霍守亮，馬春子，席北斗，何卓識(shí)

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究進(jìn)展

霍守亮，馬春子*，席北斗，何卓識(shí)

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)是進(jìn)行湖泊富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)估、預(yù)防、控制和管理的科學(xué)基礎(chǔ)和重要手段。系統(tǒng)論述了國(guó)內(nèi)外湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了統(tǒng)計(jì)分析法、壓力-響應(yīng)模型法、模型推斷法和古湖沼學(xué)法等的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，提出了我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。參照湖泊最能真實(shí)反映湖區(qū)的原始狀態(tài)，但參照點(diǎn)不易獲得；模型推斷法需要大量的數(shù)據(jù)資料來構(gòu)建表征水體特征的函數(shù)模型，其復(fù)雜性使該方法對(duì)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂存在較大難度。壓力-響應(yīng)模型法將成為湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂的發(fā)展方向，深入開展壓力-響應(yīng)模型機(jī)理研究，在水生態(tài)基準(zhǔn)與富營(yíng)養(yǎng)化之間關(guān)系、營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)與浮游生物之間響應(yīng)關(guān)系及營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)對(duì)特殊敏感種群關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂與湖泊管理需求的緊密結(jié)合。

湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)；生態(tài)分區(qū)；參照狀態(tài)；壓力-響應(yīng)模型

湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)是指營(yíng)養(yǎng)物對(duì)湖泊產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)不危及其水體功能或用途的最大可接受濃度或限值，可以體現(xiàn)受人類開發(fā)活動(dòng)影響程度最小的地表水營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。數(shù)值化營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)是水質(zhì)進(jìn)行污染控制的基礎(chǔ)，有利于評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響，保護(hù)水質(zhì)和水生物完整性并發(fā)展相應(yīng)的管理決策[1]，為指定用途的可達(dá)性及水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要的條件[2-3]。地理位置、地形地貌、氣候條件、湖泊形態(tài)以及人類開發(fā)程度等情況的差異，使不同地域湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化成因、類型、演變過程以及物理、化學(xué)、生物學(xué)特性等方面存在顯著差異，同時(shí)湖泊的營(yíng)養(yǎng)物水平和富營(yíng)養(yǎng)化效應(yīng)也具有很大的區(qū)域差異性。因此，不宜采用一個(gè)通用的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，需要根據(jù)不同區(qū)域和不同類型水體的特點(diǎn)，制訂區(qū)域湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)來更好地反映湖泊環(huán)境的差異，并滿足當(dāng)前湖泊管理的需求，提高制訂相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性。

湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)不是毒理學(xué)基準(zhǔn)而是生態(tài)學(xué)基準(zhǔn)，不能簡(jiǎn)單地利用實(shí)驗(yàn)室模擬研究的毒性劑量-響應(yīng)效應(yīng)關(guān)系來推斷，因?yàn)榈椎葼I(yíng)養(yǎng)物本身在較低的環(huán)境濃度下不會(huì)直接對(duì)水生生物和人體產(chǎn)生毒害作用[4]。營(yíng)養(yǎng)物過度排放導(dǎo)致藻類的過度繁殖及其代謝產(chǎn)物是最終導(dǎo)致水生生物大量死亡，嚴(yán)重破壞水生態(tài)系統(tǒng)和水體使用功能的主因。因此，在大量野外觀察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析制訂的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)更具說明性和科學(xué)性[3]。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開展了湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究工作，初步形成了湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究體系。我國(guó)從2008年開始在湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)方面開展了大量的研究工作，并獲得了系列研究成果。本文系統(tǒng)綜述了國(guó)內(nèi)外湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的最新研究進(jìn)展，并結(jié)合我國(guó)湖泊的區(qū)域自然特征及污染狀況，提出了我國(guó)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)。

1 國(guó)外湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究進(jìn)展

美國(guó)是最早開展?fàn)I養(yǎng)物基準(zhǔn)研究的國(guó)家，在1998年制訂了區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)國(guó)家戰(zhàn)略[2]，并先后完成了湖泊水庫(kù)、河流、河口海岸和濕地的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南。歐洲2000年頒布的最新水法《水框架指南》(WFD)也開始對(duì)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)進(jìn)行研究[5]。

參照狀態(tài)的確定是營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂的核心內(nèi)容。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)建議采用統(tǒng)計(jì)分析、模型預(yù)測(cè)與推斷、古湖沼學(xué)法以及專家判斷等方法建立各州及部落的參照狀態(tài)[3]。綜合考慮歷史記錄調(diào)查、參照狀態(tài)建立、模型應(yīng)用、專家評(píng)價(jià)和對(duì)下游影響5個(gè)方面制訂科學(xué)合理的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)[3]。2010年US EPA編制的《利用壓力-響應(yīng)關(guān)系推斷數(shù)字化營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)》指南，將營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法分為參照狀態(tài)法、機(jī)理模型法和壓力-響應(yīng)關(guān)系3類，重點(diǎn)發(fā)展了代表氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度與初級(jí)生產(chǎn)力關(guān)系的壓力-響應(yīng)關(guān)系，詳細(xì)闡述了采用簡(jiǎn)單線性回歸、多元線性回歸及非參數(shù)拐點(diǎn)分析等建立壓力-響應(yīng)關(guān)系確定湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的方法體系[6]。US EPA根據(jù)影響營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的各種因素(如地貌、土壤、植被和土地利用等)將美國(guó)大陸劃分為14個(gè)具有相似地理特征的生態(tài)集中區(qū)，并繪制了不同分辨率水平和集合體的美國(guó)生態(tài)區(qū)域圖。在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用基于頻數(shù)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建議并制訂了生態(tài)區(qū)域化的總氮(TN)、總磷(TP)、透明度(SD)和葉綠素a(Chl a)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值[3,7]。歐洲各國(guó)依據(jù)流域因素(如物種的地理特性、地質(zhì)及海拔)和湖泊因素(如湖泊深度、面積及水體色度)等地理學(xué)差異對(duì)水體類型進(jìn)行分類，采用與美國(guó)相似的方法為不同的生態(tài)質(zhì)量系統(tǒng)制訂了適合的區(qū)域化參照狀態(tài)，完成了歐洲各區(qū)域不同類型湖泊TP和Chl a參照狀態(tài)的確定[8-10]。

1.1 統(tǒng)計(jì)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法在湖泊區(qū)域差異性調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)流域特征相似的湖泊收集的大量歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌分析，科學(xué)估算歷史觀測(cè)值并補(bǔ)充采樣數(shù)據(jù)，支撐湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂的科學(xué)性和合理性。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法通常包括參照湖泊法、群體分布法和三分法[3]。參照湖泊法適宜于受人類擾動(dòng)較少的湖泊流域，一般選用參照湖泊頻數(shù)分布的上1/4點(diǎn)位作為其參照狀態(tài)[11]。群體分布法是在區(qū)域參照湖泊數(shù)量不足的情況下，選取整個(gè)區(qū)域的湖泊群體為樣本(已知遭受嚴(yán)重?fù)p害的湖泊可排除在樣本之外)，采用群體頻數(shù)分布的下5%～25%作為參照狀態(tài)[3]。三分法是將1/3的水質(zhì)數(shù)據(jù)(按水質(zhì)由好到差的順序排列)的頻數(shù)中位數(shù)選作該區(qū)湖泊的參照狀態(tài)，不適用于人類影響干擾強(qiáng)烈的區(qū)域[12]。

統(tǒng)計(jì)分析法被美國(guó)和歐洲等國(guó)家廣泛應(yīng)用于營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂。Dodds等[12-13]在流域內(nèi)人為土地利用類型與營(yíng)養(yǎng)物濃度之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合參照湖泊法和三分法建立了美國(guó)堪薩斯州不同區(qū)域湖庫(kù)的參照狀態(tài)，分析得到該州湖庫(kù)的參照狀態(tài)與中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。Suplee等[14]采用參照狀態(tài)法和湖泊群體分布法確定了美國(guó)蒙大拿州不同生態(tài)區(qū)及不同季節(jié)溪流的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)了2種統(tǒng)計(jì)方法得到結(jié)果的一致性，研究發(fā)現(xiàn)參照湖泊頻數(shù)分布的75%的營(yíng)養(yǎng)物水平可能與全體湖泊頻數(shù)分布的4%～97%相當(dāng)。Snchez-montoya等[15]采用參照河段法和群體分布法確定了歐洲地中海不同類型溪流的參照狀態(tài)，并將最低限值作為具有季節(jié)性差異變量的參照狀態(tài)。Cunha等[16-17]利用專家判斷和三分法相結(jié)合的方法確定了巴西圣保羅州亞熱帶溪流和水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)，同時(shí)對(duì)溪流參照點(diǎn)和非參照點(diǎn)得到的基準(zhǔn)進(jìn)行相互驗(yàn)證。

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的主要假設(shè)是湖泊群體中至少含有一些高質(zhì)量的湖泊，通過百分?jǐn)?shù)點(diǎn)位來確定參照狀態(tài)，結(jié)果容易受樣本量大小和豐富度的影響。利用湖泊監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)建立參照狀態(tài)最為合適，但是許多湖泊的歷史監(jiān)測(cè)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，因此需要結(jié)合其他方法來共同確定湖泊營(yíng)養(yǎng)物的參照狀態(tài)。

1.2 壓力-響應(yīng)模型

壓力-響應(yīng)模型是在歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)湖泊的典型流域及水文特征，考慮自然演變和人類活動(dòng)的雙重影響及時(shí)空分布特征，通過構(gòu)建概念模型來表征營(yíng)養(yǎng)物的生態(tài)效應(yīng)并闡明壓力變量和響應(yīng)變量之間的響應(yīng)關(guān)系，考慮與水體指定用途相關(guān)的響應(yīng)變量的生物閾值或生態(tài)毒理閾值，從中推斷湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的方法。壓力-響應(yīng)關(guān)系模型反映水體營(yíng)養(yǎng)物與湖泊初級(jí)生產(chǎn)力之間的定量關(guān)系，對(duì)受人類擾動(dòng)強(qiáng)烈的湖泊有較強(qiáng)的適用性。該模型通過響應(yīng)變量將營(yíng)養(yǎng)物與水體指定用途、生物毒理閾值等聯(lián)系起來[6]，對(duì)制訂不同污染程度湖泊的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)發(fā)揮著重要的作用。壓力-響應(yīng)模型在闡明營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，不僅考慮了單因子效應(yīng)，而且綜合了因子間交互作用的影響[18]。壓力-響應(yīng)模型的構(gòu)建為湖泊的生態(tài)分區(qū)、季節(jié)性差異等提供支撐，能夠針對(duì)不同季節(jié)和不同分區(qū)湖群確立營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值。

生物響應(yīng)與營(yíng)養(yǎng)物濃度梯度之間的關(guān)系通常是很細(xì)微的，有時(shí)很難通過線性響應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)[19]；而生態(tài)變量對(duì)環(huán)境梯度的響應(yīng)也會(huì)呈現(xiàn)出非線性、非正態(tài)和異質(zhì)性等特點(diǎn)[20]。因此，需要采用多種方法構(gòu)建壓力變量和響應(yīng)變量之間的線性或非線性關(guān)系以推斷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。如Qian等[21]采用非參數(shù)拐點(diǎn)和貝葉斯拐點(diǎn)對(duì)壓力變量與響應(yīng)變量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行分析，確定了佛羅里達(dá)Everglades的環(huán)境閾值。Lamon等[4]以lg TN和lg TP為預(yù)測(cè)變量，lg Chl a為響應(yīng)變量，采用貝葉斯多層次模型建立美國(guó)不同區(qū)域、不同類型湖泊的壓力-響應(yīng)關(guān)系，并對(duì)獲得基準(zhǔn)的可達(dá)性進(jìn)行了概率分析。Ramin等[22]采用數(shù)值化模型和貝葉斯模型相結(jié)合推斷得到了加拿大哈密爾頓港口TP和Chl a的基準(zhǔn)，并提出為增加滿足水質(zhì)目標(biāo)可能性需要采取的修復(fù)措施。Haggard等[19]采用線性回歸和分類回歸樹相結(jié)合的方法確定了美國(guó)紅河流域的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)閾值。Stow等[23]利用貝葉斯層次模型評(píng)價(jià)美國(guó)休倫湖薩吉諾灣目標(biāo)濃度在時(shí)間和空間尺度上的一致性。Qian等[24]提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合的連續(xù)變量貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模框架，并應(yīng)用該建模方法確定了美國(guó)俄亥俄州溪流的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。

1.3 模型推斷法

運(yùn)用模型推斷法來制訂湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，在美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展比較成熟[5]。模型推斷法的優(yōu)點(diǎn)是能夠建立連續(xù)的評(píng)價(jià)基線，對(duì)生態(tài)分區(qū)湖泊的環(huán)境條件要求不高，可用于流域受人類影響較嚴(yán)重的湖泊，但是需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。US EPA推薦用土壤形態(tài)指數(shù)(MEI)法和總量平衡模型法推斷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)[3]。土壤形態(tài)指數(shù)是總?cè)芙庑怨腆w濃度與平均水深的比值，由于電導(dǎo)率和堿度受人類活動(dòng)的影響較少，可將其作為制訂總磷參照基準(zhǔn)的預(yù)測(cè)指標(biāo)。Cardoso等[8]利用MEI-TP模型推斷了歐洲4個(gè)區(qū)域湖泊營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)并與頻數(shù)分布法得到的參照狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分析表明2種方法得到的結(jié)果具有很好的一致性?？偭科胶饽Ｐ褪歉鶕?jù)湖泊負(fù)荷和湖泊水文學(xué)知識(shí)來估計(jì)物質(zhì)(基本營(yíng)養(yǎng)物)濃度的方法，該模型本身不能建立參照狀態(tài)，但是在給定的負(fù)荷條件下，能預(yù)測(cè)營(yíng)養(yǎng)物的濃度。US EPA[3]采用總量平衡模型來推導(dǎo)參照狀態(tài)需要對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷的自然背景值進(jìn)行估測(cè)，將頻數(shù)分布法與負(fù)荷和總量平衡模型相結(jié)合，估計(jì)美國(guó)俄亥俄州湖泊營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)，研究表明，該法只適用于以河流給水的湖泊。

當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物濃度超過了一定的臨界值，富營(yíng)養(yǎng)化將導(dǎo)致淺水湖泊從清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)至濁水穩(wěn)態(tài)。Janse等[25]采用PCLake生態(tài)模型推測(cè)歐洲湖泊營(yíng)養(yǎng)物的臨界閾值，即關(guān)于營(yíng)養(yǎng)物循環(huán)以及包括浮游植物、大型植物及簡(jiǎn)易食物鏈在內(nèi)的生物區(qū)系的動(dòng)力學(xué)模型，能針對(duì)不同湖泊類型依據(jù)的臨界磷負(fù)荷來計(jì)算臨界閾值。方差的增加可以作為生態(tài)系統(tǒng)躍遷的預(yù)警指標(biāo)，干擾后生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)速率可作為恢復(fù)力和系統(tǒng)躍遷的指示因子，可以通過模型和實(shí)際數(shù)據(jù)分析的偏度(skewness)來預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換。研究表明，瑞典淺水湖泊清濁轉(zhuǎn)換的TP濃度閾值為70～100 mg/m3，TN濃度閾值為1 700 mg/m3[26]；荷蘭湖泊清濁轉(zhuǎn)換時(shí)TP濃度閾值為30～50 mg/m3，TN濃度閾值為1 000 mg/m3[27]。

此外，MONERIS、SPARROW、SWAT等模型也被應(yīng)用于營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂。Hirt等[28]利用MONERIS模型重建了德國(guó)波羅的海流域營(yíng)養(yǎng)物釋放的4種情景，并確定了該區(qū)域河流的營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)，得到的結(jié)果與相似流域其他河流利用歷史數(shù)據(jù)計(jì)算的原始營(yíng)養(yǎng)物濃度具有較好的一致性。Kim等[29]將SPARROW模型與復(fù)雜的富營(yíng)養(yǎng)化模型相結(jié)合，重現(xiàn)了加拿大哈密爾頓港口磷的循環(huán)過程。Makarewicz等[30]研究認(rèn)為，利用SWAT模型能夠消除人類活動(dòng)對(duì)土地利用類型的影響，通過對(duì)自然狀態(tài)進(jìn)行模擬并預(yù)測(cè)參照狀態(tài)的特點(diǎn)，確定了美國(guó)杰納西河流域大小河流的營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)。Salerno等[31]評(píng)價(jià)了MEI指數(shù)模型、輸出系數(shù)模型、硅藻/Chl a-TP模型推斷歐洲35個(gè)亞高山湖泊TP參照狀態(tài)的不確定性和精確度，提出了基于流域的過程方法來充分預(yù)測(cè)研究湖泊的參照狀態(tài)，研究表明，與其他方法相比流域過程方法具有更低的不確定性。

1.4 古湖沼學(xué)法

湖泊沉積具有儲(chǔ)存信息量大、沉積連續(xù)性好及地理覆蓋面廣等特點(diǎn)[8,32]。盡管湖泊沉積在反映環(huán)境變化方面仍然存在定年欠精確、時(shí)間分辨率不高等不足；但其可以提供長(zhǎng)時(shí)間尺度的環(huán)境演變序列，滿足長(zhǎng)周期氣候環(huán)境變化研究的需要，也可以得到年左右的較高分辨率的記錄。在恢復(fù)和重塑各種短時(shí)間尺度的氣候和環(huán)境演化序列上，沉積物反演具有其他自然歷史記錄無法替代的優(yōu)勢(shì)。

硅藻定量化是利用硅藻-TP的轉(zhuǎn)換函數(shù)重建湖泊TP濃度的本底值，來預(yù)測(cè)過去湖水TP濃度的變化，是古湖沼學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。如Bennion等[32-33]利用古湖沼學(xué)法中沉積物化石硅藻和硅藻-TP轉(zhuǎn)化函數(shù)確定了蘇格蘭淡水湖泊和其他9個(gè)歐洲富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生物和化學(xué)參照狀態(tài)，并利用相似性匹配技術(shù)識(shí)別出富營(yíng)養(yǎng)化湖泊適合的參照點(diǎn)。Heinsalu等[34]利用古湖沼學(xué)方法中沉積物硅藻聚合物和間隙水溶解性有機(jī)物的組分評(píng)價(jià)了長(zhǎng)期受人類活動(dòng)影響的歐洲大型淺水湖泊Peipsi湖的近期富營(yíng)養(yǎng)化演變趨勢(shì)，并識(shí)別出可能的參照狀態(tài)。Hausmann等[35]利用美國(guó)新澤西州和中大西洋的硅藻群落數(shù)據(jù)構(gòu)建了硅藻-生物濃度梯度模型，評(píng)價(jià)了該區(qū)域溪流的受污染程度并確定了其營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。但是，硅藻在死亡后可能會(huì)發(fā)生分解，化石硅藻與活性硅藻存在差異，化石硅藻的信息可能存在偏差，難以指示湖泊的環(huán)境演變，特別是近代湖泊的環(huán)境演變。因此，可以考慮采用不同沉積年代穩(wěn)定C、N同位素及其他指標(biāo)的變化，結(jié)合流域土地利用、人口、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的歷史變化，區(qū)分不同時(shí)期磷的主要來源，推演湖泊的演替過程。

確定營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，通常多種方法結(jié)合得到的結(jié)果較好。如Poikāne等[11]采用參照湖泊法、模型推斷法和古湖沼學(xué)法相結(jié)合的方法對(duì)歐洲5個(gè)生態(tài)區(qū)不同類型湖泊確定了Chl a的參照狀態(tài)。Heatherly[36]利用群體分布法、參照河段法、營(yíng)養(yǎng)物與土地利用類型之間的模型推斷法、營(yíng)養(yǎng)物與無脊椎動(dòng)物和魚類種群建立的壓力-響應(yīng)模型推斷了美國(guó)內(nèi)布拉斯加州流域以農(nóng)業(yè)活動(dòng)為主的溪流的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，并對(duì)幾種方法得到的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值進(jìn)行了比較。表1列出了國(guó)外營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法的應(yīng)用案例。

表1 國(guó)外營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法的應(yīng)用

(續(xù)表1)

2 我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究進(jìn)展

我國(guó)湖泊眾多、類型多樣、營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)效應(yīng)區(qū)域差異性顯著，且廣泛面臨著不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化?，F(xiàn)階段用于湖泊保護(hù)和富營(yíng)養(yǎng)化控制的管理依據(jù)是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[37]，其標(biāo)準(zhǔn)值的確定缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐，沒有考慮營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，更沒有考慮區(qū)域差異性。因此，建立適當(dāng)?shù)暮礌I(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)已經(jīng)成為管理機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)，針對(duì)不同分區(qū)湖泊系統(tǒng)特點(diǎn)、生態(tài)特征和營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)效應(yīng)制訂區(qū)域化營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，有利于更好地為科學(xué)研究和政策管理服務(wù)。我國(guó)從2008年開始在“水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)”的支持下，開展了基于區(qū)域特征差異的湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法學(xué)研究，取得了系列研究成果。

2.1 營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)

姜甜甜等[38-39]基于影響區(qū)域湖泊營(yíng)養(yǎng)物效應(yīng)差異性的因素，包括氣候(如降水和溫度)、地形(如海拔和地貌)和濕潤(rùn)指數(shù)等指標(biāo)，考慮我國(guó)水資源三級(jí)分區(qū)的邊界以及省級(jí)行政界限，提出了基于主成分分析、聚類分析、判別分析和空間自相關(guān)的分區(qū)模型，并嘗試對(duì)云貴高原湖區(qū)和湖北省進(jìn)行湖泊營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)。張德祿等[40]構(gòu)建了湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽水生態(tài)分區(qū)的指標(biāo)體系，為中國(guó)基于營(yíng)養(yǎng)鹽的湖泊水生態(tài)分區(qū)提供了基礎(chǔ)。姜甜甜等[41-42]綜合運(yùn)用主成分分析、聚類分析、判別分析、地理信息系統(tǒng)分析、空間自相關(guān)和空間融合等技術(shù)方法，將全國(guó)劃分為東北中溫帶濕潤(rùn)亞濕潤(rùn)區(qū)、甘新中溫帶暖溫帶干旱區(qū)、寧蒙中溫帶亞干旱區(qū)、青藏高原、華北平原暖溫帶亞濕潤(rùn)區(qū)、云貴高原亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)、中東部平原亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)、東南熱帶濕潤(rùn)區(qū)8個(gè)湖泊營(yíng)養(yǎng)物一級(jí)生態(tài)區(qū)?？滦吕萚43-45]從自然地理要素、生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)3個(gè)方面建立指標(biāo)體系，采用雙約束空間聚類與層次分析法、遙感反演及粗糙集理論相結(jié)合的方法分別對(duì)中東部平原亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)、云貴高原亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)和東北區(qū)進(jìn)行了二級(jí)生態(tài)區(qū)的劃分。這些研究為我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)奠定了一定的基礎(chǔ)，使湖泊生態(tài)分區(qū)的科學(xué)性、合理性和實(shí)用性逐步得到體現(xiàn)。

2.2 湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂方法研究

我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究初期主要是借鑒和參考發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，如霍守亮等[46-47]重點(diǎn)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)的選取原則和參照狀態(tài)制訂的方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，闡述了各種方法在我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂中的可行性和適用性。陳奇等[48-51]在對(duì)國(guó)際參照狀態(tài)法研究的基礎(chǔ)上，嘗試以巢湖、太湖和邛海等單個(gè)湖泊為例應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析法和基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的模型反演法制訂了TP、TN、SD和Chl a的參照狀態(tài)。隨后，Huo等[52-56]采用US EPA推薦的參照湖泊法、湖泊群體分布法、三分法和模型推斷等方法對(duì)云貴、東部、東南、東北和甘新等典型湖泊一級(jí)生態(tài)區(qū)進(jìn)行了案例研究，綜合分析了這些方法在我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂過程中的適用性，建立了以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為主，綜合考慮歷史反演法和模型推斷法的不同分區(qū)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂技術(shù)方法。

參照湖泊法、湖泊群體分布法和三分法較適合對(duì)那些能夠獲得參照湖泊的區(qū)域制訂營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。由于我國(guó)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)不同程度地受到工業(yè)化、城鎮(zhèn)化及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等人類擾動(dòng)的影響，大多數(shù)湖泊生態(tài)區(qū)不宜獲得不受人類活動(dòng)影響或受人類活動(dòng)影響較小的參照點(diǎn)。通過系統(tǒng)研究，構(gòu)建了壓力-響應(yīng)系列模型來制訂我國(guó)受人類活動(dòng)影響較嚴(yán)重湖泊的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)[57]。采用線性回歸模型和貝葉斯層次回歸模型確定壓力-響應(yīng)變量之間可能存在的線性關(guān)系；采用分類回歸樹分析和拐點(diǎn)分析可以揭示壓力-響應(yīng)變量之間可能存在的非線性關(guān)系，確定響應(yīng)變量隨壓力梯度變化的響應(yīng)閾值；采用分類回歸樹分析可以確定影響響應(yīng)變量的主要壓力因素。

采用線性回歸模型和貝葉斯層次線性回歸模型建立壓力-響應(yīng)關(guān)系確定湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)時(shí)，需要在給定響應(yīng)變量基準(zhǔn)值的情況下推斷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。響應(yīng)變量基準(zhǔn)值的設(shè)定會(huì)引入一定程度的人為因素，而且許多國(guó)家對(duì)響應(yīng)變量的設(shè)定值有所不同。我國(guó)為了保護(hù)水體的飲用水功能不被破壞，主要以保證水體飲用水功能為依據(jù)設(shè)定Chl a的基準(zhǔn)值。同時(shí)，由于不同湖泊區(qū)域藻類與營(yíng)養(yǎng)物響應(yīng)水平及藻毒素產(chǎn)生條件的差異，不同湖泊生態(tài)區(qū)設(shè)定的Chl a基準(zhǔn)值不同。如云貴湖泊生態(tài)區(qū)設(shè)定的Chl a基準(zhǔn)值為2 μg/L[58]；中東部湖泊生態(tài)區(qū)設(shè)定的基準(zhǔn)值為5 μg/L[59]。線性回歸模型和貝葉斯層次線性回歸模型較適合對(duì)受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重且壓力變量與響應(yīng)變量線性關(guān)系良好的區(qū)域建立營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)。在營(yíng)養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用線性回歸模型建立了我國(guó)云貴高原湖區(qū)和東部湖區(qū)不同類型湖泊的壓力-響應(yīng)關(guān)系并推斷得到了相應(yīng)的基準(zhǔn)值[58-59]。在單個(gè)湖區(qū)適用性研究的基礎(chǔ)上，采用線性回歸模型對(duì)全國(guó)7個(gè)湖泊生態(tài)區(qū)建立壓力-響應(yīng)關(guān)系，并對(duì)不同湖區(qū)得到的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)進(jìn)行比較研究[42]，取得了較好的研究成果。同時(shí)采用土地利用類型-營(yíng)養(yǎng)物的多元線性回歸模型，確定了云貴湖區(qū)湖泊的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)值[60]。

通過分類回歸樹模型和拐點(diǎn)分析法能夠較客觀地得到響應(yīng)變量發(fā)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)物拐點(diǎn)濃度，不需要事先設(shè)定壓力變量與響應(yīng)變量之間的關(guān)系，也不需要假定響應(yīng)變量的閾值，消除了人為設(shè)定響應(yīng)基準(zhǔn)的主觀偏見。這2種方法適用于響應(yīng)變量與營(yíng)養(yǎng)物濃度梯度之間不能用線性關(guān)系表示，湖泊水質(zhì)變量不能滿足線性回歸中設(shè)定的假設(shè)條件，生態(tài)變量對(duì)環(huán)境梯度的響應(yīng)呈現(xiàn)非線性、非正態(tài)和異質(zhì)性等特點(diǎn)的區(qū)域。通常情況下2種方法得到的基準(zhǔn)值可以相互驗(yàn)證，以提高推斷營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。Huo等[61]在全國(guó)湖泊分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用分類回歸樹與拐點(diǎn)分析相結(jié)合的方法，考慮季節(jié)性因素確定七大湖泊生態(tài)區(qū)的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)閾值，對(duì)我國(guó)湖泊營(yíng)養(yǎng)物與響應(yīng)變量之間存在的非線性關(guān)系進(jìn)行了開拓性的研究。太湖是受人類活動(dòng)影響較大的淺水湖泊，吳超等[62]采用非參數(shù)分析法和線性回歸法相結(jié)合分別建立了壓力-響應(yīng)模型，對(duì)2種方法進(jìn)行相互驗(yàn)證確定了太湖的營(yíng)養(yǎng)物參照狀態(tài)。Zhang等[63]綜合采用加速回歸樹、非參數(shù)拐點(diǎn)分析和閾值指標(biāo)類群分析法，以硅藻為生物響應(yīng)變量確定長(zhǎng)江中下游平原湖泊特定分類和種群的營(yíng)養(yǎng)物拐點(diǎn)。Zhang等[64]采用分類回歸樹模型、非參數(shù)拐點(diǎn)分析和貝葉斯拐點(diǎn)分析3種非線性方法確定了我國(guó)不同人類干擾強(qiáng)度和富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)下9個(gè)典型湖泊的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，并建立了生態(tài)演替梯度隨人類干擾變化的概念模型。

3 湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨挑戰(zhàn)

國(guó)際上推薦采用參照湖泊法制訂湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)，因?yàn)閰⒄蘸醋钅苷鎸?shí)反映某一湖區(qū)的原始狀態(tài)，但目前尚未形成統(tǒng)一的量化篩選參照湖泊的標(biāo)準(zhǔn)方法，而且氣候變暖和大氣污染等問題也使參照點(diǎn)的獲得變得越來越不可能，尤其是淺水湖泊。機(jī)理模型法需要大量的數(shù)據(jù)資料來構(gòu)建表征水體特征的函數(shù)模型，并率定相關(guān)參數(shù)以保證模型的可靠性。機(jī)理模型的復(fù)雜性使?fàn)I養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂普遍存在較大難度。壓力-響應(yīng)關(guān)系模型的研究將成為湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂的發(fā)展方向。同時(shí)，湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂面臨以下幾個(gè)方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)：

(1)深入開展壓力-響應(yīng)模型機(jī)理的研究工作。不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化過程對(duì)基準(zhǔn)的影響，及營(yíng)養(yǎng)物聯(lián)合作用的生態(tài)效應(yīng)尚不清楚，藻類等初級(jí)生產(chǎn)力在不同營(yíng)養(yǎng)水平下的環(huán)境行為和效應(yīng)差異，及其對(duì)基準(zhǔn)的影響還需深入系統(tǒng)研究。同時(shí)，物種的生物地理學(xué)特性，湖泊的流域面積，水體的鹽度、色度、懸浮物含量等環(huán)境因素能夠影響氮磷等營(yíng)養(yǎng)物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，進(jìn)而混淆營(yíng)養(yǎng)物與藻類之間的壓力-響應(yīng)關(guān)系。因此，需要深入開展壓力-響應(yīng)模型機(jī)理的研究工作，并在分類的基礎(chǔ)上消除混淆因素對(duì)壓力-響應(yīng)關(guān)系的影響。對(duì)某些線性壓力-響應(yīng)關(guān)系不適用的湖泊可以采用多種非線性壓力-響應(yīng)關(guān)系確定其營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)閾值。

(2)開展水生態(tài)基準(zhǔn)與富營(yíng)養(yǎng)化之間關(guān)系研究。營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究的目的是控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，同一營(yíng)養(yǎng)物水平對(duì)不同湖泊造成的生態(tài)響應(yīng)不同，如停留時(shí)間較長(zhǎng)的湖泊藻類易大量繁殖形成富營(yíng)養(yǎng)化，而停留時(shí)間較短的湖泊營(yíng)養(yǎng)物難以在短期內(nèi)聚集。需要在不同的水文水動(dòng)力等條件下開展?fàn)I養(yǎng)物對(duì)生物響應(yīng)關(guān)系的研究，將藻華暴發(fā)機(jī)理與營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂相結(jié)合，有利于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的有效預(yù)防和控制。

(3)開展?fàn)I養(yǎng)物基準(zhǔn)與浮游動(dòng)植物之間響應(yīng)關(guān)系的研究，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)對(duì)特殊敏感種群的關(guān)系研究。如硅藻的相對(duì)豐度和豐富度為環(huán)境壓力變化和其適應(yīng)條件提供多元敏感指數(shù)，能夠描述湖泊生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和功能性。因此，硅藻能夠?qū)?fù)雜的因子關(guān)系進(jìn)行決策，確定生態(tài)退化的營(yíng)養(yǎng)物濃度閾值，從而對(duì)確定的營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)的制訂應(yīng)與湖泊管理的需求緊密結(jié)合。加快營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)向標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)轉(zhuǎn)化，建立以富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的湖泊管理框架和營(yíng)養(yǎng)物削減技術(shù)體系。研究和發(fā)展與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化控制有關(guān)的配套管理政策，包括營(yíng)養(yǎng)物削減系統(tǒng)；反降級(jí)政策、總量控制政策、考慮對(duì)下游水體的影響及補(bǔ)償政策和營(yíng)養(yǎng)物削減交易政策等。

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Progress in research on lake nutrient criteria

HUO Shouliang, MA Chunzi, XI Beidou, HE Zhuoshi

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Lake nutrient criteria provide science foundation and important tools for the comprehensive evaluation, prevention, control and management of lake eutrophication. The latest research progress of lake nutrient criteria was discussed, and the advantages, disadvantages and applicability of the different methods, such as statistical analysis, stressor-response model, model extrapolation and paleolimnology, analyzed. The development tendencies and the challenges of determining nutrient criteria were discussed. Reference lakes can reflect the original state of lakes, but reference sites were unavailable. The model extrapolation required sufficient data to identify the appropriate equations for characterizing a waterbody or group of waterbodies, which enhanced the difficulty of nutrient criteria setting. The stressor-response model would become the development direction of nutrient criteria, and the mechanism of stressor-response model should be further studied. On the basis of research on the relationships between water ecological criteria and eutrophication, and the response of nutrient criteria to plankton and to special sensitive species, the establishment of nutrient criteria should be closely integrated with the requirements of lake management.

lake nutrient criteria; ecoregion; reference condition; stressor-response model

2016-08-15

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07101-002)

霍守亮(1981—)，男，研究員，博士，主要從事流域水污染控制及營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)研究，huoshouliang@126.com

*通信作者：馬春子(1986—)，女，工程師，碩士，主要從事營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究，xiaomachunzi@163.com

X524

1674-991X(2017)02-0125-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.019

霍守亮，馬春子，席北斗,等.湖泊營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(2):125-133.

HUO S L,MA C Z,XI B D,et al.Progress in research on lake nutrient criteria[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):125-133.