国内外湖泊富营养盐基准的研究进展解读

1、国内外湖泊富营养盐基准的研究进展陈波（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）摘要：制定可行的湖泊富营养盐基准是制定我国湖泊富营养盐控制标准的理论基础和重要依据，但我国湖泊富营养盐基准的研究还没有深入系统的展开。本文详细介绍了国内外湖泊富营养盐基准的研究进展，分析了我国富营养基准研究中存在的问题，并针对我国湖泊富营养化的现状和湖泊流域的自然特征，提出我国制定湖泊富营养盐基准的建议。最后提出我国湖泊富营养化基准的研究展望。关键词：湖泊、富营养盐、基准、营养物指标、参照状态1.前言湖泊及其流域是最适宜人类繁衍生息和社会经济发展的重要场所和水源地，具有航运、灌溉、调节洪水和旅游

2、等多种功能。随着工业化、城市化进程的不断推进，我国湖泊流域内的工农业不断发展，人民生活水平不断提高。但是片面的追求经济利益、不合理的开发利用的行为，导致污水的排放量逐年增加，使得水体中氮磷的浓度也随之增加，湖泊水环境恶化，生态功能严重退化。根据对我国131个主要湖泊的调查显示，N、P营养盐严重超标的湖泊有67个，占调查湖泊的51.2%1，表明我国湖泊的富营养化问题突出，已成为流域经济和社会可持续发展的障碍，政府部门应加大对富营养湖泊的治理力度。营养盐基准是指以保护人类健康和生态平衡为目的，用可信的科学数据表示水中营养物质的允许浓度或者间接表示水中营养物浓度的相关理化和生物指标的数值2。湖泊富营

3、养盐基准是湖泊富营养化控制标准的理论基础和科学依据，而制订湖泊营养盐标准的目的是为了对湖泊的营养状态进行评价，以便根据评价结论采取合理的治理措施，防治湖泊营养化程度的加深3。本文将系统介绍国内外湖泊营养盐基准的研究进展，并针对我国湖泊富营养化的具体情况，提出制定我国湖泊富营养盐基准的建议，以期为分区制定我国湖泊营养盐基准提供方法借鉴。2. 湖泊营养盐标准的研究进展湖泊营养物基准是湖泊富营养化控制标准的理论基础和科学依据，一些发达国家已经制定或正在制定地表水的营养物基准。湖泊富营养盐基准研究主要是在揭示区域湖泊水环境富营养化特征，阐述湖泊富营养化过程、机理及生态毒理效应，强调在营养盐的物理、化学

4、和生物过程及其生态健康影响机理研究的基础上，建立区域湖泊富营养盐基准的理论、技术和方法4。2.1国内研究进展近年来，我国湖泊富营养化事件频发，在应对这些重大湖泊污染事件时，已明显暴露出我国对湖泊环境质量特征与过程方面认识的不足，在污染物生态与健康效应等方面的基础储备不够。湖泊富营养盐基准是对湖泊富营养化进行评估、预防、控制和管理的科学基础。但是我国至今还没有针对湖泊富营养化特点的富营养盐基准。近几十年来，国内外学者们围绕湖泊营养物质的循环分布特征、理化因子与初级生产力关系、营养盐生态动力学过程等方面开展了大量的研究工作，为了解富营养化的发生过程提供了重要的理论基础5-9。然而如何吸收利用相关研

5、究成果，从营养盐基准制订的角度分析相关的科学基础问题，提出有效的操作方式和方法，对此国内学术界的关注和系统研究显然不够。同时，学术方面尚存的差异、复杂的湖泊富营养化机制、地理区域和自然特征的差异以及不同定位（学术和管理）的研究需求和手段差异，亦使我国湖泊营养盐基准的制订难度加大。与发达国家相比，我国水质基准特别是湖泊营养物基准研究极为薄弱，主要参考国外的相关基准值，但由于水生生物区系具有地域性，代表性物种不同，其它国家的水质基准不能够完全反映中国的水生生物保护的要求，所以如果参考其它国家的水质基准来制定我国的水质标准，将会降低我国水质标准的科学性，导致保护不够或过分保护的可能性10。湖泊富营养

6、盐基准的确定过程包括环境暴露、效应识别和风险评估3个关键环节，而污染过程与机理、污染物的生态和健康毒理效应、及生态与健康风险评估是确定过程中的三个重要方面。在污染机理和过程方面，我国已有科学家就湖泊富营养盐基准作了有益的探索11-13；在污染物的生态和健康毒理效应，湖泊富营养化条件下（高氮磷营养水平、有机物和生物质）的复合污染过程及生态与健康效应研究基础薄弱，目前难以准确评估中国大面积富营养化湖泊或水体的污染程度及其对生态系统和人体健康的影响，尽管复合污染的表征研究已有较多的进展，但考虑到中国富营养化水体的普遍性，不同营养水平湖泊污染过程与机理，水生态系统生态与健康效应的响应机理尚缺乏系统研究

7、14；在生态与健康风险评估方面，我国湖泊富营养化过程复杂，污染过程和生态与健康效应不清，重点湖泊富营养化条件下的生态与健康风险评估还没有系统深入的研究，此课题应成为湖泊富营养盐基准研究的关键或者前沿领域方向4。总体来说，国内关于湖泊营养盐基准的研究仍然比较零散，至今还没有国家主管部门颁布的湖泊富营养盐基准规范。因此，开展湖泊富营养盐基准研究是保护湖泊水生态系统、完善和健全水环境基准体系的要求。2.2国外研究进展美国1998年制定了区域营养物基准的国家战略，此后八年先后编制完成了湖泊/水库（2000年4月）、河口海岸（2001年10月）、河流（2006年7月）和湿地（2006年12月草案）的营养

8、物基准技术指南，并首先制定一级分区湖泊营养物基准，各州根据营养物基准技术指南陆续制定本州的营养物基准15。欧洲各国也在分别制定湖泊营养物基准。美国在制定湖泊营养物基准中，首先建立区域技术协作组，创建合适的数据库，划分营养物生态分区，同时对湖泊进行分类（含地理性与非地理性分类）然后对各生态分区及湖泊/水库类型筛选候选变量、确定指标，建立参照状态，最后通过专家评价和考虑保护特定用途与对下游的影响等因素确定分区的湖泊营养物基准15。湖泊营养物基准制定过程中最为核心的内容是确定生态分区的营养物指标和参照状态。以下是国外湖泊营养物基准制定过程中指标的选取和参照状态的确定方法。2.2.1营养物指标的选取湖

9、泊营养物基准指标主要包括营养物变量（磷、氮）、生物学变量（有机碳、叶绿素a、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落结构和流域特征（土地利用）等。能够反映湖泊富营养状态的变量很多，但只有部分指标可用于评价营养状态，不同的国家和地区所选取的指标也不同16。美国环保局（2000）推荐采用原因变量（TP、TN）和反应变量（Chl-a、SD）,但允许州或部落也可根据适用性对信息进行筛选，将其他变量增加到基准指标变量中15。湖泊中磷含量的常规分析中采用总磷(TP)表示，包含所有有机的、无机的、可滤过的和颗粒状的磷17。在许多磷限制的湖泊中，总磷和叶绿素水平通常呈简单的线性关系。湖泊水体的氮含量主要以总氮(TN

10、)表示，总氮包括了所有硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮和总有机氮。美国明尼苏达州考虑州内大部分湖泊均为磷限制，只制定了总磷浓度、叶绿素a和塞氏透明度的基准，而无氮的基准"I。氮磷比是影响湖泊水体富营养化的重要因素之一。日本湖泊学家板本曾研究指出，当湖水的总氮和总磷浓度的比值在10:125:1的范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在着直线相关关系18。丹麦著名生态学家Jorgensen早在1983年便指出浮游藻类的生长是富营养化的关键过程。叶绿素a是植物光合作用中的主要色素，能很好地反应环境对营养富集的敏感程度，最常用作藻类生物量的评价指标19。Smeltzer等(1989)发现透明度是从统计学角

11、度确定营养状态明显趋势的最好变量，因为它采样频率高且费用较少。EPA建议采用夏季透明度来评估富营养化，并明确指出用塞氏透明度指示湖库的营养状态，但是不适用于着色或者有机悬浮性固体的水体15。Ludovisi与Poletti提出，热力学指标可作为湖泊生态系统发展状况的生态指示。对意大利Trasimeno湖的研究表明，小型浅水湖的营养状态与CarlsonTSI指标、基于磷负荷的Vollenweider富营养化模型及HillbrichIlkowska方法得到的结果均一致，并发现湖泊平均水深在决定营养结构和状态的变化上充当重要的角色20-21。另外一些研究发现COD与富营养化存在较好的相关性，但关系尚

12、不明确,DO在富营养化发生过程中一直发生动态变化，也很难作为预警性指标22。综上所述，湖泊富营养盐基准的确定应遵循以下原则：所选择的指标应相对稳定，不受其他指标的影响；分区湖泊富营养化控制的关键指标，应该因地制宜，不同分区的富营养盐基准可以不同；指标应于藻类生长具有明显的相关关系；所选择的指标应具有湖泊发生富营养化的早期预警功能。2.2.2确定湖泊参照状态的方法参照状态是指“受影响最小的状态或认为可达到的最佳状态”，提供着决定随时间推移由人类引起的湖泊变化的基线，若没有分区湖泊的参照状态，则很难得出湖泊现状及未来潜在变化受人类影响的程度23。美国和欧洲在确定湖泊参照状态的方法基本类似，主要包括

13、调查数据和历史数据的统计分析、模型预测和推断、古湖沼学重建和专家判断15,24-25。(1)统计学方法U.S.EPA指南中首推统计学方法，即利用生态分区内收集到的湖泊历史和现状的大量数据进行统计分析确定营养物参照状态。该方法分为参照湖泊法(referencelakeapproach)和湖泊群体分布法(lakepopulationdistributionapproach)两类15。参照湖泊法是利用生态分区中的参照湖泊基准指标的中值(也有采用平均值)的频率分布的上25%点为该分区湖泊的参照状态，因为这个水平最大地保护区域自然营养湖泊类型的多样性15。群体分布法是当参照湖泊数量不足时，选择区域内全体

14、湖泊最好的四分之一(即频率分布的下25%)作为营养物基准参照状态。U.S.EPA指南(2000)指明两种方法确定的基准值结果相近。美国在确定全国14个一级分区的参照状态时将两种结合起来使用。然而，欧洲REFCOND指南不支持该方法，但认为在农业地区的低地可能不失为一种实用的方法。利用湖泊监测站点的原始数据来建立参照状态最为合适，但是许多湖泊的历史监测资料不齐全或无法获得，为参照状态的确定带来极大困难，因此需要运用多种方法来确定参照状态。在美国各州及欧洲各国建立参照状态制定基准时，普遍将数学统计与模型回归相结合17,24。Dodds与0akes提出通过协方差分析量化区域变化的方法来确定营养物参照

15、浓度，然后建立多重线性回归模型26。(2)模型预测与推断虽然U.S.EPA推荐采用统计学的方法，但是各州在具体建立参照状态时，几乎都涉及和借助了回归模型方法17,27。U.S.EPA推荐两种模型方法：一是土壤形态指数法(MEI),即湖深一溶解性固体指数，是指湖水中总可溶性固体与湖泊平均深度之比，用于预测参照状态下的磷浓度，但是需要用参照湖泊数据进行校准和验证；二是总量平衡模型法，虽然该模型本身不能建立参照状态，但可利用进入湖泊的负荷和湖泊的水文条件来估测营养物的浓度，从而用于估计水体在受人类干扰前可能的状态15。Paul和Gerritsen等利用佛罗里达州所有可用的湖泊数据，对TP、TN与湖泊

16、营养条件指标TLCI30(logSD与logChl-a的组合)进行了局部回归，得到的参照湖泊化学指标值比统计学分布直接得出的值偏高(除了碱性色深湖TP浓度偏低)，可能是因为不同湖泊营养物的生物响应各异。同时发现叶绿素和透明度的多重线性回归模型可以用于预测叶绿素的参照状态，和统计学方法直接得到的参照湖泊叶绿素和透明度的参照状态相似，营养盐和叶绿素的等高线图预测的参照湖泊叶绿素浓度范围与观测的中值或均值相等27。模型推断法对生态分区湖泊的环境条件要求不高，因此可用于流域受人类影响较严重的湖泊的参照状态确定。(3) 古湖沼学重建古湖沼学重建法主要根据从沉积物泥芯的考查中得到的如硅藻或摇蚊等化石残骸和

17、水质(主要为总磷、pH和温度)之间较强的相关关系推断过去状态24。目前，古湖沼学方法定义湖泊参照状态的研究还不够系统，只能在部分地区使用。(4) 专家判断专家判断结合了历史数据和现今的结构与功能，但由于专家判断常常是对参照状态叙述性的表达，可能会引入主观性或偏见，确定的值也常常是静态的，不包含动力学和与自然生态系统相关的内在可变性。因此该法不能单独使用，但与其他方法结合使用时可以得出满意的结果24,25。2.2.3湖泊富营养盐基准值的确定湖泊富营养物基准的最终确定是根据营养物基准各变量的参照状态以及富营养化暴发的营养物阈值水平，通过统计学分析方法和模型推断法确定不同湖泊营养物基准值范围或最大上

18、限，综合水体和参照状态的反降级政策、湖泊的特定用途、保护濒危物种以及对下游的影响确定16,28。具体的基准值可以是数字型的，也可以是叙述型的，也可以是两者的结合。美国大部分州和欧盟采用数字型和叙述型相结合的基准。3. 我国制定湖泊富营养盐基准的建议我国尚未系统深入的开展湖泊富营养盐基准的制定工作，但其重要性和必要性已经凸显：第一，我国大部分主要湖泊已经受到不同程度的富营养化污染，急需提高我国湖泊水体富营养物的监测、评估和管理水平；第二，现行标准中涉及营养物指标的地表水环境质量标准(38382002)是参考国外的研究成果制定的，是否适用于我国的湖泊水体还值得商榷；第三，由于各湖泊流域水文、气象等

19、自然特征各异，现行标准的单一营养物标准值理论上无法适用于所以湖泊流域；第四，作为水质管理的科学依据，水质基准在我国标准体系中仍属欠缺，往往以水质标准来代替29，因此基准研究对于完善我国标准体系具有重要意义。由此，研究和制定我国湖泊富营养盐基准、加强我国湖泊营养物监测和管理十分必要，其不仅可以有利于环境保护，也有利于流域经济社会的发展。结合当前研究基础和管理需求，为我国制定适合我国湖泊特点的营养盐基准提出以下建议：(1) 建立湖泊环境特征基础数据库。建议完善湖泊营养盐监测体系，分区、分步地开展我国主要湖泊流域的生态调查，整合现有数据基础，逐步构建国家湖泊流域环境特征基础数据库。(2) 研究制定我

20、国湖泊副营养盐基准技术指南。借鉴国外经验，尝试性地开展全国湖泊分区研究，选择部分研究基础较好的、富营养化问题突出的湖泊，率先开展湖泊富营养物基准的研究，为制定我国湖泊富营养盐基准技术指南打下基础。(3) 建立基于生态系统健康的湖泊富营养盐基准和标准体系。湖泊的生态系统健康是湖泊营养物管理的目标，应加快探索建立基于生态系统健康的湖泊富营养盐基准。4.研究展望国外湖泊富营养盐基准的研究经验，对建立适合我国湖泊特点的富营养盐基准具有重要的借鉴意义，但是不能照搬。我国大部分湖泊富营养化严重，不同分区的湖泊的污染状况差异显著，而且不同分区的湖泊水文、气象等自然特征差异显著，因此国外的湖泊富营养盐基准的制

21、定方法难以适用于我国，但我们可以对国外的研究方法加以优化改进。根据不同分区湖泊的总体污染现状，采用不同的方法，也可研究采用几种方法的组合。总之，我国的湖泊营养物基准的制定是一项系统而长久的工程，需要政府的支持，投入足够的人力和财力，建立起完善的湖泊营养物基准体系，为我国的湖泊富营养化的治理提供坚实的理论依据和管理支撑。参考文献1. 黄文钰，吴延根，舒金华.中国主要湖泊水库的水环境问题与防治建议(J).湖泊科学,1998,10(3):8388.2. 郑丙辉，许秋瑾，周保华等.水体营养物及其响应指标基准制定过程中建立参照状态的方法以典型浅水湖泊太湖为例(J).湖泊科学，2009，21(1):212

22、6.3. 李贵宝，周怀东.我国水环境标准化的发展(J).水利技术监督，2003,3:1517.4. 吴丰昌，孟伟等.中国湖泊水环境基准的研究进展(J).环境科学学报，2008，28(12):23852393.5. NixonSW，AmmermanJW，AtkinsonLP，etal.Thefateofnitrogenandphosphorusattheland-seamarginoftheNorthAtlanticOceanBiogeochemistry，1996,35:141-80.6. SunJ，LiuDY，CaiXY，etal.Thechlorophyllaconcentrationan

23、destimatingofprimaryproductivityintheBohaiSeain1998-1999.ActaEcologicaSinica，2003，23(3):517-526.7. GaoHW，YangH，ZhangYJ，etal.APreliminarystudyonfactorsaffectingtheprimaryproductionintheBohaiSea.JournalofOceanUniversityofQingdao，2001，31(4):487-494.8. LiuH,YinBS.ModelstudyonBohaiecosystemII.Annualcycle

24、ofnutrient-phytoplanktondynamics.ActaOceanologicaSinica，2007，29(4):20-31.9. CloernJE.Phytoplanktonbloomdynamicsincoastalecosystems:areviewwithsomegenerallessonsfromsustainedinvestigationofSanFranciscoBay，California.ReviewsofGeophysics，1996，34(2):127-168.10. 孟伟，刘征涛，张楠等.流域水质目标管理技术研究(II)水环境基准、标准与总量控制(J

25、).环境科学研究,2008,21(1):17.11. 孟伟，于涛等.黄河流域氮磷营养盐动态特征及其主要影响因素(J).环境科学学报，2007，27(12):20462051.12. 曲丽梅，姚德，丛丕福.辽东湾氮磷营养盐变化特征及潜在性富营养评价(J).环境科学,2006,27(2):263267.13. 李军，刘丛强等.太湖水体溶解营养盐(N、P、Si)的冬、夏二季变化特征及其与富营养化的关系(J).地球与环境,2005,33(1):6367.14. 郑振华，周培疆，吴振斌.2001.复合污染研究的新进展J).应用生态学报,12(3):469473.15. GIBSONG,CARLSONR,

26、SIMPSONJ.Nutrientcriteriatechnicalguidancemanual:lakesandreservoirs(EPA-822-B-00-001)R.WashingtonDC:UnitedStatesEnvironmentProtectionAgency,2000.16. NIEMEIJERD,GROOTRS.AconceptualframeworkforselectingenvironmentalindicatorsetsJ.EcologicalIndicators,2008,2:14-25.17. WALKERJL,YOUNOST,ZIPPERCE.Nutrient

27、sinlakesandreservoirs-aliteraturereviewforuseinnutrientcriteriadevelopmentR.Blacksburg:VirginiaWaterResourcesResearchCenter,2007.18. 饶群,芮孝芳.富营养化机理及数学模拟研究进展(J).水文,2001,21(2):15-19.19. SNELDERTH,BIGGSBJF,WEATHERHEADMA.NutrientconcentrationcriteriaandcharacterizationofpatternsinTrophicStateforriversinH

28、etereogeneouslandscapesJ.JournaloftheAmericanWaterResourcesAssociation,2004,40(1):1-13.20. LUDOVISIA,POLETTIA.Useofthermodynamicindicesasecologicalindicatorsofthedevelopmentstateoflakeecosystems.1.entropyproductionindicesJ.EcologicalModelling,2003,159:203-222.21.LUDOVISIA,POLETTIA.UseofThermodynamicindicesasecologicalindicatorsofthedevelopmentstateoflakeecosystems.2.ExergyandspecificexergyindicesJ.EcologicalModelling,2003,159:223-238.22. 张远,郑丙辉,富国,等.河道型水库基于敏感性分区的营养状态标准与评价方法研究(J).环境科学学报,2006,26(6):1016-1021.23. PAINTINGSJ,DEVLINMJ,ROGERSSI,etal.AssessingthesuitabilityofOSPAR