湖沼學(xué)是研究內(nèi)陸水體的多學(xué)科整合科學(xué)
——兼論我國湖沼學(xué)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機遇

劉正文，蘇雅玲，楊 柳

(1：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)(2：暨南大學(xué)生態(tài)學(xué)系，廣州 510632)(3：中國-丹麥科學(xué)與教育中心，北京 100190)

地球可以說是個“水”球，因為地球表面絕大部分被水覆蓋. 水是人類社會經(jīng)濟發(fā)展的重要資源. 然而，全球只有大約2.5%的水為淡水資源，而這部分水資源絕大部分(約68.7%)儲存于冰蓋和冰川，29.9%以地下水的形式存在，而真正能被人類開發(fā)利用的淡水地表水(淡水湖泊、河流等)資源只有約0.26%[1]. 湖泊、河流等內(nèi)陸水體生態(tài)系統(tǒng)不僅為人類提供飲用水資源，還服務(wù)于交通、灌溉、水電、漁業(yè)、礦產(chǎn)、娛樂等產(chǎn)業(yè)，同時具有污染物凈化和氣候調(diào)節(jié)等生態(tài)服務(wù)功能. 人類的開發(fā)利用無疑會消耗有限的淡水資源，水污染等人類活動導(dǎo)致的水體生態(tài)系統(tǒng)退化還進一步加劇了水資源的緊缺，同時威脅著人類健康. 隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，對水資源的需求不斷增加，加上全球變化的影響，水資源與水生態(tài)系統(tǒng)安全將成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最重要制約因素[2]. 要實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，保護、管理和修復(fù)受損水體生態(tài)系統(tǒng)，必須從生態(tài)系統(tǒng)水平開展研究，并預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對未來環(huán)境變化和人類干預(yù)的響應(yīng). 基于水體生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和功能的多樣化，單一學(xué)科的研究難以應(yīng)對水資源面臨的挑戰(zhàn). 湖沼學(xué)作為研究內(nèi)陸水體生態(tài)系統(tǒng)的交叉學(xué)科，其研究成果已被證明是進行水體生態(tài)系統(tǒng)保護、評價和修復(fù)的核心科學(xué)依據(jù)，也為發(fā)展相關(guān)技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)[3].

1 湖沼學(xué)的由來、內(nèi)涵與分支學(xué)科

早在15世紀(jì)，人類就開始觀測研究湖泊等水體，研究的內(nèi)容包括水生生物分類、水量觀測、水溫測量等[4]. 我國對湖泊、池塘的利用甚至可以追溯到3千年以前[5]. 然而，人類對湖泊等水體的綜合研究主要從19世紀(jì)下半葉開始. 1887年美國學(xué)者Forbes S.A.把湖泊視為“微宇宙”系統(tǒng)，明確地把湖泊作為一個系統(tǒng)進行研究[6]. 瑞士學(xué)者Forel F.A.于1869年首次使用了湖沼學(xué)(Limnology)這個概念，并在關(guān)于日內(nèi)瓦湖研究的專著《萊芒湖(日內(nèi)瓦湖)：湖泊學(xué)專論》(Le Léman: Monographie Limnologique)(1892-1902年出版)第1卷中對湖沼學(xué)進行了定義與描述，標(biāo)志著湖沼學(xué)的誕生[7]. 因此，F(xiàn)orel被譽為湖沼學(xué)之父.

Forel在洛桑大學(xué)教授解剖學(xué)和生理學(xué)，但對湖泊研究有濃厚的興趣，在內(nèi)瓦湖進行了長達幾十年的研究與觀測. 《萊芒湖(日內(nèi)瓦湖)：湖泊學(xué)專論》共3卷，第1卷和第2卷介紹了日內(nèi)瓦湖的地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)特征，第3卷介紹了其生物學(xué)特征. Forel認(rèn)識到生物、氣候、水文、地質(zhì)和理化環(huán)境之間的關(guān)系，因此，湖沼學(xué)自從誕生起就是一門以生態(tài)系統(tǒng)為視角、依托多學(xué)科研究內(nèi)陸水體的交叉學(xué)科，涉及的主要學(xué)科包括物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)或地理學(xué)和生物學(xué)等. 由于日內(nèi)瓦湖的論著太過于詳細(xì)具體，不適合作為教材，F(xiàn)orel于1901年出版了《湖泊研究手冊：普通湖沼學(xué)》(Handbuch der Seenkunde: Allgemeine Limnologie)[8]，該手冊是第一本湖沼學(xué)教材.

另外一部對湖沼學(xué)發(fā)展起到重要推動作用的巨著是Hutchinson G.E.編寫的《湖沼學(xué)論》，共4卷，3785頁. 第1卷是關(guān)于湖泊地理學(xué)、物理學(xué)與化學(xué)；第2卷關(guān)于湖泊的浮游植物和浮游動物，第3卷是關(guān)于水生植物學(xué)(底棲植物)，包括大型藻類、苔蘚、維管束植物和附著藻類；第4卷是Hutchinson去世后Edmondson Y.H.根據(jù)他的手稿整理編輯出版的，內(nèi)容關(guān)于底棲動物. Hutchinson在湖泊多個方面做出了杰出貢獻，包括湖泊代謝、地球化學(xué)、古湖沼學(xué)、浮游植物多樣性等. Kalff J.[4]認(rèn)為，考慮到湖沼學(xué)的迅速發(fā)展和分支領(lǐng)域的深入，任何人再試圖做出這樣全面的綜合分析是相當(dāng)困難的.

早期湖沼學(xué)主要關(guān)注的是湖泊，所以湖沼學(xué)也稱湖泊學(xué)[7]. 1922年，由德國湖沼學(xué)家Thienemann A. 和瑞典湖沼學(xué)家Naumann E.發(fā)起成立的國際理論與應(yīng)用湖沼學(xué)會(Societas Internationalis Limnologiae，SIL)(1)英語名稱為International Association of Theoretical and Applied Limnology，現(xiàn)改成國際湖沼學(xué)會(International Society of Limnology).在德國基爾成立，并召開第一次湖沼學(xué)大會. 大會把所有內(nèi)陸水體都納入湖沼學(xué)研究范圍，包括湖泊、池塘、河流、濕地等.

湖沼學(xué)作為交叉綜合學(xué)科，可以分為以下4個主要分支學(xué)科：1)地質(zhì)湖沼學(xué)(Geological Limnology)：主要研究水體及其流域格局、形態(tài)及其空間與時間演變規(guī)律等. 根據(jù)沉積物記錄開展水體歷史演變規(guī)律的研究又稱古湖沼學(xué)(Paleolimnology)，而在湖泊開展地質(zhì)學(xué)研究的學(xué)科稱為湖沼地質(zhì)學(xué)(Limnogeology)，這兩個學(xué)科有重疊，但重點不同，古湖沼學(xué)研究的重點是揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變，而湖沼地質(zhì)學(xué)的重點是通過湖泊沉積物等材料研究地質(zhì)時間尺度的環(huán)境變化，包括陸生生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化等[9]. 2)物理湖沼學(xué)(Physical Limnology)：主要研究水的光學(xué)特征、熱與氣體的傳輸、水運動、懸浮物(泥沙)沉降以及化學(xué)、生物特征與物理特征的相互影響等. 3)化學(xué)湖沼學(xué)(Chemical Limnology)：主要研究水體中化學(xué)組分的組成與分布、輸移與滯留、形態(tài)轉(zhuǎn)化等. 由于化學(xué)組分的形態(tài)轉(zhuǎn)化一般都受到生物，尤其是微生物的影響，因此化學(xué)湖沼學(xué)也可稱為生物地球化學(xué)湖沼學(xué)(Biogeochemical Limnology). 4)生物湖沼學(xué)(Biological Limnology)：主要研究水體中生物的分布、功能、相互作用，不同類群生物對環(huán)境的進化適應(yīng)以及對水體生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括全生態(tài)系統(tǒng)代謝和元素生物地球化學(xué)循環(huán)等[3, 10]. 生物湖沼學(xué)與生態(tài)學(xué)的內(nèi)容重疊較多，以湖泊、河流為對象開展生態(tài)學(xué)研究的分支學(xué)科也稱為湖沼生態(tài)學(xué)(Limnoecology)[11].

雖然湖沼學(xué)可以分為多個分支學(xué)科，不同學(xué)者在各分支學(xué)科可能有深入的研究，但湖沼學(xué)的主要特點是多個分支學(xué)科的交叉與整合. 由于湖沼學(xué)多學(xué)科與跨學(xué)科整合的屬性，著名生態(tài)學(xué)家、湖沼學(xué)家Likens G.E.認(rèn)為湖沼學(xué)是自然科學(xué)之王[10]. 多學(xué)科的交叉與整合是在研究水體生態(tài)系統(tǒng)中各要素相互作用的基礎(chǔ)上，通過揭示整體生態(tài)系統(tǒng)特征及其在人類活動和氣候變化影響下的演變過程，并對其趨勢進行預(yù)測等研究實現(xiàn)的[3, 12]. 如氣候變暖對深水湖泊初級生產(chǎn)力的影響涉及到物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的內(nèi)容與研究手段：1)增溫可以直接影響浮游植物的生長；2)增溫會導(dǎo)致水的密度變化，從而引起水動力過程的變化，結(jié)果會提高湖泊熱分層的穩(wěn)定性；3)水溫升高本身可以影響湖泊生物地球化學(xué)過程，同時湖泊熱分層穩(wěn)定性的提高會削弱湖上層和湖下層的混合，湖上層進入湖下層的溶解氧會減少，這會加劇湖下層的缺氧程度，從而導(dǎo)致沉積物和上覆水界面生物地球化學(xué)過程的變化，沉積物磷釋放和上覆水磷含量會增加；4)由于湖泊分層穩(wěn)定性的增加，會減少湖下層營養(yǎng)鹽向湖上層的輸移，浮游植物可能受到更強的磷限制；5)增溫會導(dǎo)致魚類小型化，而魚類對浮游動物的牧食隨個體減小而增加，因此浮游植物受到的牧食壓力可能會降低，從而有利于浮游植物的生長；6)從流域進入湖泊的營養(yǎng)鹽負(fù)荷也受氣候變化的影響；7)在研究中還需要運用數(shù)學(xué)模型和古湖沼學(xué)手段[13-17]. 因此，沒有多學(xué)科參與的研究和跨學(xué)科的整合，難以揭示氣候變化對湖泊的影響及其機理(圖1).

圖1 氣候變暖對深水湖泊初級生產(chǎn)力的影響研究與湖沼學(xué)的關(guān)系Fig.1 The relationship between the study on the effect of climate warming on primary productivity of deep lakes and the science of limnology

2 湖沼學(xué)與社會經(jīng)濟發(fā)展

跟其他一些自然科學(xué)一樣，早期湖沼學(xué)研究往往是個人興趣驅(qū)動的. 湖泊等水體是重要的自然資源，與人類社會經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)[5]. 湖沼學(xué)是指導(dǎo)淡水資源保護和開發(fā)的核心學(xué)科，水資源開發(fā)利用等社會需求也是湖沼學(xué)發(fā)展的重要推動力，同時也影響湖沼學(xué)的發(fā)展方向和研究重點.

淡水漁業(yè)資源開發(fā)與水產(chǎn)養(yǎng)殖、地表水健康評價、水污染防治和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等都離不開湖沼學(xué). 湖沼學(xué)研究是進行魚類資源科學(xué)開發(fā)利用的基礎(chǔ)，1949年后，為發(fā)展湖泊漁業(yè)我國湖沼學(xué)研究人員開展了大規(guī)模的湖沼學(xué)調(diào)查. 1950年開始對太湖的五里湖進行了湖沼學(xué)的綜合調(diào)查，并對水化學(xué)和生物指標(biāo)進行了逐月監(jiān)測，為魚類養(yǎng)殖提供依據(jù)[18]，部分成果陸續(xù)在1962年發(fā)表[19]. 1953年開始，在長江中下游和淮河流域開展了湖泊調(diào)查研究，并出版了《湖泊調(diào)查基本知識》，指導(dǎo)湖沼學(xué)調(diào)查工作，為湖泊四大家魚放流等漁業(yè)開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)[20-21].

圖2 (a)加拿大實驗湖泊區(qū)226號湖(東北湖區(qū)(圖中上部湖區(qū))添加了碳、氮和磷，出現(xiàn)了嚴(yán)重的藍藻水華(螺旋魚腥藻)，而西南湖區(qū)(圖中下部湖區(qū))只添加了碳和氮，沒有出現(xiàn)藍藻水華[25]，這張圖被認(rèn)為是湖沼學(xué)歷史中最有影響的一張圖片[29])；(b)湖北省洋瀾湖修復(fù)和未修復(fù)區(qū)對照(修復(fù)區(qū)(圖中上部湖區(qū))通過沉積物磷鈍化、沉水植物群落重建和食物網(wǎng)調(diào)控重建了湖泊清水態(tài)，與富營養(yǎng)化嚴(yán)重、浮游植物生物量高的未修復(fù)區(qū)(圖中下部湖區(qū))形成鮮明的對照[26]) Fig.2 Lake 226 in experimental lake area of Canada (a) (the northeastern basin was added with C, N and P and had serious blooms of Anabaena spirioides, but the southwestern basin was added with C and N and had no blooms), this photo is regarded as the most powerful image in limnological history); Comparison of restored and un-restored areas of Lake Yanglan in Hubei Province (b) (the clear-water state was restored by sediment P immobilization, submerged macrophyte re-establishment and food web manipulation in contrast with the un-restored area with a high biomass of phytoplankton due to eutrophication)

湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機理與管理對策也是湖沼學(xué)應(yīng)用的經(jīng)典案例. 1960s歐美湖泊富營養(yǎng)化加劇，一些湖泊(包括美國五大湖之一的伊利湖)藻類水華嚴(yán)重，究竟何種營養(yǎng)鹽是限制因子或?qū)е赂∮沃参锼A發(fā)生存在巨大爭議. 含磷洗滌劑制造商們最初認(rèn)為碳輸入最有可能是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的原因，后來又認(rèn)為氮輸入是主要原因[22]. 為進一步說明藻類水華發(fā)生與營養(yǎng)鹽之間的關(guān)系，加拿大政府于1968年在安大略省建立了湖泊實驗區(qū)(experimental lake area, ELA)，以開展全湖實驗研究富營養(yǎng)化發(fā)生機理與控制對策[23-24]. Johnson W.E.和 Vallentyne J.R.領(lǐng)導(dǎo)的湖沼學(xué)團隊開展了一系列的全湖實驗. 編號為226的湖泊被圍隔分為兩個湖區(qū)，一個加碳和氮，另一個加碳、氮和磷. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)加磷的湖區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的藍藻(螺旋魚腥藻Anabaenaspirioides)水華，而只加碳和氮的湖區(qū)沒有出現(xiàn)浮游植物水華. 因此，該研究證明磷是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[25](圖2a). 控制流域進入水體的磷逐步成為湖泊富營養(yǎng)化控制的主要措施，包括污水處理廠除磷工藝的增加、無磷洗衣粉的使用，以及農(nóng)田磷肥施用限制與農(nóng)業(yè)面源磷的控制等.

通過研究湖泊磷循環(huán)，尤其是沉積物-水界面磷遷移及其與沉積物性質(zhì)、生物群落結(jié)構(gòu)之間關(guān)系等湖沼學(xué)研究,發(fā)展的湖泊修復(fù)措施與技術(shù)在一些淺水富營養(yǎng)化湖治理中得到了成功應(yīng)用，主要措施包括：1)通過沉積物磷的鈍化控制內(nèi)源磷負(fù)荷；2)通過重建沉水植物群落進一步降低沉積物-水之間磷的交換速率；3)通過食物網(wǎng)調(diào)控提高下行效應(yīng)，同時控制上行效應(yīng)(減少底棲魚類對沉積物的擾動,從而降低磷釋放和再懸浮等)(圖2b)[26-28].

以往水資源與水環(huán)境評價和管理主要依靠環(huán)境化學(xué)、水文學(xué)或水利工程學(xué)等學(xué)科的支撐[12,30]. 隨著人類對水生態(tài)功能認(rèn)識的深入，地表水的生態(tài)質(zhì)量評價和修復(fù)得到重視. 根據(jù)歐盟2000年頒發(fā)的水框架指令(Water Framework Directive, WFD)的要求，歐盟成員國地表水需要達到良好的化學(xué)和生態(tài)狀態(tài)，并確定浮游植物、大型水生植物、底棲無脊椎動物和魚類為生物評價指標(biāo)，結(jié)合水體營養(yǎng)鹽、水文地貌和水文連通性等理化指標(biāo)對地表水進行生態(tài)評價[2,31]. 完善的指標(biāo)體系必須通過大量研究建立生物指標(biāo)與水環(huán)境、水文和物理特征變化之間的關(guān)系，而這種關(guān)系還會因地表水流域地質(zhì)、氣候條件不同而不同，因此湖沼學(xué)研究能為地表水評價提供核心科學(xué)支撐[32].

3 我國湖沼學(xué)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機遇

我國開展湖沼學(xué)綜合研究是在1949年以后，隨著國家對自然資源調(diào)查和國民經(jīng)濟發(fā)展的重視，1950s開始開展大規(guī)模的湖沼學(xué)調(diào)查和多個湖泊的綜合研究工作[5,21,33-35]. 另外，1949年后，興修了大量蓄水、提水、引水工程，在灌溉、發(fā)電、防洪、航運等方面發(fā)揮了重要作用，促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展[36].

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人類活動對湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)的影響不斷增加，加上氣候變化的影響，生態(tài)系統(tǒng)退化加劇，不僅降低了生物多樣性，也導(dǎo)致水質(zhì)下降，水質(zhì)型缺水日益嚴(yán)重[37-38]. 保護、修復(fù)湖泊和河流生態(tài)系統(tǒng)，為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐給湖沼學(xué)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)與機遇. 同時，我國湖沼學(xué)學(xué)科發(fā)展面臨很多需要解決的問題，解決好這些問題，才能更好地迎接挑戰(zhàn)，把握機遇，為社會經(jīng)濟發(fā)展做出更大貢獻，完善發(fā)展湖沼學(xué)學(xué)科.

3.1 我國湖沼學(xué)研究發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與機遇

3.1.1 分支學(xué)科發(fā)展不平衡，之間的交流有待加強 目前，我國化學(xué)和生物湖沼學(xué)的研究相對較多，物理湖沼學(xué)的研究較少，尤其缺乏湖泊水文水動力方面的研究，有關(guān)水文水動力的研究多見于河流. 而分支學(xué)科間的交流也多見于化學(xué)和生物學(xué)或生態(tài)學(xué)，水文水動力學(xué)與化學(xué)或生物學(xué)交叉研究比較少，現(xiàn)有水文水動力學(xué)過程及其環(huán)境生態(tài)效應(yīng)方面的研究多是水文水動力專業(yè)人員完成的，缺乏與地球化學(xué)和生態(tài)學(xué)學(xué)科的深度融合或整合. 生物湖沼學(xué)或化學(xué)湖沼學(xué)方面的研究往往缺乏水文水動力機制方面的探討，如淺水湖泊沉水植被消失導(dǎo)致沉積物再懸浮和磷釋放速率增加，其重要的機理是沉積物-水界面水動力條件的變化，不同沉水植物種類影響不同，相關(guān)研究有待加強.

3.1.2 研究碎片化嚴(yán)重，從生態(tài)系統(tǒng)視角出發(fā)、跨學(xué)科整合的綜合研究不足 湖沼學(xué)不是分支學(xué)科的簡單疊加，而是需要通過跨分支學(xué)科的整合，形成生態(tài)系統(tǒng)整體水平的認(rèn)識和知識. 隨著相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科知識的積累和研究手段的發(fā)展，學(xué)科分化日益精細(xì)，學(xué)科分支不斷增多，研究人員對自身領(lǐng)域問題探索的深度不斷增加. 如分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使各種類群生物的系統(tǒng)發(fā)育研究得到快速發(fā)展. 這種趨勢也體現(xiàn)在湖沼學(xué)研究中，科學(xué)家更多關(guān)注自己分支學(xué)科中問題的深入探索，多學(xué)科大團隊聯(lián)合開展的研究越來越少，研究的碎片化現(xiàn)象日益嚴(yán)重. 因此，作為綜合性強的交叉學(xué)科，湖沼學(xué)發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[39]. 對于湖泊、河流資源利用、管理與修復(fù)，必須制定生態(tài)系統(tǒng)水平的綜合解決方案，而不是水資源、生物資源等專項方案的簡單組合[12].

例如，采用調(diào)水控制淺水湖泊富營養(yǎng)化和藍藻水華的研究或工程效應(yīng)評估主要由水文水動力學(xué)專業(yè)技術(shù)人員完成. 盡管調(diào)水對湖泊水動力條件的影響需要物理湖沼學(xué)的基礎(chǔ)研究和知識，然而要較準(zhǔn)確地評估水動力條件變化對富營養(yǎng)化過程和藍藻水華的影響，必須有營養(yǎng)鹽地球化學(xué)和生態(tài)等領(lǐng)域的研究人員參與. 調(diào)水導(dǎo)致的水動力條件變化不僅影響營養(yǎng)鹽的輸移，也影響營養(yǎng)鹽形態(tài)變化、沉積物-水界面過程以及浮游植物生長等，包括磷沉降和釋放、氮的硝化反硝化過程等，而沉水植物群落和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)也會受到水動力條件變化的影響，從而影響浮游植物的生長和藍藻水華的強度[15]. 因此，沒有多學(xué)科聯(lián)合調(diào)查研究和跨學(xué)科整合，難以獲得較準(zhǔn)確的評估，也不可能較好地預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)(包括藍藻水華)對水動力條件變化的響應(yīng).

3.1.3 社會公眾對湖沼學(xué)的了解較少，社會經(jīng)濟發(fā)展的參與度有待提高，同時要加強湖沼學(xué)人才培養(yǎng) 湖沼學(xué)被證明在水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)等領(lǐng)域能起關(guān)鍵作用，如湖泊富營養(yǎng)化控制與生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等. 但在有關(guān)項目的立項、評審與咨詢過程中湖沼學(xué)者參與度較低或沒有起到關(guān)鍵作用(只是作為一般參加者). 這可能有兩方面的原因，一方面是能從生態(tài)系統(tǒng)水平把握問題的湖沼學(xué)者不多；另一方面是社會對湖沼學(xué)的了解有限，大學(xué)本科和研究生很少有湖沼學(xué)課程. 因此，湖泊、河流保護與修復(fù)方面的項目立項、評審等參與較多的是環(huán)境化學(xué)、水處理或水利等領(lǐng)域的專家，湖沼學(xué)專家參與較少，類似的問題同樣存在于美國，而歐盟情況相對較好[3,32]. 隨著社會對水體治理的重視，近些年我國情況有所改善，公眾對湖沼學(xué)的了解有所增加. 要使湖沼學(xué)在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，需要在大學(xué)本科和研究生教育中加強湖沼學(xué)課程教學(xué)，科研院所可以通過舉辦開放日、夏令營等形式提高公眾對湖沼學(xué)學(xué)科的了解，還可以通過與高校聯(lián)合開課和提供實習(xí)基地等形式加強湖沼學(xué)人才培養(yǎng).

3.2 我國湖沼學(xué)未來重點研究方向

湖沼學(xué)未來的研究重點應(yīng)圍繞人類活動和全球變化引起的水生態(tài)系統(tǒng)變化機理、預(yù)測和管理對策等方面開展.

3.2.1 水動力與水文地貌特征變化及其環(huán)境生態(tài)效應(yīng) 人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)影響最重要的途徑之一就是建壩，其對水的流態(tài)等水文水動力特征的改變是巨大的，除了影響流速、水位、流量等特征外，還會通過影響泥沙輸移沉降、河床侵蝕等過程改變水體的地貌結(jié)構(gòu). 我國長江中下游建壩導(dǎo)致的江湖隔離不僅影響湖泊水動力條件，也影響長江的物理特征. 南水北調(diào)等重大水利工程對水體物理特征的影響是跨流域的. 另外，增溫和降雨等全球變化也會影響水體的水文水動力特征，包括湖泊熱分層特征等. 已有水文水動力研究主要服務(wù)于水利，與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究較少. 水文水動力、水文地貌特征是決定水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)要素，因此相關(guān)研究不僅是分析、評價水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是揭示與預(yù)測水生態(tài)系統(tǒng)變化特征的重要內(nèi)容[40].

生態(tài)系統(tǒng)退化過程中水動力過程與水的流態(tài)也會發(fā)生變化，如水生植物、魚類群落變化對水動力特征與過程都有顯著影響，相關(guān)研究在河流系統(tǒng)較多，在湖泊中較少[41]. 如富營養(yǎng)化導(dǎo)致的水生植被消失，無疑會影響到湖泊水動力過程從而又影響湖泊中氮、磷等營養(yǎng)鹽的地球化學(xué)過程和生物過程，在淺水湖泊中對沉積物-水界面過程的影響尤為重要，是決定淺水湖泊生態(tài)類型的關(guān)鍵要素[42]. 同時，不同生活型植物的影響不同，群落結(jié)構(gòu)演替過程中也伴隨著水動力過程的變化. 富營養(yǎng)化也是魚類群落變化的主要驅(qū)動因素[15]，不同魚類對水動力過程的影響不同，底棲雜食性魚類對沉積物-水界面水動力過程的影響大于上層浮游動物食性魚類，而研究相關(guān)水動力學(xué)不僅能更深入地了解生態(tài)系統(tǒng)退化機理，同時也能為生態(tài)修復(fù)過程中的魚類群落調(diào)控提供科學(xué)依據(jù).

3.2.2 營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)及其環(huán)境生態(tài)效應(yīng) 富營養(yǎng)化仍是我國水體面臨的主要問題，營養(yǎng)鹽過度輸入是造成富營養(yǎng)化的原因. 研究者在1960s-1970s已經(jīng)認(rèn)識到磷是導(dǎo)致水體藍藻水華的關(guān)鍵因子，但對氮的影響仍然存在爭議. 越來越多的研究表明，不同類型水體中氮、磷的相對作用不同，如淺水湖泊和溪流生態(tài)系統(tǒng)多受到氮、磷的共同限制，對底棲藻類和沉水植物生長有顯著影響[43-44]. 未來人類活動和全球變化可能改變氮、磷對富營養(yǎng)化過程和藍藻水華影響的相對重要性[45]. 在水生態(tài)系統(tǒng)中，一種化學(xué)成分的變化往往會引起其他成分的變化，從而作用于整個生態(tài)系統(tǒng)[38]. 氮、磷等元素循環(huán)之間存在耦合作用，磷輸入的變化可能影響水體氮循環(huán)，而氮輸入的變化也可以影響到水中磷的濃度. 硫、外源有機質(zhì)的輸入增加等也會影響磷、重金屬等元素的循環(huán).

有機質(zhì)不僅可以為水體消費者提供能量，影響食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與功能，對磷、重金屬等元素循環(huán)也有重要影響. 有機質(zhì)的來源復(fù)雜，包括內(nèi)源(藻類、高等水生植物等)和外源(陸生植物等). 在溪流上游和流域植被豐富或具有大面積洪泛平原的水體中陸源有機質(zhì)含量較高，陸源有機質(zhì)除了影響元素循環(huán)、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能外，還可能通過影響湖泊光照、熱分層等物理特征影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能. 而人類活動(土地利用變化等)和全球變化也會改變地表水中有機質(zhì)的組成和含量[46-47].

我國內(nèi)陸水體類型多樣，緯度和海拔跨度大，氮、磷等營養(yǎng)鹽循環(huán)特征及其對外源負(fù)荷和氣候變化的響應(yīng)差異很大. 這種差異不僅會受流域地質(zhì)、氣候和植被條件的影響，也受水體水文地貌和水生生物群落組成(如植被、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)等)的影響. 因此，開展我國流域或區(qū)域尺度的氮、磷、碳等元素循環(huán)及其耦合作用等研究將為我國水體生態(tài)分區(qū)以及制定在未來全球變化條件下的適應(yīng)性管理對策提供科學(xué)依據(jù).

3.2.3 食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與功能 食物網(wǎng)主要研究種群營養(yǎng)關(guān)系、能量與物質(zhì)流動過程與機理，是揭示生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與功能維持機理的關(guān)鍵內(nèi)容[48]. 傳統(tǒng)的湖泊食物網(wǎng)研究主要集中在敞水食物網(wǎng)，尤其是以浮游植物為主要基礎(chǔ)碳源的牧食食物網(wǎng). 而自然水體生態(tài)系統(tǒng)中食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基礎(chǔ)碳源豐富，包括沉水植物、底棲藻類以及陸生生態(tài)系統(tǒng)輸入的有機碳等. 我國河流、湖泊等水體中雜食性捕食者多，會同時捕食不同營養(yǎng)級的生物. 有關(guān)雜食性、碎屑食物網(wǎng)的研究相對薄弱，而食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)與元素循環(huán)、生物多樣性的關(guān)系等仍然是關(guān)注的重點，對食物網(wǎng)調(diào)控在湖泊富營養(yǎng)化管理中的應(yīng)用也有重要指導(dǎo)作用.

如在利用鰱(Hypophthalmichysmolitrix)、鳙(Aristichthysnobilis)、羅非魚等魚類控制湖泊浮游植物水華的實踐中，由于相關(guān)基礎(chǔ)研究還不足，在一些淺水湖泊修復(fù)工程中的應(yīng)用效果不理想，甚至對水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響. 鰱、鳙、羅非魚是雜食性魚類，不僅牧食浮游植物，也攝食浮游動物，而浮游動物是浮游植物的有效牧食者. 同時，鰱、鳙、羅非魚通過影響淺水湖泊沉積物-水界面過程可能提高水中營養(yǎng)鹽的濃度，即使不投餌，同樣會給水質(zhì)帶來負(fù)面影響[49-51]. 另一個例子是有關(guān)直接投放大型枝角類控制熱帶、亞熱帶淺水湖泊浮游植物水華的建議，這種建議只關(guān)注了浮游動物對浮游植物的牧食，而忽略了熱帶、亞熱帶湖泊中小型雜食性魚類豐富，不僅攝食碎屑、浮游植物或沉水植物，也攝食浮游動物. 因此，投放的浮游動物很快會因雜食性魚類的捕食而消失，故而在南方湖泊中難以見到大型浮游動物[28,52]. 開展食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)對湖泊地球化學(xué)過程和生物多樣性的影響研究是揭示上述現(xiàn)象相關(guān)機理的關(guān)鍵，對指導(dǎo)湖泊修復(fù)也有重要意義[53].

圖3 廣東一河道中的水葫蘆Fig.3 Water hyacinth Eichhornia crassipes in a river of Guangdong Province

3.2.4 外來入侵物種的影響與控制對策 外來種入侵已經(jīng)給我國部分淡水生態(tài)系統(tǒng)造成巨大影響，如水葫蘆(鳳眼蓮)(Eichhorniacrassipes)可以直接堵塞河道(圖3)，不僅改變了原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還嚴(yán)重影響行洪等河流的基本功能(圖3). 福壽螺(Pomaceacanaliculata)在我國淡水生態(tài)系統(tǒng)入侵嚴(yán)重，對水生水植物群落和水稻等農(nóng)作物造成一定影響，尤其對沉水植物群落的影響可能是毀滅性的. 羅非魚等外來種在我國南方濕地和河流等生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛，成為一些水體的優(yōu)勢種類. 其他常見水生外來種還有喜旱蓮子草(水花生)(Alternantheraphiloxeroides)、克氏原螯蝦(小龍蝦)(Procambarusclarkii)、食蚊魚(Gambusiaspp.)等. 目前主要缺乏外來種對生態(tài)系統(tǒng)水平影響的研究，包括對地球化學(xué)循環(huán)、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響等，對外來種的控制缺乏依據(jù)，甚至為控制一些有害生物引進外來種，由于缺乏相關(guān)研究，造成了嚴(yán)重后果. 如人們?yōu)榱丝刂莆妹郊膊?如瘧疾、登革熱)，引進的食蚊魚給當(dāng)?shù)厣锒鄻有栽斐闪擞绊?，同時通過改變水體食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，影響生態(tài)系統(tǒng)功能，降低了對浮游植物水華的控制能力[54].

一些來自熱帶非洲或南美洲的外來種，如羅非魚、福壽螺和水葫蘆等，目前入侵水域主要集中在我國南方. 隨著氣候變暖和生物本身適應(yīng)性的變化，入侵區(qū)域可能逐步向北推進，需加強有關(guān)入侵種類危害與機理以及控制對策的研究.

3.2.5 與水環(huán)境有關(guān)的傳染病防治研究 人類一些疾病是通過水生生物傳播的，我國常見的血吸蟲病是由日本血吸蟲(Schistosomajaponicum)引起的，而湖泊中的釘螺(Oncomelaniahupensis)是其唯一中間宿主. 因此控制釘螺一直是血吸蟲病防治的主要措施. 蚊子可以傳染登革熱、瘧疾等疾病，而蚊子產(chǎn)卵、孵化等生命史是在水環(huán)境中完成的，成蟲羽化后才離開水體. 控制水環(huán)境中蚊蟲的繁殖與生長是相關(guān)疾病預(yù)防的關(guān)鍵內(nèi)容之一[55-56]. 無疑，釘螺和蚊子等與疾病傳播相關(guān)水生動物的湖沼學(xué)研究是疾病有效控制的基礎(chǔ). 為防控血吸蟲病，一些地方直接破壞釘螺分布較多的湖泊濕地，清除高等水生植物，而忽略濕地在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的作用，顯然我們需要更完善的生態(tài)系統(tǒng)解決方案. 另外，水環(huán)境和氣候變化可能導(dǎo)致與水相關(guān)的疾病傳播的變化，隨著人類社會對公共衛(wèi)生安全的進一步重視，與水相關(guān)的疾病防治和人類健康研究將是未來湖沼學(xué)研究的重要課題[38, 57].

3.2.6 地表水生態(tài)評價 湖泊、河流等地表水水質(zhì)惡化、藍藻水華暴發(fā)等現(xiàn)象實際都是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能退化的表現(xiàn)，湖沼學(xué)同行逐步認(rèn)識到地表水評價必須包括生態(tài)狀態(tài)的評價[30]. 歐盟頒布的水框架指令明確要求地表水首先用浮游植物、大型水生植物、底棲無脊椎動物和魚類4類指標(biāo)進行評價，結(jié)合水文地貌和營養(yǎng)鹽等理化指標(biāo)最終確定其生態(tài)狀態(tài)，指導(dǎo)地表水管理與修復(fù)[32]. 我國地表水質(zhì)量評價目前還是以化學(xué)指標(biāo)為主，一些城市富營養(yǎng)化淺水湖泊的治理目標(biāo)設(shè)定為國家地表水Ⅲ類(GB 3838-2002)，總氮不超過1.0 mg/L. 考慮到城市湖泊的功能定位，城市富營養(yǎng)化淺水湖泊的治理目標(biāo)以建立以沉水植物為優(yōu)勢的清水態(tài)為宜，而總氮是否能小于1.0 mg/L不是必要條件[42]. 我國有關(guān)水體生物生態(tài)評價的研究剛起步，隨著國家對湖泊、河流等水體治理的重視和投入的加大，以生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能為核心的評價指標(biāo)體系研究將進一步得到重視.

3.2.7 生態(tài)系統(tǒng)演變機理與退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù) 人類活動和氣候變化是驅(qū)動水生態(tài)系統(tǒng)變化的主要因子，但不同生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的過程與曲線不同，這對預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)變化、制定修復(fù)和管理對策極為重要[38]. 在研究富營養(yǎng)化淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)演變時，需要揭示湖泊生態(tài)系統(tǒng)對營養(yǎng)鹽負(fù)荷的響應(yīng)特征，如營養(yǎng)鹽負(fù)荷驅(qū)動下的變化速率如何？是否存在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換？如果存在，在哪個層次或水平(種群、群落或生態(tài)系統(tǒng))存在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換？穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換機理與轉(zhuǎn)換閾值是什么？我國主要水生態(tài)系統(tǒng)對人類活動和氣候變化的響應(yīng)差異及其機理是什么？這些問題的回答直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)目標(biāo)、外源營養(yǎng)鹽負(fù)荷控制力度和修復(fù)方案的確定. 發(fā)揮湖沼學(xué)作為綜合學(xué)科的優(yōu)勢，整合物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物等學(xué)科，結(jié)合古湖沼學(xué)、典型生態(tài)系統(tǒng)長期觀測與數(shù)學(xué)模型等手段，開展大團隊協(xié)作研究，才能深入揭示不同區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)退化機理與過程，更準(zhǔn)確地預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對人類活動(包括修復(fù)措施的實施)和氣候變化的響應(yīng)，為地表水保護、管理與修復(fù)措施和對策提供支撐.

4 結(jié)語

湖沼學(xué)是研究湖泊、河流等內(nèi)陸水體的多學(xué)科交叉綜合性科學(xué)，已有近130年歷史. 湖沼學(xué)的綜合性特征不是分支學(xué)科的簡單疊加，而是跨學(xué)科的整合，以獲得生態(tài)系統(tǒng)水平的了解與知識，并預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的響應(yīng). 因此，湖沼學(xué)是支撐地表水資源開發(fā)利用、水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)的核心科學(xué)，其發(fā)展方向與研究重點受社會經(jīng)濟發(fā)展的影響. 我國開展湖沼學(xué)綜合研究是在1949年以后，目前學(xué)科發(fā)展面臨分支學(xué)科發(fā)展不平衡、研究碎片化、公眾認(rèn)知度和社會經(jīng)濟發(fā)展參與度低等問題，人類活動的加劇和氣候變化對水生態(tài)系統(tǒng)的影響以及管理和修復(fù)對策是湖沼學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)與機遇.