研究进展 - - 中国科学院南京地理与湖泊研究所

气候水文驱动下我国北方湖泊生态演变与蓝藻水华暴发机制研究取得系列进展

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中国科学院南京地理与湖泊研究所薛滨研究员、孔祥臻研究员团队，聚焦我国北方湖泊生态安全核心问题，以 344 个北方湖泊为区域背景，以典型半干旱区湖泊呼伦湖为重点研究对象，融合多种观测技术与模型手段，构建了“气候水文波动→生态系统演变→蓝藻水华暴发”研究框架，系统性揭示了我国北方湖泊生态演变的关键驱动因子与机制，为区域湖泊水生态安全调控提供了理论支撑。

一、气候水文波动：湖水补给格局与水位波动的驱动要素

气候水文过程是湖泊生态系统演变的基础驱动力。团队基于氢氧稳定同位素技术与模型模拟手段，厘清了呼伦湖水文补给特征与水位波动的气候驱动机制（图1）。通过分析 2023 年丰水期245 组水样的同位素特征，构建了呼伦湖流域局地大气降水线（LMWL：δD = 7.11δ¹⁸O – 5.36），其低斜率与截距清晰反映了流域强烈的蒸发分馏效应。

IsoSource 模型分析表明，河水是呼伦湖最主要的补给来源，地下水补给仅占 9.3%。气候变化是主导呼伦湖水位动态的关键因素，流域降水通过改变河流入湖径流量，直接主导呼伦湖水位的年际变化。2013 年前后，流域降水减少导致水位降至临界线，2021 年以来，流域降水增加引发水位显著上升，这种气候驱动的水位波动成为湖泊生态系统稳态转换与蓝藻水华暴发的关键驱动要素（Du et al., 2025 Hydrological Processes）。

二、生态系统响应：水位驱动下的稳态转换与功能退化

团队进一步揭示了北方湖泊生态系统响应水位变化的一般性规律。通过对北方 344 个湖泊的 PCLake 模型分叉分析，发现浅水湖泊（平均深度 < 5m）普遍存在双稳态滞后响应特征，易发生生态系统稳态转换；其中水深是决定湖泊临界阈值（CPL）和最大叶绿素浓度（maxChla）的关键因子，水温和底质类型则通过调节作用影响湖泊响应灵敏度（图2）。这一发现为北方湖泊分类管理提供了科学依据（Xue et al., 2025 Ecosystem Health & Sustainability）。

进一步以呼伦湖为代表，团队利用 ECOPATH 模型重建了 1982 年、2009 年和 2014 年三个关键水文期的食物网结构，观察到显著的生态功能退化过程（图3）。2000年以来，呼伦湖水位下降，肉食性鱼类生物量急剧减少，蓝藻、底栖甲壳类等低营养级生物占比上升，系统能量传递效率降低，整体向不成熟状态演化。

PCLake 模型进一步证实，水深2.6米是湖泊生态结构与功能发生多稳态转换的关键阈值；随后湖泊水深逐步恢复，但生态系统未恢复至初始状态，证实水文干扰可能对湖泊生态造成滞后甚至不可逆影响，凸显了温带湖泊生态系统在剧烈水文变化背景下的脆弱性（图4）（Xue et al., 2025 Journal of Hydrology）。

三、水华暴发机制：水位上升触发的营养盐释放效应

进一步研究表明，气候水文驱动的极端水位变化及其伴随的营养盐波动是呼伦湖蓝藻水华暴发的关键驱动机制。2022 年夏季，呼伦湖发生近 40 年来最严重的蓝藻水华，覆盖面积超过70%。团队通过多源遥感数据及WET 模型（基于PCLake生态模块）情景模拟分析，厘清了这一灾害的核心驱动链：2021 年持续增加的降水导致湖泊水位显著上升、湖泊水面扩张，进而淹没周边肥沃土壤，致使土壤中积累的氮磷营养盐大量释放到水体中，最终导致蓝藻水华暴发。这一发现为精准防控半干旱区湖泊蓝藻水华提供了关键依据（Tao et al., 2025 Environmental Research）。

综上，通过多尺度、多技术的综合研究，系统揭示了气候水文变化如何通过水位波动，驱动北方湖泊生态系统结构功能转型、蓝藻水华暴发的链式机制，同时明确了湖水补给的核心来源与北方湖泊稳态转换的普遍规律，为半干旱区湖泊水生态安全的精准调控与长效管理提供了系统性的理论依据和技术支撑。

课题组研究生薛雨霏、杜晨、张贻然等为论文的第一作者，孔祥臻研究员与薛滨研究员为通讯作者。系列研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院人才计划和研究所自主部署项目资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/hyp.70174

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169424018596

https://spj.science.org/doi/full/10.34133/ehs.0376