题目Assessment of water ecological health in shallow lakes: A new framework based on water resource-environment-ecology
浅水湖水生态健康评价——基于水资源—环境—生态的新框架
作者：Yanru Tao，Qiujin Xu , Mingke Luo , Wenjing Dong , Yan Pang
发布日期：2025年5月
Highlights
1、制定了一个新的框架来评估太湖的水生态健康。
2、太湖水生态健康水平被归类为中等状态。
3、太湖在 2013 年和 2017 年均表现出极低的水域生态健康水平。
4、太湖呈下降波动（2020-2023 年），需要持续关注。
5、该框架适用于理解水生态健康的长期变化。
Graphical Abstract
在湖泊生态系统中，人为干扰会严重破坏生态完整性，尤其是在浅水湖中。现有的水生态健康（WEH）评估研究往往忽视了水资源、水环境和水生态学等关键方面，这使得以前的研究方法效果较差。因此，必须探索一个新的框架来应对浅湖 WEH 评估的挑战。本研究以2011 年至 2023 年间的中国太湖为例。本文首先构建了一个基于水资源–环境–生态学（WREE）的新框架，该框架包括 7 个关键指标，并探讨了这种变化的原因。此外，采用富营养化评估和压力–状态–响应（PSR）评估方法来评估这种新方法框架的有效性。结果表明：2011—2023 年太湖水质有一定程度的改善，富营养化和蓝藻水华没有明显改善，WEH 被归类为中等状态（III级）。特别是 2013 年和 2017 年的 WEH 值相对较低，并在2020 年至 2023 年呈波动下降趋势，这可能是由于气象因素和人类活动导致耐污染物种增加和生物多样性减少，最终导致 WEH 恶化。太湖长期WEH 评估结果突出了基于 WREE 的框架的适用性，可广泛应用于类似的湖泊生态系统，但不适用于短期季节性变化。鉴于人类活动增加和气候变化的影响，WREE 框架为湖泊生态系统的可持续发展和有效管理提供了有价值的见解，同时也增强了现有的 WEH 评估理论。
Introduction
湖泊生态系统是水资源、水环境和水生态的重要载体，在维持一个地区的生态功能、保障饮水安全、促进流域经济社会发展等方面发挥着至关重要的作用（Wang et al.， 2022， Sterner et al.，2020).充足的水资源可以支持流域的社会经济发展，保持水质和生态平衡。良好的水环境直接影响到水资源的价值和水生态的健康。健康的水生态可以持续提供丰富均衡的水资源，并保持良好的水环境质量（Xu and Chen， 2023）。随着气候变化和人类活动压力的增加，内陆浅水湖面临环境退化问题，例如缺水（Radmanesh 等人，2022 年）、藻类大量繁殖（Shi 等人，2024 年）和生物多样性显着下降（Wang 等人，2024 年).在“十四五”规划期间，中国政府提出建设水环境、水资源和水生态，强调对整个水生生态系统的全面保护（Jin et al.， 2023）。评估湖泊生态系统的健康状况、实施有效管理和进行生态修复，是恢复湖泊自然特征和维持流域可持续发展的前提条件（Zeng et al.， 2020）。
评估体系的构建对湖泊的生态健康至关重要。评估生态健康的主要方法只使用单一的物理或化学指数（Norris 和 Thoms，1999 年）。然而，环境状况是多种因素的结果，单一指数不足以反映湖泊的生态健康状况。随着时间的推移，对生态健康的了解加深，评估生态健康的方法逐渐成熟。2000 年 12 月 22 日，欧盟颁布了《水框架指令》，明确了水资源和环境保护的目标，并强调了对水生生态的保护（欧盟委员会，2000 年）。2002 年，美国 EPA 发布了最新的《清洁水法案》，该法案设定了控制国家水污染以恢复和维护环境的化学、物理和生物完整性的目标（CWA，2002 年）。目前，评价生态健康的主要方法包括水质评估法、生物监测法和综合指数法（Su et al.， 2023）。综合指数法涉及物理、化学、生物和社会服务指数，系统相对复杂。因此，有必要提出一种新的方法框架来反映湖泊的生态健康状况，包括水资源、水环境、水生态等可获取的因素（Zang et al.， 2024）。
浅湖（平均深度小于5 m）是世界上最常见的内陆水域类型（Mariana 和 Meryem，2024 年）。由于它们的自我清洁能力差，它们特别容易受到外部营养负荷引起的富营养化（Morana et al.，2023）。太湖位于中国东部的长江三角洲附近，是一个典型的大型浅水湖，藻类大量繁殖。富营养化加剧，生物多样性下降，生态健康受到威胁（Qin et al.， 2007）。太湖因其经济高速发展、人口增长和城市化程度高，是周围人口的重要淡水资源;因此，其水生态健康（WEH）和可持续发展非常重要（马 et al.， 2018）。WEH 可以通过多种方法进行评估，包括水质指数（Zhang et al.， 2023，江 et al.， 2024b）、水生群落（Wei et al.， 2024，江 et al.， 2024a）和生物完整性指数（Niu et al.， 2018).然而，单一的水质或生物指标不足以反映太湖的生态健康状况。针对研究需求和不足，提出了一种基于水资源–环境–生态协调（WREE）的新方法框架，用于典型浅水湖的长期 WEH 评估。然后将所提出的框架应用于2011 —2023 年的太湖，以证明其适用性和有效性，旨在为生态健康和可持续发展提供方法和技术支持。
Result 1
图一中描述的数据代表了太湖水资源的变化。观测表明，太湖年平均水位、蓄水和流入量为 3.2–3.6 m（平均 3.3 m）、4.4–55 亿 m3（平均 49 亿米3）和 89.7–159.9 m3/a（平均118.6 m3/a）分别。2016 年水量较高，年均水位为3.60 m，库容为 51 亿 m3，以及159.9 m 的湖泊流入3/一个。这可能是由于2016 年太湖经历了大洪水，太湖周围河流流入量超过 41 亿米3 (Zhu et al.， 2020）。此外，水利工程的调度对入湖水量有显著影响，例如通过望玉江和太浦江水闸的泄洪，这些闸门保持了较高的水位，而没有大量的蓄水保留（Gao et al.， 2021， 江et al.， 2019）。
Result 2
在太湖中检测到 8 个浮游植物门（图2.1）。结果表明，蓝藻门在浮游植物中占主导地位，其形成是主要的有害藻华，从 2011 年到 2023 年的相对丰度为 76.3% 至 99.2%（江 et al.， 2019）。2023 年，蓝藻门的丰度下降到最低值 76.3 %，而芽孢杆菌门的丰度显着增加到 16.2 %。这一发现与 Song 等人（2024 年）的研究结果一致，他们报告说，2023 年蓝藻水华的年最大覆盖率最低，为 14 年。微囊藻密度的显着降低，低于藻华形成的阈值，是 2023 年观察到的蓝藻水华显着减少的主要原因（邓等人，2014 年）。此外，2017 年浮游植物丰度很高，平均密度为 4 亿个细胞/升，生物量为 16.623 克/升，这导致了 2017 年藻华的爆发。相比之下，绿藻门、甲藻门、黄藻门和裸藻门相对较小，仅占已鉴定物种总数的 0.5%。具体来说，黄藻门只出现在 2017 年、2018 年和 2023 年，主要在冬季。一般来说，受污染的水为绿藻门和蓝藻门等耐污染物种的繁殖提供了有利的环境，这可能导致浮游植物物种的多样性减少（江 et al.， 2024b）。
在太湖中发现了三种类型的浮游动物，轮状浮游动物、Cladocera 和 Copepod （图2.2）。2011 年至 2023 年浮游动物的生物量和密度分别为 154.66–657.96 个细胞/L 和 1.53–3.80 毫克/升。轮虫属最常见，相对丰度从 30.4 % 到 81.5 % 不等，其次是枝足类（5.4 % − 44.6 %）和桡足类（7.5 % − 26.3 %）。从 2011 年到 2023 年，桡足类的密度逐渐增加，从 7.5 % 增加到 26.3 %，而轮蜂的相对丰度呈波动趋势，从 2011 年的 81.5 % 下降到 2018 年的 38 %，然后逐渐增加到 2023 年的 80.1 %。值得注意的是，Rotifera 喜欢富营养化环境，其丰度与 TN 和 TP 浓度呈正相关（周 et al.， 2020）。这表明太湖富营养化问题尚未完全解决，尤其是 2023 年，可能存在富营养化风险。
在研究期间，大型底栖无脊椎动物的生物量在 67.6 至 239.3 g/m 之间波动2，具有优势，如 Bellamya aeruginosa（图2.3）。从密度来看，平均密度在 189.4 和 1915.0 ind./m 之间呈波动下降趋势2，平均为 446.4 工业/月2从 2020 年至 2023 年，明显低于 2011 年至 2019 年（1229.6 年/月）2) (p < 0.05）（图 7）。特别是，环节动物（主要是寡毛类和多毛类）的密度趋于降低。在淡水生态系统中，寡毛类和多毛类的减少通常被认为是营养物质的减少（Inagaki 等，2012）。软体动物的相对丰度明显趋于增加，尤其是从 2022 年至 2023 年，当时软体动物的丰度相对较高（32.27-35.75%）。在恢复湖泊富营养化的过程中，软体动物可能会逐渐恢复对耐污染群体的优势（Zhang et al.， 2019）。因此，研究期间大型底栖无脊椎动物（主要是寡毛类和多毛类）的减少和软体动物的增加表明太湖生态环境正在朝着健康的方向发展。
Result 3
2011—2023 年太湖水生生物生物多样性存在差异（图3）。浮游植物和底栖大型无脊椎动物的生物多样性在 2017 年显著下降（p < 0.05），分别达到 0.80 和 1.05，然后向上波动，分别在 1.52 − 2.28 和 1.41-2.25 之间。这表明 2017 年生态状况不佳并逐渐恢复，生物多样性从极低提高到低（Baliton et al.， 2020）。与 2020—2022 年相比，2023 年浮游动物（1.77）和大型底栖动物（1.72）的生物多样性相对较低，表明太湖生境仍存在一定程度的破坏。相比之下，浮游植物对这种恢复过程没有反应。这种差异可能是因为底栖食物链更依赖于营养物质的可用性，而浮游食物链更受温度或光照条件的影响（Vasconcelos 等人，2019 年）。根据 Cheng （2010）的研究，2007 年浮游植物、浮游动物和底栖大型无脊椎动物的生物多样性分别为 1.08、0.90 和 1.63，表明生物多样性非常低（Baliton 等人，2020 年）。生物多样性保护已显示出显著成果，但仍需要持续监测和加强保护。
Result 4
基于太湖 WREE 的 WEH 在春、夏、秋、冬的季节变化进行了研究（图4）。不同季节的平均 WEH 值没有显着差异（p > 0.05），稳定值在 47 到 48 之间。这可能是因为不同季节之间天然湖泊河岸区比例、水交换周期、水资源利用率或 TLI 没有显著差异。水生生物多样性存在一些季节性差异，例如春季浮游植物多样性与夏季相比显著增加（p < 0.05）和夏季浮游动物多样性与其他季节相比显著增加（p < 0.05）。然而，由于大型底栖动物的生长周期长，生物多样性在 1.64 和 1.77 之间保持相对稳定，没有季节性差异。值得注意的是，本研究中构建的基于 WREE 的新方法框架更适合于描述年际尺度的生态条件，而对比较季节变化没有用处。
Result 5
严重的富营养化可能导致水生生态健康的恶化（Xu et al.， 2001）。对太湖进行了富营养化评估，以验证 WEH 结果的可靠性（图5）。2018 年之前，太湖以中等富营养化为主，其中 2007 年、2013 年、2016 年和 2017 年的 TLI 指数较高。从 2019 年到 2023 年，太湖略微富营养化。结果与 WEH 评估的结果相似，证实了 WREE 框架的有效性，但与 WREE 结果存在一些差异。这是因为富营养化评估仅涉及水环境，缺乏湖泊和水库水资源和水生生物的代表性指数。
在压力–状态–响应（PSR）模型的基础上，Dong et al. （2024）构建了包括 18 个指标的评估指标体系，用于评估 2011 – 2020 年太湖流域的生态健康状况。结果显示，在 2011 年、2012 年、2014 年和 2016 年，WEH 处于 II 级，而在 2013 年、2015 年和 2017-2020 年，WEH 处于 III 级。其中，WEH 是 2017 年最差的。PSR 结果与本研究的 WEH 评估结果相似，证实了 WEH 评估框架的有效性。然而，PSR 方法的系统在指数选择、复杂因素和权重计算过程方面具有高度主观性，包括较大的初始数据集和经济指数，这使得它不太适用于监测数据有限的湖泊（Su et al.， 2021）。本研究基于 WREE 的 WEH 评估框架综合考虑了能够有效代表 WEH 信息的各种指标，这对于理解浅水湖 WEH 的长期变化具有有效和适用性。WEH 会随着时间的推移产生累积效应，需要长期投资和研究。我们研究的一个局限性是，尽管 WEH 可用于有效评估湖泊生态系统的长期整体健康状况，但它无法描述生态系统的区域状况。
Conclusion
本研究以太湖为案例研究，引入并应用了一个基于 WREE 的新框架来评估浅湖的WEH。通过对水资源、水环境、水生态等各项指标的综合分析，包括天然湖泊河岸带占比、水交换循环、水资源利用比、综合营养级指数、底栖大型无脊椎动物多样性指数、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数等，对太湖长期WEH结果进行了有效评价。研究结果显示，2011—2023 年，太湖水质持续改善。结果表明，浮游植物、浮游动物和底栖大型无脊椎动物的组成构成了一个水生群落，表明富营养化条件不断增加。2011—2023 年，大型底栖无脊椎动物的平均密度呈下降趋势，软体动物的相对丰度呈波动上升趋势，表明太湖生态环境正在朝着不健康的方向发展。与 2007 年相比，太湖WEH 评估结果自 2011 年以来有明显改善，被归类为III 级（中）。其中，2013 年和 2017 年的 WEH 值相对较低，并在2020 年至 2023 年期间呈波动下降趋势。这可能是由于气象因素和人类活动的变化，导致污染负荷和水生群落发生变化，例如耐污染物种的增加和生物多样性的减少，最终导致生态健康状况恶化。因此，太湖富营养化状况在一定程度上得到了改善，但这种改善并未得到完全解决，导致生态健康状况恶化。基于 WREE 的 WEH 评估框架适用于了解浅水湖的年度长期变化，但不适用于短期季节性变化。未来，在人类活动增加和全球气候变化的背景下，监测和评估湖泊对于保护湖泊的生态健康和促进可持续发展至关重要。
