國內外湖泊富營養(yǎng)鹽基準的研究進展解讀

1、國內外湖泊富營養(yǎng)鹽基準的研究進展陳波（同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092）摘要：制定可行的湖泊富營養(yǎng)鹽基準是制定我國湖泊富營養(yǎng)鹽控制標準的理論基礎和重要依據，但我國湖泊富營養(yǎng)鹽基準的研究還沒有深入系統(tǒng)的展開。本文詳細介紹了國內外湖泊富營養(yǎng)鹽基準的研究進展，分析了我國富營養(yǎng)基準研究中存在的問題，并針對我國湖泊富營養(yǎng)化的現狀和湖泊流域的自然特征，提出我國制定湖泊富營養(yǎng)鹽基準的建議。最后提出我國湖泊富營養(yǎng)化基準的研究展望。關鍵詞：湖泊、富營養(yǎng)鹽、基準、營養(yǎng)物指標、參照狀態(tài)1.前言湖泊及其流域是最適宜人類繁衍生息和社會經濟發(fā)展的重要場所和水源地，具有航運、灌溉、調節(jié)洪水和旅游

2、等多種功能。隨著工業(yè)化、城市化進程的不斷推進，我國湖泊流域內的工農業(yè)不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高。但是片面的追求經濟利益、不合理的開發(fā)利用的行為，導致污水的排放量逐年增加，使得水體中氮磷的濃度也隨之增加，湖泊水環(huán)境惡化，生態(tài)功能嚴重退化。根據對我國131個主要湖泊的調查顯示，N、P營養(yǎng)鹽嚴重超標的湖泊有67個，占調查湖泊的51.2%1，表明我國湖泊的富營養(yǎng)化問題突出，已成為流域經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的障礙，政府部門應加大對富營養(yǎng)湖泊的治理力度。營養(yǎng)鹽基準是指以保護人類健康和生態(tài)平衡為目的，用可信的科學數據表示水中營養(yǎng)物質的允許濃度或者間接表示水中營養(yǎng)物濃度的相關理化和生物指標的數值2。湖泊富營

3、養(yǎng)鹽基準是湖泊富營養(yǎng)化控制標準的理論基礎和科學依據，而制訂湖泊營養(yǎng)鹽標準的目的是為了對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，以便根據評價結論采取合理的治理措施，防治湖泊營養(yǎng)化程度的加深3。本文將系統(tǒng)介紹國內外湖泊營養(yǎng)鹽基準的研究進展，并針對我國湖泊富營養(yǎng)化的具體情況，提出制定我國湖泊富營養(yǎng)鹽基準的建議，以期為分區(qū)制定我國湖泊營養(yǎng)鹽基準提供方法借鑒。2. 湖泊營養(yǎng)鹽標準的研究進展湖泊營養(yǎng)物基準是湖泊富營養(yǎng)化控制標準的理論基礎和科學依據，一些發(fā)達國家已經制定或正在制定地表水的營養(yǎng)物基準。湖泊富營養(yǎng)鹽基準研究主要是在揭示區(qū)域湖泊水環(huán)境富營養(yǎng)化特征，闡述湖泊富營養(yǎng)化過程、機理及生態(tài)毒理效應，強調在營養(yǎng)鹽的物理、化學

4、和生物過程及其生態(tài)健康影響機理研究的基礎上，建立區(qū)域湖泊富營養(yǎng)鹽基準的理論、技術和方法4。2.1國內研究進展近年來，我國湖泊富營養(yǎng)化事件頻發(fā)，在應對這些重大湖泊污染事件時，已明顯暴露出我國對湖泊環(huán)境質量特征與過程方面認識的不足，在污染物生態(tài)與健康效應等方面的基礎儲備不夠。湖泊富營養(yǎng)鹽基準是對湖泊富營養(yǎng)化進行評估、預防、控制和管理的科學基礎。但是我國至今還沒有針對湖泊富營養(yǎng)化特點的富營養(yǎng)鹽基準。近幾十年來，國內外學者們圍繞湖泊營養(yǎng)物質的循環(huán)分布特征、理化因子與初級生產力關系、營養(yǎng)鹽生態(tài)動力學過程等方面開展了大量的研究工作，為了解富營養(yǎng)化的發(fā)生過程提供了重要的理論基礎5-9。然而如何吸收利用相關研

5、究成果，從營養(yǎng)鹽基準制訂的角度分析相關的科學基礎問題，提出有效的操作方式和方法，對此國內學術界的關注和系統(tǒng)研究顯然不夠。同時，學術方面尚存的差異、復雜的湖泊富營養(yǎng)化機制、地理區(qū)域和自然特征的差異以及不同定位（學術和管理）的研究需求和手段差異，亦使我國湖泊營養(yǎng)鹽基準的制訂難度加大。與發(fā)達國家相比，我國水質基準特別是湖泊營養(yǎng)物基準研究極為薄弱，主要參考國外的相關基準值，但由于水生生物區(qū)系具有地域性，代表性物種不同，其它國家的水質基準不能夠完全反映中國的水生生物保護的要求，所以如果參考其它國家的水質基準來制定我國的水質標準，將會降低我國水質標準的科學性，導致保護不夠或過分保護的可能性10。湖泊富營養(yǎng)

6、鹽基準的確定過程包括環(huán)境暴露、效應識別和風險評估3個關鍵環(huán)節(jié)，而污染過程與機理、污染物的生態(tài)和健康毒理效應、及生態(tài)與健康風險評估是確定過程中的三個重要方面。在污染機理和過程方面，我國已有科學家就湖泊富營養(yǎng)鹽基準作了有益的探索11-13；在污染物的生態(tài)和健康毒理效應，湖泊富營養(yǎng)化條件下（高氮磷營養(yǎng)水平、有機物和生物質）的復合污染過程及生態(tài)與健康效應研究基礎薄弱，目前難以準確評估中國大面積富營養(yǎng)化湖泊或水體的污染程度及其對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的影響，盡管復合污染的表征研究已有較多的進展，但考慮到中國富營養(yǎng)化水體的普遍性，不同營養(yǎng)水平湖泊污染過程與機理，水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)與健康效應的響應機理尚缺乏系統(tǒng)研究

7、14；在生態(tài)與健康風險評估方面，我國湖泊富營養(yǎng)化過程復雜，污染過程和生態(tài)與健康效應不清，重點湖泊富營養(yǎng)化條件下的生態(tài)與健康風險評估還沒有系統(tǒng)深入的研究，此課題應成為湖泊富營養(yǎng)鹽基準研究的關鍵或者前沿領域方向4。總體來說，國內關于湖泊營養(yǎng)鹽基準的研究仍然比較零散，至今還沒有國家主管部門頒布的湖泊富營養(yǎng)鹽基準規(guī)范。因此，開展湖泊富營養(yǎng)鹽基準研究是保護湖泊水生態(tài)系統(tǒng)、完善和健全水環(huán)境基準體系的要求。2.2國外研究進展美國1998年制定了區(qū)域營養(yǎng)物基準的國家戰(zhàn)略，此后八年先后編制完成了湖泊/水庫（2000年4月）、河口海岸（2001年10月）、河流（2006年7月）和濕地（2006年12月草案）的營養(yǎng)

8、物基準技術指南，并首先制定一級分區(qū)湖泊營養(yǎng)物基準，各州根據營養(yǎng)物基準技術指南陸續(xù)制定本州的營養(yǎng)物基準15。歐洲各國也在分別制定湖泊營養(yǎng)物基準。美國在制定湖泊營養(yǎng)物基準中，首先建立區(qū)域技術協(xié)作組，創(chuàng)建合適的數據庫，劃分營養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)，同時對湖泊進行分類（含地理性與非地理性分類）然后對各生態(tài)分區(qū)及湖泊/水庫類型篩選候選變量、確定指標，建立參照狀態(tài)，最后通過專家評價和考慮保護特定用途與對下游的影響等因素確定分區(qū)的湖泊營養(yǎng)物基準15。湖泊營養(yǎng)物基準制定過程中最為核心的內容是確定生態(tài)分區(qū)的營養(yǎng)物指標和參照狀態(tài)。以下是國外湖泊營養(yǎng)物基準制定過程中指標的選取和參照狀態(tài)的確定方法。2.2.1營養(yǎng)物指標的選取湖

9、泊營養(yǎng)物基準指標主要包括營養(yǎng)物變量（磷、氮）、生物學變量（有機碳、葉綠素a、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落結構和流域特征（土地利用）等。能夠反映湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)的變量很多，但只有部分指標可用于評價營養(yǎng)狀態(tài)，不同的國家和地區(qū)所選取的指標也不同16。美國環(huán)保局（2000）推薦采用原因變量（TP、TN）和反應變量（Chl-a、SD）,但允許州或部落也可根據適用性對信息進行篩選，將其他變量增加到基準指標變量中15。湖泊中磷含量的常規(guī)分析中采用總磷(TP)表示，包含所有有機的、無機的、可濾過的和顆粒狀的磷17。在許多磷限制的湖泊中，總磷和葉綠素水平通常呈簡單的線性關系。湖泊水體的氮含量主要以總氮(TN

10、)表示，總氮包括了所有硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和總有機氮。美國明尼蘇達州考慮州內大部分湖泊均為磷限制，只制定了總磷濃度、葉綠素a和塞氏透明度的基準，而無氮的基準"I。氮磷比是影響湖泊水體富營養(yǎng)化的重要因素之一。日本湖泊學家板本曾研究指出，當湖水的總氮和總磷濃度的比值在10:125:1的范圍時，藻類生長與氮、磷濃度存在著直線相關關系18。丹麥著名生態(tài)學家Jorgensen早在1983年便指出浮游藻類的生長是富營養(yǎng)化的關鍵過程。葉綠素a是植物光合作用中的主要色素，能很好地反應環(huán)境對營養(yǎng)富集的敏感程度，最常用作藻類生物量的評價指標19。Smeltzer等(1989)發(fā)現透明度是從統(tǒng)計學角

11、度確定營養(yǎng)狀態(tài)明顯趨勢的最好變量，因為它采樣頻率高且費用較少。EPA建議采用夏季透明度來評估富營養(yǎng)化，并明確指出用塞氏透明度指示湖庫的營養(yǎng)狀態(tài)，但是不適用于著色或者有機懸浮性固體的水體15。Ludovisi與Poletti提出，熱力學指標可作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展狀況的生態(tài)指示。對意大利Trasimeno湖的研究表明，小型淺水湖的營養(yǎng)狀態(tài)與CarlsonTSI指標、基于磷負荷的Vollenweider富營養(yǎng)化模型及HillbrichIlkowska方法得到的結果均一致，并發(fā)現湖泊平均水深在決定營養(yǎng)結構和狀態(tài)的變化上充當重要的角色20-21。另外一些研究發(fā)現COD與富營養(yǎng)化存在較好的相關性，但關系尚

12、不明確,DO在富營養(yǎng)化發(fā)生過程中一直發(fā)生動態(tài)變化，也很難作為預警性指標22。綜上所述，湖泊富營養(yǎng)鹽基準的確定應遵循以下原則：所選擇的指標應相對穩(wěn)定，不受其他指標的影響；分區(qū)湖泊富營養(yǎng)化控制的關鍵指標，應該因地制宜，不同分區(qū)的富營養(yǎng)鹽基準可以不同；指標應于藻類生長具有明顯的相關關系；所選擇的指標應具有湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的早期預警功能。2.2.2確定湖泊參照狀態(tài)的方法參照狀態(tài)是指“受影響最小的狀態(tài)或認為可達到的最佳狀態(tài)”，提供著決定隨時間推移由人類引起的湖泊變化的基線，若沒有分區(qū)湖泊的參照狀態(tài)，則很難得出湖泊現狀及未來潛在變化受人類影響的程度23。美國和歐洲在確定湖泊參照狀態(tài)的方法基本類似，主要包括

13、調查數據和歷史數據的統(tǒng)計分析、模型預測和推斷、古湖沼學重建和專家判斷15,24-25。(1)統(tǒng)計學方法U.S.EPA指南中首推統(tǒng)計學方法，即利用生態(tài)分區(qū)內收集到的湖泊歷史和現狀的大量數據進行統(tǒng)計分析確定營養(yǎng)物參照狀態(tài)。該方法分為參照湖泊法(referencelakeapproach)和湖泊群體分布法(lakepopulationdistributionapproach)兩類15。參照湖泊法是利用生態(tài)分區(qū)中的參照湖泊基準指標的中值(也有采用平均值)的頻率分布的上25%點為該分區(qū)湖泊的參照狀態(tài)，因為這個水平最大地保護區(qū)域自然營養(yǎng)湖泊類型的多樣性15。群體分布法是當參照湖泊數量不足時，選擇區(qū)域內全體

14、湖泊最好的四分之一(即頻率分布的下25%)作為營養(yǎng)物基準參照狀態(tài)。U.S.EPA指南(2000)指明兩種方法確定的基準值結果相近。美國在確定全國14個一級分區(qū)的參照狀態(tài)時將兩種結合起來使用。然而，歐洲REFCOND指南不支持該方法，但認為在農業(yè)地區(qū)的低地可能不失為一種實用的方法。利用湖泊監(jiān)測站點的原始數據來建立參照狀態(tài)最為合適，但是許多湖泊的歷史監(jiān)測資料不齊全或無法獲得，為參照狀態(tài)的確定帶來極大困難，因此需要運用多種方法來確定參照狀態(tài)。在美國各州及歐洲各國建立參照狀態(tài)制定基準時，普遍將數學統(tǒng)計與模型回歸相結合17,24。Dodds與0akes提出通過協(xié)方差分析量化區(qū)域變化的方法來確定營養(yǎng)物參照

15、濃度，然后建立多重線性回歸模型26。(2)模型預測與推斷雖然U.S.EPA推薦采用統(tǒng)計學的方法，但是各州在具體建立參照狀態(tài)時，幾乎都涉及和借助了回歸模型方法17,27。U.S.EPA推薦兩種模型方法：一是土壤形態(tài)指數法(MEI),即湖深一溶解性固體指數，是指湖水中總可溶性固體與湖泊平均深度之比，用于預測參照狀態(tài)下的磷濃度，但是需要用參照湖泊數據進行校準和驗證；二是總量平衡模型法，雖然該模型本身不能建立參照狀態(tài)，但可利用進入湖泊的負荷和湖泊的水文條件來估測營養(yǎng)物的濃度，從而用于估計水體在受人類干擾前可能的狀態(tài)15。Paul和Gerritsen等利用佛羅里達州所有可用的湖泊數據，對TP、TN與湖泊

16、營養(yǎng)條件指標TLCI30(logSD與logChl-a的組合)進行了局部回歸，得到的參照湖泊化學指標值比統(tǒng)計學分布直接得出的值偏高(除了堿性色深湖TP濃度偏低)，可能是因為不同湖泊營養(yǎng)物的生物響應各異。同時發(fā)現葉綠素和透明度的多重線性回歸模型可以用于預測葉綠素的參照狀態(tài)，和統(tǒng)計學方法直接得到的參照湖泊葉綠素和透明度的參照狀態(tài)相似，營養(yǎng)鹽和葉綠素的等高線圖預測的參照湖泊葉綠素濃度范圍與觀測的中值或均值相等27。模型推斷法對生態(tài)分區(qū)湖泊的環(huán)境條件要求不高，因此可用于流域受人類影響較嚴重的湖泊的參照狀態(tài)確定。(3) 古湖沼學重建古湖沼學重建法主要根據從沉積物泥芯的考查中得到的如硅藻或搖蚊等化石殘骸和

17、水質(主要為總磷、pH和溫度)之間較強的相關關系推斷過去狀態(tài)24。目前，古湖沼學方法定義湖泊參照狀態(tài)的研究還不夠系統(tǒng)，只能在部分地區(qū)使用。(4) 專家判斷專家判斷結合了歷史數據和現今的結構與功能，但由于專家判斷常常是對參照狀態(tài)敘述性的表達，可能會引入主觀性或偏見，確定的值也常常是靜態(tài)的，不包含動力學和與自然生態(tài)系統(tǒng)相關的內在可變性。因此該法不能單獨使用，但與其他方法結合使用時可以得出滿意的結果24,25。2.2.3湖泊富營養(yǎng)鹽基準值的確定湖泊富營養(yǎng)物基準的最終確定是根據營養(yǎng)物基準各變量的參照狀態(tài)以及富營養(yǎng)化暴發(fā)的營養(yǎng)物閾值水平，通過統(tǒng)計學分析方法和模型推斷法確定不同湖泊營養(yǎng)物基準值范圍或最大上

18、限，綜合水體和參照狀態(tài)的反降級政策、湖泊的特定用途、保護瀕危物種以及對下游的影響確定16,28。具體的基準值可以是數字型的，也可以是敘述型的，也可以是兩者的結合。美國大部分州和歐盟采用數字型和敘述型相結合的基準。3. 我國制定湖泊富營養(yǎng)鹽基準的建議我國尚未系統(tǒng)深入的開展湖泊富營養(yǎng)鹽基準的制定工作，但其重要性和必要性已經凸顯：第一，我國大部分主要湖泊已經受到不同程度的富營養(yǎng)化污染，急需提高我國湖泊水體富營養(yǎng)物的監(jiān)測、評估和管理水平；第二，現行標準中涉及營養(yǎng)物指標的地表水環(huán)境質量標準(38382002)是參考國外的研究成果制定的，是否適用于我國的湖泊水體還值得商榷；第三，由于各湖泊流域水文、氣象等

19、自然特征各異，現行標準的單一營養(yǎng)物標準值理論上無法適用于所以湖泊流域；第四，作為水質管理的科學依據，水質基準在我國標準體系中仍屬欠缺，往往以水質標準來代替29，因此基準研究對于完善我國標準體系具有重要意義。由此，研究和制定我國湖泊富營養(yǎng)鹽基準、加強我國湖泊營養(yǎng)物監(jiān)測和管理十分必要，其不僅可以有利于環(huán)境保護，也有利于流域經濟社會的發(fā)展。結合當前研究基礎和管理需求，為我國制定適合我國湖泊特點的營養(yǎng)鹽基準提出以下建議：(1) 建立湖泊環(huán)境特征基礎數據庫。建議完善湖泊營養(yǎng)鹽監(jiān)測體系，分區(qū)、分步地開展我國主要湖泊流域的生態(tài)調查，整合現有數據基礎，逐步構建國家湖泊流域環(huán)境特征基礎數據庫。(2) 研究制定我

20、國湖泊副營養(yǎng)鹽基準技術指南。借鑒國外經驗，嘗試性地開展全國湖泊分區(qū)研究，選擇部分研究基礎較好的、富營養(yǎng)化問題突出的湖泊，率先開展湖泊富營養(yǎng)物基準的研究，為制定我國湖泊富營養(yǎng)鹽基準技術指南打下基礎。(3) 建立基于生態(tài)系統(tǒng)健康的湖泊富營養(yǎng)鹽基準和標準體系。湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康是湖泊營養(yǎng)物管理的目標，應加快探索建立基于生態(tài)系統(tǒng)健康的湖泊富營養(yǎng)鹽基準。4.研究展望國外湖泊富營養(yǎng)鹽基準的研究經驗，對建立適合我國湖泊特點的富營養(yǎng)鹽基準具有重要的借鑒意義，但是不能照搬。我國大部分湖泊富營養(yǎng)化嚴重，不同分區(qū)的湖泊的污染狀況差異顯著，而且不同分區(qū)的湖泊水文、氣象等自然特征差異顯著，因此國外的湖泊富營養(yǎng)鹽基準的制

21、定方法難以適用于我國，但我們可以對國外的研究方法加以優(yōu)化改進。根據不同分區(qū)湖泊的總體污染現狀，采用不同的方法，也可研究采用幾種方法的組合?？傊覈暮礌I養(yǎng)物基準的制定是一項系統(tǒng)而長久的工程，需要政府的支持，投入足夠的人力和財力，建立起完善的湖泊營養(yǎng)物基準體系，為我國的湖泊富營養(yǎng)化的治理提供堅實的理論依據和管理支撐。參考文獻1. 黃文鈺，吳延根，舒金華.中國主要湖泊水庫的水環(huán)境問題與防治建議(J).湖泊科學,1998,10(3):8388.2. 鄭丙輝，許秋瑾，周保華等.水體營養(yǎng)物及其響應指標基準制定過程中建立參照狀態(tài)的方法以典型淺水湖泊太湖為例(J).湖泊科學，2009，21(1):212

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