国内外湖泊营养物基准的研究及启示

徐菡玲，张海平

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)



国内外湖泊营养物基准的研究及启示

徐菡玲，张海平

(同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092)

指出了湖泊营养物基准对水体富营养化防治和水质保障十分重要。阐述了国内外湖泊营养物基准的研究进展及其制定的思路和方法。针对我国在该研究方面存在的问题，提出了可借鉴国外成熟经验，对压力-响应法开展研究，该方法可为我国湖泊营养物基准的制定提供方法基础，并继续对水体富营养化机制进行研究，为湖泊营养物基准制定提供理论指导。

富营养化；氮磷营养物；水生态；营养物指标；压力-响应模型

1　引言

水质基准是为支持和保护水的某种指定用途所建议的水质标值，能代表水体的物理、化学、生物等特征，反映了水生态系统的质量状况。水质标准是将水质基准转化成环境法规条例中规定的必须强制实施的水质浓度。一个完整的水质标准体系应该包括基准和标准两部分，其中水质基准是制定水质标准的科学依据。

根据水质基准的制定方法，它可以分为两类：一是毒理学基准，在大量科学实验和研究的基础上制定，如人体健康基准、水生生物基准等；二是生态学基准，在大量现场调查的基础上通过统计学分析制定，如营养物基准等。湖泊营养物基准是营养物在湖泊中产生的生态效应及其功能或用途的营养物的浓度或水平，是湖泊富营养化控制标准的理论基础和科学依据[1]。笔者综述了国内外关于湖泊营养物基准制定的一些研究以及国内对湖泊营养物基准的初步研究与应用，分析了我国在营养物基准制定过程中存在的问题和从国外的研究中得到的启示。

2　国内外湖泊营养物基准制定的理念、思路和方法

湖泊营养物基准主要包括营养物变量、生物学变量和流域特征等指标[1]，可以是数值型的，也可以是叙述型的或者二者相结合的，体现了受到人类开发活动影响程度最小的地表水体富营养化的情况[2]。营养物是湖泊中的水生生物所必需的，湖泊中的氮磷等营养物在浓度较低时，不会对水生生物和人体产生毒害作用，可以维持健康的生态系统。氮磷的过量输入导致湖泊富营养化的问题日益严重，因为过量的营养物会刺激浮游藻类的过度增长，最终干扰水生生物的正常生长、娱乐和饮用水供应的功能，导致水生生物的死亡和水生态系统的破坏。近年来，随着人口的急剧增长、工业和农业的飞速发展以及人类对自然资源的过度开发，世界范围内的水体富营养化问题十分突出，严重阻碍了经济和社会的可持续发展，研究者对可能引起富营养化的重要因素氮磷等营养物基准比较关注，因此营养物基准的制定对人类活动对水生态系统的影响的评价，河流湖泊等水体营养状态的评价和水质的保护十分重要。

目前湖泊营养物基准的研究时间较短，国际上尚未建立起系统的营养物基准方法学体系。近年来许多国家和地区都在加紧开展相关的研究，以满足当地的湖泊管理需求。美国是最早开始研究水质基准的国家，在推动国际湖泊营养物基准的研究方面起了重要的作用。美国和欧洲确定湖泊参照状态的方法基本类似，主要包括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等[3]。目前我国还没有形成清晰的水质标准体系结构，现行的水质标准中营养物标准的制定缺乏营养物基准的研究，尚未建立起适合我国水生态系统保护的营养物基准体系。

2.1美国湖泊营养物基准制定的理念、思路和方法

在湖泊营养物基准制订过程中，湖泊营养物基准指标及其参照状态的合理确定是基准制订的重要基础。根据美国国家环境保护局(United States Environment Protection Agency，US EPA)制定的湖泊与水库的营养物基准技术指南，湖泊与水库的水体富营养化基准指标有4项，包括引起富营养化的2项主要指标—氮磷营养盐和两项生物反应变量—藻类的叶绿素含量和塞氏透明度或藻类浊度。总氮(Total Nitrogen, TN)和总磷(Total Phosphorus, TP)是引起富营养化的原因变量，叶绿素和透明度是初始反应变量。反应变量可以清楚地表明问题的存在，但是有时候，虽然水体看起来很清澈，却有异常高的氮磷浓度。氮对大多数淡水湖泊来说，不是主要的影响因素。氮和磷是湖泊中藻类植物生长所必须的营养盐，通常认为磷是调节湖泊藻类生长速度的营养盐，也是最易被控制的。因此，磷是湖泊和水库富营养化问题的主要变量。

US EPA于1998年发布了“制定区域营养物基准的国家战略”[2]，编制了湖泊水库、河流、河口海湾和湿地4种类型的营养物基准技术指南。US EPA推荐的制定营养物基准的方法主要有：参照状态法、机理模型法和压力—响应模型法[4]。以对湖泊和水库使用的参照状态法为例，首先确定生态区内参考湖泊的条件，对参考湖泊进行现场调查，然后对参考湖泊的营养物水平进行统计分析，将上等25%对应的值作为基准推荐值。在实际情况中，如果参考湖泊的数量不足，可以对所有湖泊进行统计分析，此时将下等25%对应的值作为营养状态基准值，见图1。US EPA认为，采用该参照状态法制定的基准值可以保护水体的指定用途，并给管理者一定的灵活性。但是，该标准值不是直接与指定用途相联系的，因为它没有解释基准指标和基准值指定的理由。

图1　利用统计学方法确定营养物基准的示意

美国将全国分成了14个生态区，分别颁布了各区湖泊和水库的营养物基准[5]，见表1。美国各州也陆续结合其自然、经济、社会和技术等条件，制定了对于不同指定用途水体的营养物基准。

表1　美国14个生态区的湖泊、水库营养物基准

2.2欧盟等国湖泊营养物基准制定的理念、思路和方法

从2008年开始，欧盟、澳大利亚等国也基于营养物的生态分区以科学地确定湖泊的营养物基准，对控制湖泊富营养化发挥了巨大作用[6]。欧盟国家在制定湖泊营养物基准的过程中比较注重生态指标的应用，比如藻类生物量、种群结构、水生昆虫、底栖动物等[7，8]。与美国类似，欧盟等也运用了参照状态法、输入-响应模型法和模型推断法等，根据不同的使用功能将水体划分为了不同类型。在营养物基准候选范围确定后，要考虑若干年后的有效性，所以要对其进行预测和验证，目前主要是使用灰色系统预测模型[9]，因为其它模型都需要丰富的数据，处理也比较困难。

采用SPSS 19.0统计学软件处理数据，计量资料采用（±s）表示，进行 t检验；计数资料采用[n（%）]表示，进行χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2.3我国湖泊营养物基准制定的初步理念、思路和方法及分析

我国的湖泊众多，这些湖泊在生态、经济和文化等方面发挥着重要的作用。同时，我国的湖泊富营养化问题也十分严重，但目前我国对于湖泊富营养化的研究处于起步阶段[10]，尤其缺乏在湖泊营养物基准方面的研究。我国目前控制湖泊富营养化的标准是《中华人民共和国地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，它主要参考了美国水质基准数据以及美国各州、日本、前苏联、欧洲等国家及地区的水质标准值。这个标准规定了不同水体的功能与相应的营养物标准，其中涉及到湖泊氮和磷的标准值，而这两项标准值主要是参考国外的相关资料而制定的[11]，不能科学地反映我国各个生态区的具体情况和对水生生物的保护要求，可能导致保护不到位或者过分保护的情况。因此，针对我国的具体情况来制定合理的湖泊营养物基准十分重要。

为了应对我国各地的区域差异性，国家“十一五”水体污染控制与治理科技重大专项“我国湖泊营养物基准和富营养化控制标准研究”(2009ZX07106-001)首次系统地开展了我国湖泊富营养化区域差异性调查与分析，建立了能反映区域差异的全国湖泊营养物生态分区理论和技术方法体系，完成了对全国8个一级分区和37个二级分区的研究，确定了典型湖区的营养物基准/标准[12]。

在借鉴国外最新研究成果的基础上，从2008年开始，我国开展了营养物基准的研究工作。基于对野外观察数据的分析，US EPA发展了代表氮磷营养物浓度与初级生产力关系的压力-响应模型[13]。根据给定的藻类生物量基准，压力-响应模型适用于推断受人类活动影响较严重的湖泊的营养物基准，以保护水体的指定用途。从2012年开始，为了应对我国各地的区域差异性，我国的湖泊营养物基准制定的压力-响应模型方法及案例研究得到了较为系统的发展。陈奇[14]针对东部平原湖区、蒙新高原湖区和云贵高原湖区3个区域的湖泊，探讨了营养物参照状态的建立方法，系统分析和评价了国外确定湖泊营养物参照状态的若干种方法，包括参照湖泊法、湖泊群体分布法、回归分析等几种统计学方法以及模型推断和古湖沼学重建方法。田志强[15]运用遥感反演法提出了内蒙古呼伦湖营养物基准值。纪丹凤等[16]从湖泊营养物基准入手，探讨制定我国湖泊营养物标准的方法，以期为现阶段我国营养物标准体系的制定提供技术参考。霍守亮等[10，17]通过数学统计的方法，提出了我国云贵髙原生态分区的营养物参照状态和基准值。我国的两个生态分区东部平原湖区[18]和东北地区[19]的湖泊营养物基准也陆续被提出。

一系列的研究已经表明，压力-响应关系法中的概念模型可以用于确定营养物变量和响应模型之间的可能路径，并且，单独分析这些可能的路径也有利于确定压力-响应模型的精度[20]，因此可以为我国湖泊营养物基准指标体系的建立提供理论依据。王骥等[21]结合压力-响应关系法中的概念模型图，与我国湖泊富营养化的实际情况相联系，提出了我国的湖泊营养物基准指标的优选方法。吴超等[22]针对太湖流域营养物基准进行了研究，将该流域湖泊的基本功能确定为娱乐、水生生物栖息地及饮用水，以此构建流域概念模型。选择压力变量为总氮、总磷和有机物，响应变量为叶绿素 a，建立了压力-响应模型以制定湖泊营养物基准。目前国内外都没有形成完整的湖泊营养物基准指标的优选方法，因此给湖泊营养物基准的制定带来一定的困难[24～27]。

3　目前我国湖泊营养物基准制定中的问题

我国的湖泊分布广泛、类型多样、成因和演化过程复杂，但水质和水生态的监测资料严重缺乏，湖泊流域受人类的扰动强度较大，US EPA推荐的参照湖泊法、湖泊群体分布法、三分法等被用于我国一些地区的案例研究，得出这些方法比较适合对那些能获得参照湖泊的区域制定营养物基准。但我国大多数的湖泊生态区不能找到不受人类活动影响或影响较小的参照湖泊，因此这些方法不适合我国，尤其是受人类活动影响较大的东部浅水湖泊。同时，这些方法在制定基准时也没有考虑水体的功能对营养物基准的影响。

在湖泊富营养化管理的方面，我国主要依据的是GB3838-2002。涉及营养物的标准值的确定时缺乏相应的数据支撑和营养物基准支撑，且缺乏针对不同区域特点的营养物基准，无法体现分区控制和分类指导，给我国湖泊富营养化问题的识别、评价和管理带来很大难度，难以达到我国水生态安全保障的基本目标。因此，目前急需按照“分区、分类、分期、分级”的总体思路来制定不同分区的湖泊营养物基准[6]。

4　研究展望

近年来国内的一些研究者对US EPA推荐的营养物基准制定方法之一——压力-响应法开展了一些研究。压力-响应法通过建立营养物指标与生态、健康指标之间的压力响应模型，适用于某些污染较为严重的地区。霍守亮等[23]建立了多个压力-响应模型，并在不同区域尺度开展了案例研究。压力-响应模型目前在美国和欧洲等的湖泊已经得到了较成功的应用，US EPA采用压力-响应模型推断得到了支持指定水体使用功能的数值化氮、磷标准。

压力-响应法适合在我国不同区域尺度开展案例研究，可以为我国湖泊营养物基准的制定提供方法基础。但是，目前压力-响应模型在我国并没有广泛用于湖泊营养物基准的制定，研究者可以应用当前可利用的压力-响应模型以确定我国湖泊营养物基准，并进行分区营养物基准的制定工作，尤其是对反映流域特征并受人类活动影响严重的区域[6]。

5　结语

目前研究者们对水体富营养化的机理还不完全了解，长远地看，应当认识到富营养化机制的研究十分重要。因此，国家需要给予更多的投入，用于更系统而深入的研究。国外对湖泊营养物基准的相关研究对我国有一些启示。

(1)我国的湖泊营养物基准研究起步较晚，不同地区的地理、生态、经济环境等情况差异很大，可以借鉴US EPA的生态分区方法，根据水生生物区系的地域性来划分不同的生态区域，相应地选取代表性的生物进行毒性试验研究，在明确的毒理学实验数据的基础上来进行湖泊营养物基准的研究。

(2)建立水体基本物理、化学和生物基础数据库是国际上在营养物基准及其他水质基准制订过程中首先开展的重点工作。我国可以借鉴US EPA的方法，系统考虑数据的采样站点、指标的分析方法、实验室质量控制等，对数据进行系统归类和删减，最终建立起完善的水体基本物理、化学和生物基础数据库，作为制定营养物基准的基础和前提。

(3)国家需要投入更多的人力、物力，相关研究者需对水体富营养化机制进行深入研究，在湖泊营养物基准的能够确定的基础上再制定出相应的水质标准，以充实我国的环境质量基准和环境质量标准的数据库，并且可以分析水质标准的实施对社会经济产生的影响。

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Domestic and International Researches on Lake Nutrient Criteria and the Enlightenment

Xu Hanling， Zhang Haiping

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

This paper pointed out that lake nutrient criteria was very important for prevention of eutrophication and guarantee of water quality. We expounded domestic and international research advances of lake nutrient criteria and outlined the ideas and methods of formulating lake nutrient criteria. Aiming at the problems in the study of lake nutrient criteria in China, we could refer to foreign relatively mature methods: studies on pressure-response method would provide methodological basis for formulating lake nutrient criteria in China and more studies on mechanism of eutrophication should be conducted, which could provide theoretical guidance for formulating lake nutrient reference in China.

eutrophication; nitrogen and phosphorus nutrients; water ecology; nutrient indicators; pressure-response model

2016-07-13

徐菡玲(1992—)，女，同济大学环境科学与工程学院环境科学硕士研究生。

张海平(1965—)，男，教授，主要从事区域水污染控制的教学与科研工作。

X832

A

1674-9944(2016)16-0103-04