质量发展，提出以下建议：

(1) 加大流域污染物控源减排，从入湖河流达标排放向入湖污染物总量控制转变，严控主要湖泊外源入湖污染负荷，有效削减内源污染负荷，提升湖泊自净能力、扩增湖泊生态空间和水环境容量，逐步实现入湖污染负荷与湖体污染物净化、水环境容量动态平衡，缓解湖泊富营养化。

(2) 加大长江中下游湖泊水生态系统的保护和修复力度，选择太湖、巢湖、鄱阳湖和洞庭湖等重要湖泊实施山水林田湖草生态保护修复工程，实施湖泊生态修复和食物网调控，着力提高湖泊生态系统整体性、稳定性和完整性，推动长江流域水生态环境保护由水污染防治为主，向水资源保障、水环境改善、水生态修复和水灾害防御 “四水统筹”转变。

(3) 加强全球气候变化对长江中下游湖泊水资源、水环境、水生态和水灾害的影响研究与应对，特别是极端洪水、极端干旱、高温热浪等极端气象水文事件对湖泊生态系统的冲击与灾变影响，科学实施长江干流和重点湖泊流域上游水库群联合优化调度，形成水资源供给保障-水环境持续改善-水生态有效恢复-水灾害统筹治理的多目标协同优化调度方案，缓解气候变化对湖泊生态系统的不利影响。

致 谢

感谢中国环境监测总站张殷俊和中国科学院南京地理与湖泊研究所黄佳聪提供长江中下游湖泊部分水质数据。