河流营养物参照状态的建立方法研究进展

程鹏，李叙勇，孙明东

1.山西财经大学资源环境学院，山西 太原 030006；2.中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；3.中国环境科学研究院水环境科学研究所，北京 100012

富营养化是世界范围内影响水生态系统质量的最大问题（Baulch，2013）。评价河流的富营养化水平需要一个基准，通过其我们可以判断所评价河流目前的营养状态与期望状态之间的差距（Hawkins et al.，2010）。参照状态用来描述水质的自然状态，可用来确定当人类影响完全控制后，水质能够达到的最佳状态（Cunha et al.，2011）。因此，建立营养物参照状态是河流污染控制的关键问题之一（Dodds et al.，2004；Herlihy et al.，2008；McDowell et al.，2013）。

为了保护和提高河流的生态质量，许多国家已将参照状态的概念列入法律。在美国，1972年颁布了《清洁水法》，其主要目标是“恢复和维持全国河流的化学、物理和生物完整性”，该法案认为自然性是生态完整性的关键部分（Stoddard et al.，2006）。在欧盟，水框架指令采用参照状态法评价所有水体的生态状况（del Mar Sánchez-Montoya et al.，2012）。欧盟水框架指令的目标是所有地表水体达到良好状态，为了达到这一目标，欧盟国家对水体状态的定义做了统一规定，即采用地表水体特性（主要是生物集合体）最小干扰状态（称为“参考状态”）之间的偏差来表示水体状态（Pardo et al.，2012）。在澳大利亚和新西兰的双边协议中，将参照点放在一个特别强调的位置，参照点的生物和许多化学指标值被当做评价和维持生物多样性的基准（McDowell et al.，2013）。发达国家对建立营养物参照状态的研究经历了最初集中在湖泊和水库，随后逐渐扩展河流的过程（Dodds et al.，2004）。中国已根据区域特征和现有条件建立了全国湖泊的水质基准网络（Wu et al.，2010）。2008年启动了973项目“湖泊水环境质量演变与水环境基准”，其目标是建立湖泊水质基准框架。国家水体污染控制与治理科技重大专项针对不同流域水环境基准也开展了一系列研究，如“流域水环境质量基准与标准技术体系研究”和“重点流域优控污染物水环境质量基准研究”项目的启动，建立了中国水质基准研发与数据库平台，提出了一批适合中国国情的水质基准阈值（刘征涛，2018；刘征涛等，2014）。Huo et al.（2014）将中国划分为8个独立的湖泊生态区，并且建立了7个湖泊生态区的营养物参照状态。Xu et al.（2014）提出一种新的建立湖泊营养物参照状态的外插法。Chen et al.（2014）采用参照河流百分比、一般河流百分比法和多元线性回归模型法建立了曹娥江营养物参照状态。Cheng et al.（2018）则对河流营养物参照状态的季节性差异进行了研究。目前，中国已有较多针对湖泊营养物参照状态的综述研究（Huo et al.，2018；霍守亮等，2009；霍守亮等，2017；欧阳洋等，2011），尚未见对河流营养物参照状态开展的综述研究。

建立营养物参照状态是评价和提高地表水环境质量状况的重要前提（Dodds et al.，2009），而建立河流营养物参照状态同时又是一个特别困难的问题。下游河流的水质状态受整个上游流域的影响，而受人类活动最低程度影响的流域几乎是不存在的（Lewis，2002）。本文综述了国内外河流营养物参照状态的最新研究进展。首先对参照状态的概念进行了辨析，随后总结了目前文献中用来确定河流参照状态的各种方法及优缺点，最后对河流营养物参照状态的研究及在中国的应用进行了展望。

1 参照状态的定义

参照状态（Reference condition，RC）根据允许人类活动影响的程度可有多种含义：最小干扰状态（Stoddard et al.，2006）、历史状态（Wallin et al.，2003）、最少干扰状态（Davis，1995）和最佳可达成状态（USEPA，2000a）。其具体含义见下：

1.1 最小干扰状态

最小干扰状态（Minimally disturbed condition，MDC）描述的是河流没有受到明显人为干扰时的状态，是对生物完整性的最佳估计（Stoddard et al.，2006）。引入最小干扰的概念是由于不可能找到真正不受人类活动影响的采样点。最小干扰状态与自然背景值相类似（Smith et al.，2003）。

1.2 历史状态

历史状态（Historical condition，HC）描述了河流历史上某个时刻的状态。如果选择的历史节点是在人类活动干扰之前，它可能是真实参照状态（自然背景值）的准确估计。此外，许多其他历史节点时的状态也是可以的，如集约化农业之前。根据欧盟水框架指令，“参考状态是当前或过去对应的仅有非常低压力时的状态，没有工业化、城市化和农业集约化的影响，仅有物理化学、水文地貌和生物方面非常微小的变化时对应的状态”（Wallin et al.，2003）。对历史状态的描述没有固定的时间，而是定义了人类对土地使用发展的特定阶段。这种状态在英国大约在1850年之前，在德国大约在17世纪之前（Wallin et al.，2003）。在一些较新有人类居住的国家（如澳大利亚），历史状态通常被定义为前欧洲前（1750年前）时的状态（Norris et al.，1999）。

1.3 最少干扰状态

最少干扰状态（Least disturbed condition，LDC）的描述来源于采用一系列具体的最佳标准选择的站点（Bailey et al.，2014）。这些标准会因地区而异，并且会反复修改，目的是确定最少的人为干扰环境（例如，＜1%的农业用地，＜3%的农业，＜20%的农业等）。这些标准的具体内容将随着生态区域的变化而变化，因为区域的景观特征和景观的人为使用会有所不同。由于环境条件会随时间变化，最少干扰状态可能也会随时间变化。区分最小干扰状态和最少干扰状态可为评价目前最佳状态和参照状态之间的差距提供可能。

1.4 最佳可达成状态

如果在一段时间内使用了最佳管理实践，则最佳可达到状态（Best attainable condition，BAC）等于受干扰最少的地点的预期生态质量状况（USEPA，2000a）。建立最佳可达成状态的参照点位于土地利用对生物影响最小的区域。它在一定程度上是通过采用最佳管理技术措施后可预测的理想状态。最小干扰状态和最少干扰状态分别是最佳可达成状态的上下限。最佳可达成状态不会比最小干扰状态好，也不会比最少干扰状态差。与最少干扰状态类似，最佳可达到状态不是固定不变的，所有影响它的因素都会随时间发生变化。

参照状态的多种定义与人类活动干扰程度的不同有关。最小干扰状态的所有变化主要是由于自然原因造成的。在这种情况下，通过多种方法选择的参照点将是真实参照状态（生物完整性参考状态）的准确估计值。随着人为干扰程度的增加（例如，在人类活动较多的邻近地区），受干扰最少的河流不再代表受干扰最小的情况，被选为“剩下的最好的”参照点将满足最少干扰状态的定义，但不能满足最小干扰状态；如果无法减轻人类活动的影响以达到受干扰最少时的状态，那么它们也可能是最佳可达成状态。受到更极端的干扰时，受干扰最少的站点既不代表最少干扰状态也不代表最佳可达成状态。

2 河流营养物参照状态的建立方法

2.1 河流百分比法

参照河流百分比法和一般河流百分比法是美国环境保护署（USEPA）向各个州推荐的建立营养物参照状态的两种方法（USEPA，2000a）。参照河流百分比法选用参照河流营养物监测数据的 75th百分位当做河流的参照状态；一般河流百分比法选用一般河流营养物监测数据的 5th—25 th（通常选择25 th）百分位当做河流的参照状态。美国环境保护署认为这两种百分比法得到的结果比较类似（USEPA，2000a）。在这两种百分比方法中，参照河流百分比法是首选方法，但是在大多数农业区域参照点几乎是不存在的（Smith et al.，2003）。当参照点不存在时，一般河流百分比法是参照河流百分比法的替代方法（Suplee et al.，2007）。一般河流25th百分比法可替代参照河流 75th百分比法的假设来源于 3个案例研究：lakes in New York，lakes in Minnesota和rivers in Tennessee。在这些研究中，参照河流75th百分比法的结果与一般河流25th百分比法的结果大致匹配（USEPA，2000b；USEPA，2000a）。

尽管一般河流 25th百分比法已被许多研究用来建立营养物的参照状态（del Mar Sánchez-Montoya et al.，2012；Heatherly，2014），其能否替代参照河流75th百分比法依然是有争议的。之前有研究（Herlihy et al.，2008；Suplee et al.，2007）发现参照河流 75th百分比法的结果与一般河流 25th百分比法的结果并不是一直保持一致。我们比较了已有研究中（Chambers et al.，2008；Chen et al.，2014；Cheng et al.，2018；Heatherly II，2014；Smith et al.，2003；USEPA，2000a）一般河流25th百分比法与参照河流 75th百分比法建立营养物参照状态的比率（图1）。由图可知，一般河流25th百分比法与参照河流 75th百分比法建立的营养物参照状态大致类似的情况仅有美国 Xeric West区域的总磷、美国Glaciated Upper Midwest and Northeast区域的总氮和总磷、美国 Southeastern Temperate Forested Plains区域的总氮、美国Central/E.Forested Uplands区域的总氮、中国曹娥江流域的总磷，其它区域采用一般河流 25th百分比法与参照河流 75th百分比法建立的其它营养物指标均存在较大偏差，因此，在建立河流营养物参照状态时，一般河流25th百分比法并不能稳定代替参照河流75th百分比法。一般河流 25th百分比法的可靠性取决于区域的富营养化程度（Dodds et al.，2004；Smith et al.，2003）。在富营养化程度较高的区域，采用一般河流25th百分比法得到的值较实际参照状态值偏大，不能达到保护水质的目标；如果富营养化水平没有达到一定程度，一般河流25th百分比法得到的值会严于实际参照状态值（Suplee et al.，2007）。不同区域河流营养化水平的不同导致一般河流 25th百分比法代替参照河流75th百分比法准确性的不同。

图1 25th一般河流百分比法与75th参照河流百分比法的营养物参照状态的比值Fig.1 The ratio of the literature-estimated the 25th percentile of the general river sites to the 75th percentile of the reference river sites for TN and TP

在以往的研究中，采用一般河流百分比法建立同一区域TN和TP的参照状态时，均采用相同的25th百分比。然而，由图1可知，在同一区域一般河流25th百分比法与参照河流75th百分比法的比率在TN和TP间的变化是极大的。滦河流域营养物参照状态的研究发现（Cheng et al.，2018）：对于TP，参照河流75th百分比法与一般河流25th百分比法相匹配；对于TN，参照河流75th百分比法则与一般河流5th百分比法基本一致。造成两种方法在同一区域不同营养物之间匹配性不同的原因是TN和 TP在源和传输机制方面有诸多不同（Alexander et al.，2008），这会导致TN和TP超过参照状态的程度不同。例如，TP通常以颗粒态流失，而TN通常以溶解态流失（Du et al.，2014）。硝态氮在地下水中有较高的流动性（陈月平，2003），而磷主要在地表径流中传输（Hart et al.，2004）。许多管理措施，比如水土保持、减耕措施和过滤带可以增加水流入渗和减少径流中的颗粒物，会限制磷的传输，而对氮的传输几乎没有影响（Alexander et al.，2008）。Heatherly II（2014）发现TN浓度在耕地占比不同的生态区有明显差异，而TP浓度在各生态区没有明显差异。由于水资源短缺，中国北方农田被设计为持水类型（Ongley et al.，2010），这种类型会限制磷的传输，而对氮的传输影响不大。Smith et al.（2003）发现美国河流目前TN和TP的平均浓度超过自然背景值的倍数分别是6.4倍和2倍。美国环境保护署在 2006年对涉水河流评价结果同样发现（图2）：对美国的河流来说，TN浓度的中位值超过参照状态值的倍数远大于 TP（Smith et al.，2003），TN超过参照状态值的河流长度也远大于TP（Herlihy et al.，2008）。根据美国环境保护署（USEPA，2006）2006年进行的涉水河流评价，超过TN和TP参照状态的河流长度在不同生态区是变化极大的。例如，在Xeric平原和Temperate平原，TN浓度超过参照状态的河流长度分别是TP浓度超过参照状态河流长度的1.59倍和2.32倍。然而，在Coastal平原，TP浓度超过参照状态的河流长度是TN的1.5倍。因此，使用一般河流百分比法建立参照状态时，采用的百分比应考虑不同营养物之间的差异。

图2 根据美国环境保护署在2006年对涉水河流评价结果：超过参照状态河流长度的百分比（USEPA,2006）Fig.2 The percents of stream length that exceeded reference conditions according to the wadeable streams assessment by the USEPA in 2006 (USEPA,2006)

2.2 生物响应法

生物响应法的基本原理是利用生物指标与河流营养物浓度之间的函数响应关系。该方法可以基于藻类的群落分析（Dodds et al.，2004）。或者可以使用自然断点，预计超过该自然断点也不会再增加底栖叶绿素的产量，从而可以设定营养物浓度的上限（Dodds et al.，2002）。

生物响应与营养物浓度梯度之间的关系通常是很细微的，采用线性响应有时很难建立两者之间的关系（Haggard et al.，2013）。而生态变量与环境梯度之间的响应关系也会呈现出非线性、非正态和异质性等特点（霍守亮等，2009）。因此，需要采用多种方法构建压力变量和响应变量之间的线性或非线性关系以推断营养物参照状态。Haggard et al.（2013）采用分类和回归树分析建立了叶绿素 a与营养物浓度之间的关系，进而确定了美国红河流域的营养物参照状态。Qian et al.（2015）提出了基于贝叶斯网络模型和传统经验统计模型相结合的连续变量贝叶斯网络建模框架，并应用该建模方法确定了美国俄亥俄州溪流的营养物参照状态。

通过同时考虑初级生产者或相关参数，如溶解氧、蓝藻毒素或硅藻组合结构可以提高生物响应法的精度（Miltner，2010；Reckhow et al.，2005）。Dodds et al.（2002）认为营养物可单独解释40%的温带河流水生附着生物的变化情况。Miltner（2010）发现Ohio河的叶绿素浓度存在变点，其对应的无机氮质量浓度为 0.435 mg·L-1、总磷质量浓度为 0.038 mg·L-1。然而，West Virginia的研究发现营养物几乎不能解释水生附着生物的变化（Christ et al.，2007），Florida的研究发现二者毫无关系（FDEP，2013）。因此，在展开大规模监测项目之前，应进行前期研究检查营养物、藻类、溶解氧和较高营养水平之间的相关关联性。生物响应法可以通过检查营养物对大型无脊椎动物和鱼类多样性的间接影响作用来提高精度。Singer et al.（2007）发现营养物浓度升高会通过改变集群结构来降低大型无脊椎动物多样性，集群结构主要受河流资源质量调节。此外，Evanswhite et al.（2009）发现主要的无脊椎动物对低水平的养分富集非常敏感。

生物响应法的基础是采用生物评估指标评价生物完整性（USEPA，2000a），因此，强烈依赖于当地水生资源的质量。然而，栖息地退化等因素对生物完整性的影响程度可能比营养物浓度更大，因此，确定营养物浓度对生物的影响是非常困难的（Allan et al.，1997；Miltner et al.，1998；Wang et al.，2007）。目前，监管机构采用的营养控制策略几乎均未考虑基于生物学的指标方法。

2.3 多元线性回归法

多元线性回归法通过建立人类活动影响与对应河流营养物浓度的线性关系，用来确定合理的营养物初始浓度（Dodds et al.，2004）。当流域内受人类影响较小的点较少或不存在时（如城市区域和强农业区域），多元线性回归法是最有用的。

多元线性回归法的另一优点是可以帮助我们确定区域内影响营养物浓度的主要人类活动（Chen et al.，2014）。农田和城市占地比例与堪萨斯州东部河流营养物浓度呈正比例关系（Dodds et al.，2004）。新安江流域对河流水质影响较大的人类活动有城市用地比例、坡度为 0—8°的农田用地比例和畜禽养殖污染负荷强度（Chen et al.，2014）。滦河流域对河流总氮浓度影响较大的人类活动为城市用地比例、坡度为 0—8°的农田用地比例和畜禽养殖污染负荷强度，对总磷浓度影响较大的人类活动为坡度为 0—8°的农田用地比例和畜禽养殖污染负荷强度（Cheng et al.，2018）。美国和加拿大的研究表明河流营养物参照状态与农田面积占比呈正比例关系（Chambers et al.，2008；Heatherly II，2014）。值得注意的是，TN和TP在源和传输机制方面存在很多不同（Alexander et al.，2008），进而可能会导致影响总氮和总磷浓度的人类活动存在差异。滦河流域的研究表明：影响总氮的人类活动主要有耕地比例、城市用地比例和畜禽养殖污染物强度，影响总磷的人类活动主要有城市用地比例和畜禽养殖污染物强度（Cheng et al.，2018）。TP通常以颗粒态流失，而TN通常以溶解态流失（Du et al.，2014）。由于水资源短缺，中国北方农田被设计为持水类型（Ongley et al.，2010），这种类型会限制磷的传输，而对氮的传输影响不大。

该方法的缺点是当区域内不存在明显的受人类活动影响的营养物浓度梯度时，其精度较低（Herlihy et al.，2013）。多元线性回归法最主要的局限是没有量化所有人类活动的影响，因为这些数据不是可以轻易获得的。量化大气氮磷沉降、河岸缓冲带的影响和其他最佳管理方法，以及污水处理中的点源排放，都可能会提高模型的准确性。同时考虑其他因素，例如流域面积和坡度，都可以提高模型的准确性（Dodds et al.，2004）。然而，该方法的精度越高，得到的营养物参照状态越接近完全没有人类活动影响时的状态，在现实管理中越难实现。

2.4 流域模型法

流域模型法首先通过参数率定建立适用于某一流域的流域模型，然后通过去除人类活动来预测参照状态（Makarewicz et al.，2015）。

几乎所有工业化国家的参照点都位于小型河流，这些区域的大型河流基本上都被人类开发，因此，大型河流的营养物参照状态极难获取（Howarth et al.，1996）。Smith et al.（2003）采用营养物输出负荷模型与SPARROW模型耦合的方法，以上游源头河流参照点浓度为基础，建立了下游大型河流的营养物参照状态（表1）。首先，以美国63个开发程度最低的上游源头河流的营养物输出负荷为自变量，以径流量、汇水面积、大气沉降和区域特定因素为因变量，建立营养物输出负荷模型；其次，采用建立的营养物输出负荷模型评价上游源头河流进入下游水系的营养物背景负荷；最后，采用率定好的 SPARROW 模型模拟上游源头河流营养物背景负荷在下游河流水系中的输移过程，进而确定下游河流水系中的营养物背景浓度。Makarewicz et al.（2015）采用SWAT模型建立了美国Genesee River watershed营养物参照状态。通过SWAT模型确定的大型河流营养物参照状态值高于通过“证据权重”方法在纽约大河中找到的参考值。这主要是因为Genesee River watershed为沉积流域，而纽约其它大河流域主要为变质岩和火成岩流域。因此，在建立大区域河流营养物参照状态时，应注意不同流域地质条件的不同。采用SWAT模型根据特定流域的土壤、土地利用、坡度、海拔和气象条件等得到该流域的营养物参照状态。从某种意义上说，通过SWAT模型确定的河流营养物参照状态值是为给定的流域量身定制的，而不是将参照状态从一个流域应用到另一个流域。此外，SWAT模型还可以模拟采取不同管理措施和工程措施对降低河流营养物浓度的效果。因此，SWAT模拟方法不仅提供了合理的营养物参照状态值，而且还提供了相应的候选补救措施。Hirt et al.（2014）采用MONERIS模型建立了德国波罗的海流域不同人类活动干扰强度下的营养物参照状态。

流域模型法对小型河流和大型河流同时适用，并且可得到特定区域不同人类活动干扰程度下的真实参照状态，避免移用其它区域参照状态时因区域条件不一致而导致的不准确性。然而，由于数据短缺等因素，流域模型如SWAT模型的使用在许多区域受到限制，其可靠性相对较低（Ongley et al.，2010）。影响中国采用流域模型法建立营养物参照状态的因素是现有的流域模型大多由一些发达国家开发，其产生背景和适用条件和中国存在较大差异（Shen et al.，2012），直接将国外开发的流域模型应用到中国，可能会产生极大的误差甚至错误的结果（程鹏等，2016）。

表1 各国家或地区采用不同方法建立河流营养物参照状态的研究现状Table 1 Reference Conditions for TN,TP using different methods in various countries and regions

3 结论与展望

3.1 河流参照状态的概念及其管理应用可行性

河流参照状态根据允许人类活动影响的程度可有多种含义：最小干扰状态、历史状态、最少干扰状态和最佳可达成状态，而营养物参照状态的建立应与管理需求紧密结合。最小干扰状态由于大气对污染物的输移作用，历史状态由于历史数据较难获取，在现实管理中较难实现。最少干扰状态和最佳可达成状态在现实管理中具有一定程度的可操作性。

3.2 河流营养物参照状态建立方法的优缺点及在中国的适用性

由于参照点可以反映生态区域的原始状态，因而参照河流百分比法是建立营养物参照状态的首选方法，但未受人类活动明显干扰的参照点一般位于源头小型河流，所以该方法不适用大型河流、农业和城市区域河流营养物参照状态的建立。此外，中国水环境污染形势严峻（Jiang，2015），参照点变得越来越少。当参照点不存在时，一般河流百分比法是参照河流百分比法的替代方法，然而众多研究表明一般河流第 25th百分比法并不经常与参照河流第5th百分比相一致，因此，尽管参照点的确定十分困难，还应尽力寻找以尝试建立参照河流百分比法和一般河流百分比法的匹配性关系。生物响应法的基本原理是利用生物指标与河流营养物浓度之间的函数响应关系，然而栖息地退化等因素对生物完整性的影响程度可能比营养物浓度更大，因此，确定营养物浓度对生物的影响是非常困难的。流域模型法虽然有众多优点，但是数据要求较高，并且常用流域模型的机理与中国有较大差距，在中国应用的结果具有较大的不确定性。多元线性回归法适用于流域内不受人类影响的点较少或不存在时，并且可以帮助我们确定区域内影响营养物浓度的最主要人类活动；该方法的缺点是当区域内不存在明显的受人类活动影响的营养物浓度梯度时，其精度较低。综合考虑中国水环境污染现状和数据要求，以多元线性回归模型为代表的简易模型方法在中国应有最大的适宜性。

3.3 河流营养物参照状态的研究展望

今后河流营养物参照状态的研究重点主要有以下3个方面，（1）季风区域降雨不仅在年内分布存在较大差异，在不同的水文年型中也存在较大差异，现有研究仅对季风河流营养物参照状态的年内季节性差异进行了研究，今后还应对季风河流营养物参照状态的年际差异进行研究。（2）对数据要求较低的简易模型方法应是中国建立河流营养物参照状态的重点发展方向，已有简易模型方法基本上均为多元线性模型。然而，环境因素与营养物质间的关系往往都是非线性的，今后应着重研究建立河流营养物参照状态的多元非线性回归模型方法。（3）不同区域自然因素的不同会导致其营养物参照状态的不同。应在全国层面上根据气候、地貌、土壤等自然因素划分适当规模的生态区，分区确定各生态区的河流营养物参照状态。