《Science of The Total Environment》：Effects of climate change and anthropogenic pressure on water resources and ecosystem services in a high-elevation Andean socio-ecosystem (Katari basin, Lake Titicaca, Bolivia): A synthesis
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全球变化正改变着世界各地的生态系统，此类变化通常对生态系统的可持续性、生物多样性、恢复力及生产力产生不利影响，同时波及地方经济、社会结构与人类健康。全球变暖及相关极端气候事件（如干旱与洪水）影响水循环、自然水体的结构与持久性（如湖泊、池塘、湿地、泥炭地、冰川）
全球变化正改变着世界各地的生态系统，此类变化通常对生态系统的可持续性、生物多样性、恢复力及生产力产生不利影响，同时波及地方经济、社会结构与人类健康。全球变暖及相关极端气候事件（如干旱与洪水）影响水循环、自然水体的结构与持久性（如湖泊、池塘、湿地、泥炭地、冰川），包括构成或依赖这些水资源的生物有机体，以及自然系统向社会提供的服务。除全球变化外，地方或区域人类活动通过其水资源管理方式（即保护与退化）显著影响自然水循环。近期，Weiskopf等人（2020）为科学家与从业者提供了深入的技术分析，并在美国多个尺度上综述了气候变化影响。由于全球变化影响在全球或区域尺度上并不均匀，这一工作复杂且难以普遍化。每个社会-生态系统（定义为包含社会（人类）与生态（生物物理）子系统、具有双向反馈关系的综合复杂系统，Berkes等，2000）根据其相对脆弱性对气候变化及其他人为压力作出响应。该脆弱性由多种因素共同塑造，包括纬度、海拔、气候与水文状况、土地利用模式，以及系统固有的敏感性与恢复能力。
高海拔安第斯中部地区（亦称普纳高原（Puna））位于秘鲁、玻利维亚、智利北部及阿根廷海拔3300米以上的热带干旱且人口稀疏区域。近几十年来，该区域经历了显著增温（+1–1.5 °C），通过增加植物蒸散和加剧干旱而加剧了生态系统的水分胁迫，使普纳高原成为拉丁美洲受气候变化影响最严重的生物群落之一（Cavieres等，2025）。多数气候情景预测该区域未来十年将出现进一步增温和干旱化，伴随降水减少、蒸发增强及冰川体积损失（Agudelo等，2025；Al-Yaari等，2024）。在安第斯中部，水循环依赖于季风环流，水文气候预测表明多数水体在不久的将来将面临水分亏缺（Buytaert等，2010）。在这些高海拔半干旱地区，水资源管理对南美大城市尤为关键，这些城市往往集采矿、城市、工业与农业活动于一体，需水量不断增加且常缺乏可靠的处理系统。
在本综合论文中，研究人员提供了对高海拔埃尔阿尔托-卡塔里（El Alto - Katari）社会-生态系统现状与脆弱性的最新分析，该系统从雷亚尔山脉（Cordillera Real）峰顶延伸至玻利维亚的的喀喀湖（Lake Titicaca）湖岸，代表了安第斯社会-生态系统脆弱的平衡状态。该分析在ALTIPLANO国际联合实验室框架内开展，汇集了从事安第斯生态系统跨学科研究的研究人员，涵盖水文学、生态学、地球化学、气候学及医学与社会科学等领域。基于对该独特文化景观超过15年的积极研究，本工作整合了约80篇同行评审研究的结果，旨在提供关于该高海拔社会-生态系统水资源问题的跨学科综合认识。研究依据其与研究问题的相关性、与地球科学、医学及社会科学主题的一致性，以及与研究区域及其周边（特别是卡塔里流域和中阿尔蒂普拉诺）的地理相关性进行筛选，同时考虑方法严谨性、来源质量及信息的时效性。研究考察了气候变化与人为压力驱动的全球变化在以下尺度上的影响：1）自然水体，包括构成水体并提供生态系统服务的生物有机体与生物多样性；2）影响这些生态系统的污染源与迁移过程；3）对支撑人类经济与福祉的生态系统服务的响应与影响。本综述始于对施加于该社会-生态系统各组成部分的压力清单，继而进行人为压力与气候压力对资源的比较分析，同时考虑社会对这些影响的认知。最后分析了人类社区的脆弱性，并探讨了全球变化对水资源管理构成的挑战，展示了可在城市、采矿与农村社区实施的行动、气候变化适应措施及方法，以维持生态系统服务。本综述旨在概述全球变化如何影响社会-生态系统各组成部分及其水循环（包括人类认知与行动），以支持决策者制定更具韧性与整合性的管理策略。
论文解读：气候变化与人为压力下的安第斯高海拔社会-生态系统——卡塔里流域水资源与生态系统服务综合研究
一、研究背景与问题
全球变化正深刻改变世界各地的生态系统，对生态可持续性、生物多样性、恢复力与生产力产生不利影响，并波及地方经济、社会结构及人类健康。高海拔安第斯中部地区（普纳高原，Puna）位于秘鲁、玻利维亚、智利北部和阿根廷海拔3300米以上的热带干旱区域，近几十年经历显著增温（+1–1.5 °C），通过增加植物蒸散和加剧干旱而成为拉丁美洲受气候变化影响最严重的生物群落之一。多数气候情景预测该区域未来将面临降水减少、蒸发增强及冰川体积损失。在此背景下，卡塔里河流域（Katari watershed）作为从雷亚尔山脉（Cordillera Real）延伸至的的喀喀湖（Lake Titicaca）的高海拔社会-生态系统，其水资源同时承受气候变化与多重人为压力的叠加影响，面临严峻的可持续性挑战。开展这项研究旨在提供对该系统水资源问题的跨学科综合认识，以支持制定更具韧性与整合性的管理策略。
二、研究内容与主要结论
研究人员在ALTIPLANO国际联合实验室框架下，基于超过15年的积极研究，整合了约80篇同行评审研究的成果，对卡塔里流域社会-生态系统的水资源现状与脆弱性进行了系统分析。研究得出以下主要结论：该流域水资源受气候变化（降水减少、干旱频率增加、冰川退缩）与人为压力（采矿酸性排水、城市与工业废水排放、农业面源污染）的协同影响，导致水体富营养化、污染物累积及生态系统服务退化。流域内冰川面积自小冰期以来急剧缩减（由4254 km2降至2023年的0.468 km2），预计至2050年冰川储水量将减少三分之二。地下水补给主要依赖河流渗漏（占86%），在埃尔阿尔托（El Alto）城区段尤为脆弱。高安第斯泥炭地（bofedales）作为关键的水文缓冲系统，正面临干旱加剧、过度放牧及采矿活动的多重威胁。研究强调，缓解措施需结合自然缓冲区保护与人工缓冲区建设，并将土著社区传统知识纳入可持续管理框架。
三、主要技术方法
该综合研究整合了多学科方法：水文气候观测与趋势分析（基于1973–2018年降水、潜在蒸散及卡塔里河流量数据）；冰川物质平衡长期监测（如松戈冰川（Zongo Glacier）自1970年代以来的原位观测）与冰川体积演化模拟（基于2000–2020年质量损失速率的线性外推）；水文地质调查与地下水数值模拟（基于地球物理、水文地质与地球化学数据，模拟1981–2016年地下水流动）；地表水与地下水地球化学分析（检测金属（类金属）及新兴污染物）；湖泊生物地球化学循环综合评估；以及社会调查与社区参与式研究。
四、研究结果
4.1 安第斯水资源与循环在气候变化背景下的类型与脆弱性
卡塔里河流域（海拔3800至5000米以上）包括九个主要市镇，总人口1,134,362人，其中90%集中在埃尔阿尔托和比亚查（Viacha）城市区域。流域气候寒冷、半干旱至半湿润，年降水量400–700毫米，高原区年均气温8–11 °C。流域内多数河流常年间歇性断流，塞克河（Seke）、塞科河（Seco）、帕利纳河（Pallina）及卡塔里河下游的基流主要靠埃尔阿尔托和比亚查下游的废水维持。降水是流域入流的主要来源，冰雪融水贡献不足2%。该区域降水具有显著的年循环特征，70%的降水集中在12月至次年3月。2002年以来，热带北大西洋增温改变了南热带安第斯山顶的降水变率主导模态，2022–2023年干旱即为该区域第二强干旱事件。多数气候情景预测卡塔里流域所在东北阿尔蒂普拉诺地区12月至2月（DJF）降水将中度减少（<10%），而阿尔蒂普拉诺其他区域减少可达30%。阿尔蒂普拉诺增温速率估计为每十年0.2 °C（1980–2010年），日最高气温增速快于日最低气温，有利于潜在蒸散增加，即使年降水量不减少，蒸散上升也足以增加干旱频率与持续时间。
水资源管理方面，拉巴斯（La Paz）历史上因基础设施不均衡获得比埃尔阿尔托更多的供水。2004–2005年社会抗议后，政府终止了与法国水务公司（苏伊士（Suez））的合同，成立EPSAS公共水务企业，显著扩展了埃尔阿尔托的配水网络，但连接数快速增长未伴随可分配水量的相应增加。2016年严重水危机后，EPSAS恢复了蒂拉塔（Tilata）井群钻探计划，至2018年地下水井供应埃尔阿尔托20%的用水需求，但其可持续性仍不确定。卫生设施方面，流域内约48,731户家庭（2012年普查）将未经处理的废水排入河流。普丘科约（Puchukollo）污水处理厂设计处理能力430 L s?1，2010年扩至542 L s?1，但仍不足以处理其接收的894 L s?1（处理率低于35%），导致未处理废水污染卡塔里河和的的喀喀湖。
冰川方面，卡塔里流域冰川具有典型的热带冰川学特征，其表面物质平衡与降水总量及季节分布相关。位于卡塔里流域的查尔基尼南冰川（Charquini South Glacier，最高海拔低于5400米）的质量损失速率（?1.2 m w.e. yr?1）是松戈冰川（平均?0.6 m w.e. yr?1，最高海拔约6000米）的两倍，主要因为“低海拔”冰川不再有永久积累区。小冰期（17世纪）时卡塔里流域存在8个冰体，累积冰川面积4254 km2，1975年减至2518 km2，至2023年仅剩3个冰体，累积面积0.468 km2（为1975年的18%，小冰期最大范围的11%）。基于2000–2020年质量损失速率的线性外推模拟显示，卡塔里流域上游冰川储存的约7000万立方米冰量至2050年将减少三分之二。2000–2010年和2010–2020年期间，为拉巴斯和埃尔阿尔托供水的四个源头冰川融水增加了约21%，但1982–2016年年均冰融量约60 L s?1，仅占米尤尼（Milluni）水库年均径流的约8%。
湖泊与水库方面，埃尔阿尔托城市饮用水部分由图尼（Tuni）和米尤尼流域的小型湖泊与水库（重力系统）供应。的的喀喀湖是南美洲最大的淡水湖（900 km3），主要用于传统渔业、网箱养殖和休闲活动，约90%的水量损失来自蒸发。湖泊分为两大子盆地，其中小湖盆（Lago Menor或Hui?aymarca）为平均深度9米的浅水湖，接收来自卡塔里流域的水。2015–2016年干旱导致部分阿尔蒂普拉诺湖泊干涸，严重影响人类取水与当地生物多样性。
地质与水文地质方面，卡塔里和湖泊小盆地的含水层由第四纪沉积物构成，水力连通为单一含水层。地下水流系统以重力驱动为主，从上部山麓（东科迪勒拉）起始，排泄至的的喀喀湖，同时排泄至下部山麓与湖积平原的湿地。1981–2016年数值模拟显示，河流地表水是主要补给来源，占总补给的86%；的的喀喀湖既是排泄区也是补给区，在科哈纳湾（Cohana Bay）贡献12%的含水层补给；冰川融水和直接降水贡献1%补给。含水层运移时间高度不均，埃尔阿尔托附近高渗透性区域不超过60年，而的的喀喀湖附近低渗透性（古）湖积沉积物区域可达数千年。埃尔阿尔托段含水层尤为脆弱，其补给主要依赖塞科河和塞克河，运移时间相对较短，对下游蒂拉塔井群（供应埃尔阿尔托约三分之一人口饮用水）的水质构成潜在威胁。
泥炭地方面，高安第斯泥炭地（bofedales）分布于海拔4000米以上至约5000米，以垫状或席状维管植物为主，主要结构种为安第斯氧鞘草（Oxychloe andina）和苔草状迪斯蒂希亚（Distichia muscoides）。这些系统具有高植物量生产力、高生物多样性，并为下游区域提供全年关键的水资源。卡塔里流域的泥炭地分布于雷亚尔山脉西侧，总面积（含湿草地）约50 km2，年际变化显著。泥炭地通过捕获、储存和缓慢释放降水与融雪水，有效缓冲系统水文过程，在干旱季节尤为关键。冰川、泥炭地、湖泊在高海拔山谷中的组合为区域水安全提供了“三重保险”。然而，干旱频率增加、冰川快速退缩和土地利用强化直接威胁泥炭地的可持续性。
4.2 人为压力对水资源与生态系统退化的协同效应
整个卡塔里流域的水资源承受多重人为压力：上游采矿活动（如米尤尼矿区）通过酸性矿山排水（AMD）释放金属和类金属，造成对生物和人类有害的水质；下游地表水和湖水呈微碱性（pH 8.2–8.6），高溶解盐浓度归因于流域强烈的化学风化，这种水组成通过缓冲作用和促进金属沿河道沉淀，对下游污染物迁移形成正反馈限制。的的喀喀湖及下游水体承受来自废水排放和农业用地淋溶的污染物、有机物和过量营养物的混合输入。普丘科约污水处理厂收集和处理不足导致未经处理的废水直接排入卡塔里河支流，严重退化地表水和地下水质量。卡塔里流域检测到多种金属（类金属），如锌（Zn）、锰（Mn）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）和砷（As），其水平超过玻利维亚和欧洲地表水质量指南。下卡塔里流域浅层地下水含有较高浓度的地质成因砷（As），研究的一半饮用水井超过世界卫生组织（WHO）标准10 μg L?1。此外，流域内检测到多种新兴污染物，包括抗炎药双氯芬酸、抗生素（磺胺类、酰胺醇类、青霉素类、甲氧苄啶）及人体磺胺甲噁唑（SMX）转化产物，塞克河浓度最高，反映城市化流域内处理与未处理废水的无控排放。
气候与人为因素均可导致水系统的急剧退化，如富营养化。2015年3–4月，的的喀喀湖发生大规模藻华（主要为卡特藻属（Carteria sp.）），覆盖南部浅水盆地大部分区域，导致氧饱和度从105%降至51%及浮游生物大量死亡。过量有机物阻碍有机及有机金属污染物（如抗生素、农药、甲基汞）的降解，因为水体浑浊限制了太阳辐射穿透和光降解过程。有机物和营养物过量促进硫酸盐还原菌和藻类生长，在富硫酸盐环境中产生大量硫化氢（H?S）。缺氧和缺光促进生物呼吸而非光合作用，形成负反馈和自我维持的分层稳态，导致表层水脱氧，危害本地和特有物种，同时促进汞（Hg）还原和甲基汞（MeHg）生成。湖泊在急剧事件后可恢复至初始状态，但若此类事件以年频率复发，将导致显著生物多样性丧失甚至生态系统不可逆转变。
4.3 社会认知与文化服务
卡塔里流域水资源供需失衡及污水处理不足，导致流域内农村、城市和城郊社区的社会-生态不平等。上游的阿尔托米尤尼（Alto Milluni）社区自19世纪末和20世纪末以来依赖采矿活动，造成持续影响水质、土壤和当地基础设施的环境负债。米尤尼大坝的酸性和富含金属的水经石灰处理后，数十年来供应拉巴斯西部坡区配水网络，2016年干旱后通过新供水系统增加对埃尔阿尔托的供应。米尤尼社区常被其他社区指责污染资源，该社区正在开发替代不可持续采矿的社区旅游项目。下游埃尔阿尔托南部社区因地表水受废水污染，现仅依赖蒂拉塔井网的地下水；为维持塞克河水用于灌溉和牲畜，这些社区开发了覆盖野生植物的灌溉渠系统，作为过滤和沉淀系统运行。下卡塔里河流域社区传统上以农业、畜牧业和渔业为生，面临灌溉地表水污染及政治社会经济问题。乔哈西维（Chojasivi）社区积极参与湖泊环境保护，通过修复提案和定期清理卡塔里河带来的固体废物来维护湖泊环境状况。
五、人类社区脆弱性
5.1 农业系统与营养资源
阿尔蒂普拉诺的农业已有至少三千年历史，马铃薯、藜麦、苜蓿、大麦、燕麦和蚕豆是主要作物，约占经济活动人口的50%。过去二十年干旱事件严重影响小农生产者，影响作物周期和产量。干旱频率增加和强化预计导致收获期提前（如安第斯马铃薯从3月提前至约1月，苦马铃薯从4月提前至2月），产量亏缺更大。2000年代以来全球藜麦需求上升促使农民快速扩大生产，导致耕作区蒸散显著增加，加剧荒漠化和农业土壤盐渍化。为维持作物生产力，农民采取不可持续的常规做法（增加灌溉、机械化、单一种植、使用化学投入、缩短休耕期），加速土壤肥力丧失。用未经处理的废水（如卡塔里河水）灌溉农田，可负面影响土壤结构、肥力、pH、作物生长、产量和营养质量，并对食用这些作物的人群构成卫生威胁。
5.2 健康挑战
卡塔里流域的人类暴露可分为两个主要地理区域。上游米尤尼区域，水受富含金属和类金属（镉（Cd）、铬（Cr）、锑（Sb）、锌（Zn）、镍（Ni）、铅（Pb）、铜（Cu）、汞（Hg）、砷（As））的酸性矿山排水污染，对农村社区健康造成严重后果，每种污染物可导致特定健康效应（砷（As）可致皮肤损伤、心血管疾病和多种癌症），多种污染物暴露可导致复合健康问题并加剧肾脏损伤风险。下游人口密集的埃尔阿尔托市，卡塔里河成为开放式污水系统，水受有机和无机污染物及细菌病原体污染。医院和生活废水是抗生素来源，导致流域内携带耐药基因的细菌出现，细菌耐药性发展可导致公共卫生问题，被WHO列为全球公共卫生和发展威胁。地表水和部分地下水受工业污染物复杂混合物污染。拉巴斯80%的空气样本含大肠菌群，其中许多具有多重抗生素耐药性。埃尔阿尔托腹泻流行与水源污染相关，儿童腹泻与高死亡率相关。
5.3 社会挑战
在多重社会不平等和生态失衡背景下，严重依赖自然对人类的贡献（NCP）维持生计的人类社区正面临污染和全球变化对这些贡献的负面影响。社区不确定性增加促进了“社会-环境迁移”过程，往往将人口引向城市，从而延长流域城市和环境不稳定的循环。阿尔托米尤尼社区在1985年结构调整措施下重新安置，结束了中等规模采矿和营地城市生活，促使人口迁移至埃尔阿尔托和拉巴斯城市或恢复当地畜牧业和纺织活动。加强农民社区和社会团体的经济活动是遏制迁移和增强其自主性的核心，更好地控制农产品市场和价值链是家庭自主和收益改善的关键驱动因素。
六、自然资源管理启示与结论
6.1 加强社会-生态系统恢复力
监测卡塔里河采矿、工业和生活废水复杂污染物混合物是重大分析挑战，鉴于区域经济约束尤为困难。经济有效的替代方案是生物指示（bioindication），主要依赖评估水生大型无脊椎动物群落变化。安第斯淡水生态系统包含不同流域间变化的生态群落组合，已应用国家验证的生物监测工作组（BMWP）指数。创新移动应用“Bioindicator”已部署以支持市政技术人员的本地参与式监测。泥炭地（bofedales）为大量水生和陆生无脊椎动物、特有鱼类和两栖动物创造零散的高生物多样性斑块，也是重要水资源和当地人口直接与间接收入来源。保护泥炭地将保障子孙后代的水资源，但非本地牛马过度放牧、采矿活动、泥炭开采、水电结构建设及全球变暖和冰川退缩导致的干旱加剧均不利于其可持续性。传统放牧实践被当地社区视为泥炭地长期可持续的有效自然解决方案，这一观点得到生态数据支持。保护泥炭地也是减少采矿点地表水污染向下游流域迁移的潜在有效手段，通过泥炭地储存的大量致密泥炭累积金属。
6.2 利用自然并在微观尺度创造替代方案
基于本地物种自然属性（封存和降解污染物）建立地质工程缓冲区，是补充自然区域保护的可持续方法。研究表明，的的喀喀湖浅水岸线密集莎草（totora）植被的发展对湖泊溶解和颗粒输入均起物理化学屏障作用。在科哈纳湾，大面积totora覆盖几乎完全衰减来自卡塔里河的某些无机污染物（砷（As）、锌（Zn）、镉（Cd）、锰（Mn）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、甲基汞（MeHg）），随后储存于湖泊沉积物中。这种衰减源于物理、化学和生物过程的混合作用。生长在莎草茎上的周丛生物（periphyton，由藻类和细菌组成的生物基质）参与营养物和无机污染物的固定。颗粒和溶解污染物的捕获降低水体浊度，允许太阳辐射穿透，促进有机和有机金属化合物的光降解。可扩展的totora系统也似乎是缓解新兴污染物（如抗生素）的替代方案，传统处理厂对此类污染物效率低下。植物修复策略的建立需考虑微藻群落组成，其可能因富营养化而丧失多样性。污染物累积或降解由周丛生物中的微生物控制，而非totora本身。目前正在研究试点系统（如植物过滤系统），预计近期部署。与传统污水处理系统相比，植物稳定化和植物修复策略的建立和维护相对简单，适用于分散在广阔领土上的小社区。
6.3 加强治理
目前卡塔里流域水治理由卡塔里流域发展计划下的跨机构平台管理，由多个利益相关方协调。流域管理单位（UGCK）、技术委员会（由非政府组织、大学和研究中心组成）和参与式论坛对话空间（由水用户、土著或原住民族当局、农业和公民工会代表组成）对流域政策决策的实际影响有限。该治理模式由国家当局驱动，国家和地方当局发挥更突出作用。受影响社区和其他公民社会组织寻求以更大自主权组织起来，如卡塔里河和的的喀喀湖保护委员会提出不同范围和时限的提案以缓解区域水问题。需要建立更横向的治理空间，连接不同领土单位和各级政府，将社区、公民社会和学术界的提案转化为公共政策和以流域为导向的新管理模式。国家在卡塔里流域的存在是间歇性和薄弱的，表现为公共政策碎片化、环境法规无效及水和卫生等基本服务的不稳定。这种真空使地方行动者、农民社区、农业工会、社区委员会和采矿公司能够管理领土，控制水资源和生产活动。在农村地区，艾马拉（Aymara）社区通过工会结构保护湿地系统；在城市地区，缓解采矿污染或废物的社区倡议不足。行动者多样性虽至关重要，但以碎片化方式运作，产生资源冲突和脱节管理。这要求建立补充国家职能并将地方知识纳入包容性监管框架的治理模式。
6.4 生态系统服务保护以改善环境与人类健康
卡塔里流域的关键生态系统组成部分（湖泊、河流、水库、地下水、泥炭地、土壤和冰川）提供供水（通过地表水和地下水）和水净化（通过湿地、土壤和泥炭地）等生态系统服务，支撑人类福祉和环境健康。然而，气候变化预测（降水减少、旱季延长、干旱频率和持续时间增加）和人为压力（废水排放、抽水增加、砾石开采）预计将对生态系统服务产生负反馈：首先，湖泊、水库和地下水系统补给可能减少，伴随水质恶化；其次，蒸散增强和雨季开始延迟可能通过盐渍化等过程负面影响土壤质量，从而降低农业生产力；第三，泥炭地和土壤退化预计将削弱其储水和调节水文过程的能力。
七、结论
该综合研究揭示了卡塔里流域社会-生态系统在水资源方面面临的严峻挑战：气候变化与人为压力产生协同效应，导致水资源数量减少、质量退化及生态系统服务下降。冰川持续退缩、泥炭地退化、地下水脆弱性增加、污染复合效应及治理碎片化共同威胁区域水安全和社区生计。研究强调，缓解措施需采取双轨策略：一方面保护自然缓冲区（泥炭地、totora植被带），另一方面发展基于自然的工程化替代方案（植物修复系统）。可持续管理必须整合土著社区的传统知识，建立跨学科、参与式的治理框架，将社区、公民社会和学术界的提案转化为公共政策。研究为决策者提供了基于证据的管理策略支持，以增强社会-生态系统的韧性和可持续性。
