白洋淀生态环境变化及影响因素分析

刘世存，王欢欢，田 凯，赵彦伟，陈家琪，李春晖

（水环境模拟国家重点实验室，北京师范大学环境学院，北京 100875）

湿地是陆地生态系统和水生生态系统之间的转换区，是重要的生存环境和自然界最富生物多样性的生态景观之一，具有抵御洪水、调节径流、改善气候、控制污染、美化环境和维护区域生态平衡等方面的生态服务功能价值，被誉为“地球之肾”和“物种的基因库”[1]。白洋淀是华北平原唯一常年积水的浅水型淡水湖泊，也是华北平原最大、最典型的淡水湖泊湿地，被誉为“华北明珠”，对维持华北地区生态平衡和保持生物多样性发挥着生态安全屏障作用[2-3]。白洋淀也是雄安新区生态建设的重要依托，是雄安新区“千年大计”的重要组成，因此雄安新区的发展对白洋淀的生态环境有更高的要求。长期以来，流域水土资源的过度开发导致白洋淀入淀水量减少、淀区湿地面积锐减、富营养化加剧、生物多样性降低，淀区严重退化[4-5]。因此，分析白洋淀生态环境的变化趋势，明确主要影响因子，可为白洋淀水污染治理、水生态保护与修复提供依据，也可以为雄安新区的生态环境建设与管理提供重要参考。

国内外学者对湿地生态环境变化进行了比较系统的研究。刘曼晴等[6]、谢冬明等[7]、Shsaeed 等[8]分析了湿地蒸散量、水位及湿地的变化，Gong 等[9]、Mallik等[10]和James 等[11]分别分析了湿地演变的驱动力与景观变化的驱动机制，丰富了湿地研究的方法与内容体系。作为华北平原最大的天然湿地，白洋淀湿地变化的研究也受到关注。部分学者[12-15]对白洋淀的潜在蒸散量、水位变化趋势、白洋淀水质时空变化、入淀水量变化及影响因素等进行了研究，刘丰等[16]、方宏阳等[17]、朱金峰等[18]和张敏等[19]分析了白洋淀土地利用与景观转化，研究了湿地土地变化的驱动机制，取得了丰富的研究成果。总体上，研究者针对白洋淀的生态环境要素进行了较为深入的研究，但受制于数据等原因，研究的时间序列较短，基本为10～20 a，难以明确长时间的生态环境变化趋势，且对各要素之间的关系及白洋淀生态环境退化的影响因素缺乏更进一步的研究，制约了研究成果的应用效果。

本文归纳总结了白洋淀水文、水质、入淀水量、水生生物与景观格局等要素的变化趋势，研究了生态环境各要素之间的相关性，探讨了白洋淀生态环境退化的影响因素，为白洋淀生态环境综合治理提供更为系统的依据，支撑雄安新区的生态环境建设。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白洋淀位于海河流域大清河水系中游，地理位置为115°38′～116°09′E，38°43′～39°01′N（图1）。淀区由保定市、沧州市交界的143 个相互联系的大小淀泊和3700 多条沟壕组成，总面积366 km2，四周以堤坝为界。白洋淀多年平均气温7.3～12.7 ℃，年平均降水量563.9 mm，年平均蒸发量1369 mm。白洋淀植物种类繁多，生物多样性丰富，是候鸟迁徙内陆途中的重要通道，位置极为重要，但受自然与人为多因素影响，淀区生态环境退化严重。

图1 白洋淀地理位置Figure 1 Location of Baiyangdian

1.2 数据来源

本研究主要数据来源于中国知网和Web of Sci⁃ence 数据库收录的白洋淀生态环境相关文献。文中图表数据来源包括三部分：水文、水质、水量、水生生物和景观格局要素变化的图表数据来自已有研究文献，相关性分析和回归分析的数据来自环境质量报告书与相关生态环境调查研究报告等，其他数据来自国家统计局网站和中国气象数据网等。

1.3 研究方法

归纳对比法（Inductive comparison method）的目的是通过对客观事物的比较，将个别事物加以综合，以获得一般结论，进而认识事物的本质和规律，形成经验积累和对类似情况的深刻认识[20]。本文采用归纳对比法对所选文献进行整理归纳，横向对比不同学者对同一生态环境要素的研究结论，得到长期变化趋势，纵向对比分析不同生态环境要素变化，归纳各要素间影响与作用的关系。

相关性分析（Correlation analysis）指对两个或多个具备相关性的变量进行分析，衡量变量因素的相关密切程度，基于Pearson 系数的相关性分析可用来判断两组符合正态分布的定距变量间线性关系大小[21]。本文通过相关性分析比较相关系数大小，以判断各要素间相关性的强弱。

曲线回归（Curvilinear regression）是对非线性关系变量进行回归分析的方法，其原理是以最小二乘法分析曲线关系数据变化特征[22]。研究采用本方法，尝试建立各生态环境要素与其影响因子间定量关系，根据回归系数R2判断模型拟合效果，R2或调整R2越接近于1，模型拟合效果越好。

2 结果与讨论

2.1 生态环境变化分析

2.1.1 水文特征变化

结合相关研究，1956—2015 年，流域降水量在波动中呈下降趋势（图2a），且降水量存在一定的丰平枯周期变化规律，其中16 a 为降水变化的主周期[23-24]。1960—2016 年，白洋淀年平均蒸发量呈上升趋势（图2b）。1988—2011 年淀区最高水位在波动中呈下降趋势，由1988 年的8.42 m 下降到2011 年的6.61 m[25]，下降幅度为1.81 m（图2c）。如果保持白洋淀生态功能不受影响，最低水位应保持在7.3 m，水位低于6.5 m 时会出现干淀，湿地存在较大的退化风险[26]。可见，在1988—2011 年期间，湿地长期处于低水位运行状态，面临着严重的干淀及生态风险。

2.1.2 入淀水量变化

1952 年至今，天然入淀水量呈明显下降趋势[27]。20 世纪70 年代之前，入淀水量与降水量基本呈同步变化，1970—1996年在波动中下降[28]。这种趋势一直在持续，2010—2016 年平均入淀水量仅为60 年代的5.71%（图3）。为解决入淀水量下降问题，白洋淀实施了多次人工补水，作为一个替代水源，人工补水很大程度上缓解了干淀危机。1981—2007 年，从上游的西大洋水库等向白洋淀补水21 次，共补水6.36×108m3。其中，2000—2007 年补水较为频繁，入淀水量也有明显的升高。“引黄济淀”是一个重要的应急补水水源，2006—2011年，进行4次补水，最高补水量约1.2 亿m3。随着雄安新区的成立，白洋淀的生态补水更为稳定，形成“引黄济淀”“两库连通”“南水北调”等多源补水态势。

图2 水文要素变化Figure 2 Variation of hydrological elements

2.1.3 水质变化

时间上，20世纪80年代以来，淀区水污染日趋严重，大部分水域呈中度营养化，水质在Ⅲ类到Ⅳ类之间，淀区内采蒲台和端村水质部分年份甚至达到劣Ⅴ类[29]。其中，1988—2016年各水质指标浓度均呈先上升后下降趋势，整体升高，其中总氮浓度明显高于其他指标（图4）。在年内，总磷和总氮在4月之后升高，在8 月达到极值[30]。空间上，白洋淀的水质状况具有一定分异性，府河入淀口水域污染程度自入淀口向淀区中心呈辐射状降低[31]。在淀区内，水质状况较差的是端村、圈头和采蒲台附近水域，1988—2016 年平均水质在Ⅳ到Ⅴ类之间[32]，这可能是受到孝义河和府河的排水以及居民生活污水排放等因素的影响。

2.1.4 水生生物变化

（1）浮游动植物变化

1958 年浮游植物有 129 属，1975 年有 92 属，1980年下降到64 属，2006 年浮游植物平均密度较2005 年下降了 22%，2009 年较 2005 年上升 2.14 倍[33]。在水质较好的净水区，水体中氮磷等营养盐浓度较低，生物需氧量和溶氧量相对较高，水质稳定，浮游植物的多样性指数最高。自然因素叠加人为干扰（村落排污、底泥疏浚等）及浮游动物的下行效应[34]使浮游动物种类持续降低，数量略有提高，目前浮游动物数量约为20世纪60年代的1.28倍（图5）。

（2）水生高等植物变化

图5 浮游动物种类和数量变化Figure 5 Changes in zooplankton species and numbers

水生高等植物可分为沉水植物、挺水植物、漂浮植物和浮叶根生植物。与20 世纪90 年代相比，沉水植物中许多优势群落生物量下降甚至群落消失。目前，在端村、圈头和采蒲台等水质较差区域，以优势耐污种金鱼藻（Ceratophyllum demersum）、篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus）和轮藻（Chara braurii Gmel）为主；在光淀张庄、枣林庄等水质较好区域，以清洁种大茨藻（Najas marina）和小茨藻（Najas Minor）为主[35]。芦苇（Phragmites australis）是白洋淀最重要的挺水植物，受水位变化影响，1987—2005 年芦苇面积变化经历了“落-起-落”的过程，当地表水位低于6.9 m 时，苇地面积随水位升高而增加，当水位高于6.9 m时，苇地面积随水位升高而降低[36]。1953—2003年，白洋淀芦苇年产量在波动中呈上升趋势，主要分布在安新镇、圈头乡、端村镇[37]。

（3）鱼类变化

历史上，白洋淀鱼类资源种类多，经济鱼类产量高。1958 年鱼类共有17 科54 种，以鲤、黑鱼、黄颡（甲甲）为主；1980 年有14 科40 种；受1983—1988 年连续干淀影响，1989 年下降到 11 科 24 种。1989—1990 年重新蓄水后，由黄河水系向北迁移鱼类及黑龙江水系向南迁移鱼类在此交汇，形成特有的混杂类型。近年仍然维持减少趋势。2001年和2002年调查有21 种，隶属于7 目9 科25 属。受到淀区水量、水质及养殖活动的影响，鱼类明显减少，尤其经济鱼类种数下降，自然鱼类的种群呈现低龄、小型化趋势[38-39]。

2.1.5 景观格局变化

白洋淀的景观类型以芦苇地、耕地和水体为主。1974—2018 年，芦苇地面积在波动中减少，水体面积下降，裸地减少（图6a），居民地和耕地面积增加[40]。其中，1974—1983 年，居民地面积增加了 3.3 km2[41]。从整体看，湿地景观向非湿地景观转化的比例加大，湿地退化趋势显著[19]。

芦苇地、耕地和水域是白洋淀优势斑块类型，总占比高达 86.62%～93.06%[41]。1987—2010 年斑块数由778个增加到957个，斑块密度由2.15个·km-2增大到2.64 个·km-2，均增加约23%，最大斑块指数从31.53 增加到 42.86，在 1999 年升高到 53.38（图6b）。总体上看，台地开垦、围淀造田等人为活动使淀区的优势斑块增大，整体景观更加破碎化[17，41]。

图6 景观类型与景观格局指数变化Figure 6 Changes of landscape pattern and landscape pattern indexes

2.2 生态环境变化的影响因素分析

2.2.1 生态环境要素间相关性

选取“水位”“总磷浓度”“浮游动物种类”“芦苇湿地面积”和“耕地面积”指标，分别代表水文、水质、水生生物、景观格局要素，进行了生态环境要素间相关性分析（表1）。由表可见，水文与水质、水生生物要素密切相关，相关系数分别为-0.865 和0.800，且影响显著性较大。水质与水生生物存在一定相关性，水质下降时，水生生物种类减少，影响显著性较小。景观格局要素与水文要素的相关性较强，相关系数为0.800。

2.2.2 生态环境退化的影响因素

（1）气候条件变化的影响

以“降水量”和“蒸发量”代表气候条件，“总磷浓度”代表水质，“湿地与水面面积”和“浮游动物种类”代表水生态，采用曲线回归分析方法，得到降水量、蒸发量变化与水质、水生态指标的关系（图7）。由图可见，随着年均降水量的增加，总磷浓度显著下降（图7a），湿地与水面面积增长（图7b），浮游动物的种类也会增加（图7c），表明年均降水量变化对水质和水生态有较为明显的影响。而随着年均蒸发量的增加，湿地和水面面积快速下降（图7d），但浮游动物种类变化并不明显。庄长伟等[42]、Gao 等[23]的研究也表明，由气温升高等导致的降水量下降和蒸发量上升，叠加人类活动影响，引起白洋淀水位降低、入淀水量减少、湿地与水面面积下降、水质下降，浮游动物的种类和数量也受到影响。刘志伟等[43]对青藏高原湿地近30年的生态环境变化、董晓玉等[44]对青海湿地变化和梁益同等[45]对洪湖湿地变化的研究也得出类似结论。

表1 各要素间相关性分析结果Table 1 Results of the correlation analysis among the ecological environment factors

图7 气候条件指标与水质、水生态指标关系Figure 7 Relationship between climatic conditions and water quality and water ecological indexes

（2）入淀水量变化的影响

以“总磷”浓度代表水质要素，“湿地与水面面积”和“浮游动物种类”代表水生态要素，采用曲线回归分析法，得到入淀水量变化与水质、水生态的关系（图8）。由图可见，随着入淀水量增加，总磷浓度下降（图8a），湿地与水面面积上升（图8b），而浮游动物种类对水量变化的响应并不显著。表明水量仍然是白洋淀湿地变化的重要驱动因子，增加补水量是提升水环境质量的有效方法，但水生态是多种干扰源综合作用的结果，其响应具有滞后性。李涛[46]对河北省平原湿地和夏热帕提·阿不来提等[47]对黄河上游河道湿地变化的驱动因子的研究也得到基本一致的结论。

（3）社会经济和人口数量的影响

图8 入淀水量与水质、水生态指标关系Figure 8 Relationship between water quantity and water quality and water ecological indexes

保定市是白洋淀流域的主要城市，总面积占白洋淀上游总面积的78%，是GDP 的主要贡献区。以保定市的GDP和人口代表上游的社会经济活动强度，采用曲线回归分析法，得到社会经济和人口变化对白洋淀水质、水生态的关系（图9）。由图可见，随着GDP的增长，浮游动物种类下降（图9a），湿地与水面面积呈减少趋势（图9b），总磷浓度迅速上升（图9c）。随着人口数量的增加，浮游动物种类减少（图9d），湿地与水面面积下降（图9e），总磷浓度上升（图9f）。说明流域社会经济增长与人口增长是水质、水生态变化的重要驱动因子，这缘于社会经济发展与人口增长导致的用水量与废水排放量的增长，以及对湿地人为侵占等活动的增加，魏帆等[48]在围垦等人类活动对环渤滨海湿地变化的影响研究中，也得到基本一致的结论。

2.3 生态环境保护与修复对策

白洋淀为浅湖型湿地，蒸发渗漏量大而蓄水量有限，受流域与淀区人为活动与自然的双重影响，呈现出多要素协同退化的趋势，对未来雄安新区的“水城共融”的生态城市建设施加了巨大的压力。结合生态环境变化影响因素的研究结果，水位是白洋淀变化与退化的主要驱动因子，未来应首先建立稳定的生态补水配置与运行机制，依靠“南水北调”“引黄济淀”“两库连通”等跨流域调水工程，实施多源生态补水，并尽快落实流域地下水超采综合治理措施，有效控制流域及淀区地下水位下降，减少淀区对地下水的回补，共同支撑提升淀区生态水位。同时，流域与淀区人类活动是其退化的另一个驱动力，应结合大清河流域综合整治与雄安新区建设，升级流域社会经济发展模式，加强产业升级改造，逐步实施淀区淀中村生态移民工程，控制唐河污水库对下游及周边地下水的污染，实施流域水污染深度治理；由各生态环境要素的相关性分析可见，水文、水质与水生态要素密切相关，湿地水生态系统的修复也有利于水源涵养与水质净化等水文水质指标改善，应逐步实施退耕还湿，加强湿地生态修复与湿地沟渠连通性建设，逐步恢复生态功能，树立雄安新区生态环境标杆。

图9 社会经济和人口与水质、水生态的关系Figure 9 Relationship between social economy and population and water quality and water ecological indexes

3 结论

（1）白洋淀生态环境变化主要体现在降水量下降，蒸发量增加，天然入淀水量减少，人工补水量增加，水位下降，水环境质量下降；同时，浮游动植物种类下降，数量增多；部分沉水植物优势群落减少甚至消失；鱼类种类呈下降趋势；湿地和水面面积景观减少，居民地和耕地景观增加，湿地景观向非湿地景观转化比例加大，景观破碎化增加。

（2）生态环境各要素间存在一定相关性，水质与水生生物存在一定相关性，景观格局与水文要素相关性较强，和其他要素相关性较弱。

（3）降水量减少和蒸发量增加是水质与生态环境退化的驱动因子；入淀水量减少使总磷浓度升高，水质下降，湿地与水面面积减少；经济发展与人口增长是水质、水生态退化的重要驱动力。自然条件与流域人类活动共同驱动白洋淀湿地生态环境变化。

（4）未来应建立稳定的生态补水与运行机制，优化流域社会经济发展模式，强化流域水污染治理，逐步退耕还淀，加强湿地生态修复，提升湿地沟渠连通性，改善白洋淀生态环境状况。