云南九大高原湖泊营养物基准研究重点

罗 玉，谭志卫，王志芸，孟祥琪

（1. 云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034；2. 云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室，云南 昆明 650034；3. 昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650500；4. 云南省生态环境工程评估中心，云南 昆明 650228）

湖泊富营养化是湖泊水体在人类活动和自然环境因素的共同影响下，营养物大量输入湖体，使湖泊水体逐步由生产力水平较低的贫营养状态向富营养状态变化的一种现象[1]。目前，全球范围内湖泊污染和富营养化程度逐渐加剧已成为了制约部分地区经济发展的首要因素，引起了全世界的高度重视。然而，目前关注最多的问题是如何控制污染物和营养元素的排放以及对已造成的污染进行治理，对于防范于未然的水环境基准研究却尚处于初期阶段。湖泊水环境基准是对湖泊的现状以及污染状态进行评估、预防、控制和管理的科学基础，建立相关基准，对于湖泊水环境的污染预防和保护治理起到重要作用。湖泊营养物基准是基于营养物在湖泊中产生了危及水体正常功能的生态效应而提出的，该基准可以用来评估湖泊营养化程度、预防和治理湖泊富营养化问题[2]。水体中氮、磷浓度是判断水体富营养程度的主要指标，制定相应的湖泊营养物基准或控制标准，将有利于控制湖泊水体中氮、磷浓度水平，为湖泊富营养化治理提供理论依据[3]。由于水环境基准是在不同国家、不同区域的自然背景和水环境质量演变的基础上建立起来的，具有明显的区域性特点，因此各个区域的水环境基准特征也因地而异。

1 建立湖泊营养物基准的必要性及研究进展

1.1 建立湖泊营养物基准的必要性

湖泊富营养化是我国水环境面临的严峻问题之一，其产生和发展与人类活动和水体的自然特性有着密切联系。面对我国湖泊富营养化程度日益加剧的现状，全国各级政府高度重视，并在十九届五中全会上提出要加强重要湖泊湿地生态保护治理和湖泊营养物控制、治理等方面的综合研究的要求。我国幅员辽阔，南北跨纬度近50 度，东西跨经度60 多度，地形地貌复杂多变，气温降水组合多样，形成了多种多样的气候，这使得不同区域湖泊的富营养化成因、类型和演变过程存在显著差异，同时其营养化的物理、化学和生物学特性等方面也存在较大差异，致使我国湖泊的营养物水平具有显著的差异性[4-6]。针对我国湖泊众多、分布广泛、地域差异明显的特性，采用单一通用的营养物基准无法满足不同区域的湖泊治理的科学性需求，容易造成保护不够或保护过度的现象，不能有效解决不同区域湖泊富营养化问题[7-8]。因此，制定具有针对性的湖泊营养物基准，将更加有利于实行更严格的湖泊流域环境标准管理，建立更具科学性的水质标准，使污染防治由被动变主动，满足社会经济可持续发展的紧迫要求。

1.2 湖泊营养物基准研究进展

控制湖泊富营养化的关键在于控制水体中营养物质的浓度。目前，一些发达国家和地区已开展了湖泊营养物基准的制定工作。美国在制定湖泊营养物基准中，创建了数据库，根据营养物特征对湖泊进行分类和生态分区，对各生态分区筛选备选变量和指标进行分析，建立参照状态，再通过专家评价、对下游影响和保护特定用途等因素，确定湖泊分区下的营养物基准[9]。依据这一过程，我国于1998 年制定了区域湖泊营养物基准国家战略，随后分别在2000 年4 月、2001 年10 月、2006 年7 月和2006 年12 月编制完成了湖泊（水库）、河口海岸、湿地和河流营养物基准技术指南，并率先制定了基于一级湖泊生态分区下的营养物基准，随后各地方政府根据技术指南陆续开展本区域营养物基准工作[9-13]。2000 年欧洲颁布了《水框架指南》（WFD），开始研究营养物基准[14]。我国现行的《地表水环境质量标准：GB3838—2002》是目前唯一能控制湖泊水质的标准，但这些指标的设置未能同时考虑到湖泊水生态系统和人体健康的安全性，对于湖泊营养状态的区域性特点更是无从体现。因此，我国于2017 年发布了《湖泊营养物基准制定技术指南：HJ 838—2017》，规定了基准制定的程序、方法与技术要求，并于2020 年发布了我国首个湖泊营养物基准《湖泊营养物基准—中东部湖区（总磷、总氮、叶绿素a）》，该基准将我国湖泊营养物基准按中东部湖区、云贵湖区、东北湖区、内蒙湖区、新疆湖区、青藏湖区和东南湖区7 个分区进行制定，充分显示了湖区富营养化的区域性差异[15]。

在制定湖泊富营养基准的过程中，确定生态分区下营养物指标和湖泊参照状态是关键[16]。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，若无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[17]。

近几年，国内学者对湖泊参照状态确定的研究多使用湖泊群体分布法、三分法、回归分析法和古湖沼学重建等方法[14]。陈奇等[18]采用上述前3 种方法建立了巢湖的营养物参照状态；张亚丽[19]采用上述前2 种方法建立了蒙新高原湖区营养物参照状态；汪靓等[20]针对中国东部浅水湖泊进行研究，提出了一种基于非参数方法的湖泊参照状态确定的新方法；李小平等[21]采用古湖沼学重建法建立了淀山湖的营养物参照状态。

2 云南九大高原湖泊流域特征分析

云南地处云贵高原，属于云贵湖区。云南境内湖泊众多，湖泊面积大于1 km2的湖泊有20 多个，而湖面积在30 km2以上共有9 个，分别是滇池、阳宗海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖、洱海、泸沽湖、程海和异龙湖，并称为云南省九大高原湖泊。云南省九大高原湖泊区域具有鲜明的区域特征，其水污染、自然地理、气候和社会经济特征等与国内其他区域具有显著差异。这些因素直接或间接地影响污染物的迁移转化过程，生物吸收和富集，从而使得该区域内湖泊营养物基准较其他区域不同。

2.1 云南九大高原湖泊流域自然地理特征

从自然地理上来讲，云南九大高原湖泊位于云贵高原，多属于断裂构造和陷落冲击形成的湖泊，海拔高度在1 500～3 000 m 之间[22]，主要分布在滇西横断山脉东侧高原（洱海、程和泸沽湖）和滇中昆明凹陷地区（滇池、抚仙湖、泸沽湖、星云湖和异龙湖）2 个片区，形态呈西部为南北向（如洱海），在滇南则转为东西向（如异龙湖），环绕昆明凹地呈类山字褶皱（如滇池）的分布趋势，这与云南高原的褶皱具有相同的特点[23]。抚仙湖和泸沽湖最大水深处均超过100 m，属于深水贫营养湖；阳宗海岸线平直、湖盆坡度较大；滇池、星云湖和程海均为湖盆平缓、岸线弯曲，湖底有机质淤积较厚，水深在25 m 以内的浅水湖泊，其中滇池和星云湖水深在10 m 以内；异龙湖属于宽浅型的溶蚀湖；洱海是由于苍山上升而形成的沉降低地，水深达20 m，从形态上接近浅水湖泊[23]。

云南九大高原湖泊均位于我国六大水系及其支流的源头，湖泊汇水面积较小，入湖支流众多而出湖河道很少，湖泊来水主要依靠地表水和地下水补给，换水周期长，水资源较为匮乏，受污染后自净和治理周期长、治理难度大。除抚仙湖和星云湖在地理位置上联通外，其余7 个湖泊在地理位置上分布距离较大，地理隔绝使各湖泊内生态系统特异化程度高，同时也使湖泊生态系统具有脆弱性，湖泊生态系统一旦破坏修复难度大。

2.2 云南九大高原湖泊流域气候特征

云南九大高原湖泊所在地区纬度在21°8′～29°15′之间，属印度洋季风气候区，云南九大高原湖泊属于不冰冻的湖区。云南地区地势整体呈西北高东南低，地势和纬度影响相叠加，气温总体呈北低南高的分布，同时东部地区易受北方冷空气影响，同等情况下气温较西部低。综合纬度、海拔和地势等影响，云南九大高原湖泊所处区域主要分为四季分明区、无夏区、无冬区和常春区4 个气候区域[24]。九大高原湖泊中除异龙湖位于无冬区（常年气温高于10 ℃），泸沽湖和程海位于无夏区（常年气温低于22 ℃）外，其他湖泊均位于四季分明区[24]。

云南干湿季节分明，流域全年降雨量大致在1 000 mm 左右，5～10 月降水量约占全年的80%以上，且蒸发量大于降雨量。刘苈今等[25]对云南1961～2011 年的各年降水变化特征进行分析，发现其年降水量总体呈逐年减少趋势且整体上呈南多北少。洱海、滇池、阳宗海、抚仙湖、星云湖和异龙湖所在的滇中区域年降水呈逐年降水减少趋势，而泸沽湖和程海所在的滇西北区域年降水呈逐年增加趋势。九大高原湖泊流域强降雨发生概率、持续天数和强度在云南整体呈逐年增加的趋势[26]。

云南地区太阳辐射较中东部地区都高，丽江、昆明的太阳总辐射分别为6 232 和5 503 MJ/m2，较中东部地区的济南（5 105 MJ/m2）和武汉（4 640 MJ/m2）高出398～1 591 MJ/m2。张万诚等[27]研究，表明九大高原湖泊流域年日照时数程海最高，在400～2 600 h 之间，滇西北的泸沽湖、洱海和滇中南部的异龙湖均在2 200～2 400 h 之间，最低的是滇中其他湖泊在2 000～2 200 h 之间。根据王学锋等的研究[28]，九大高原湖泊流域太阳辐射强度最大的在程海和泸沽湖，总辐射大于6 000 MJ/m2，其次为洱海和异龙湖，总辐射介于5 500～6 000 MJ/m2，滇池、阳宗海、星云湖、杞麓湖和抚仙湖总辐射介于5 000～5 500 MJ/m2。总的来说，云南九湖区域总辐射＞5 000 MJ/m2，辐射量大且具有季节性变化规律，春夏两季集中了半成以上的辐射[28]，较四季分明的中东部湖区区域或无春秋季节的东北湖区有明显的差异性。

2.3 云南九大高原湖泊水污染特征

根据《云南省环境状况公报》[29-34]显示，2015～2020 年，泸沽湖和抚仙湖水质较稳定，均能达到Ⅰ类标准，属于深水贫营养湖；星云湖、异龙湖和杞麓湖属于中度富营养湖泊，水质均在Ⅴ类和劣于Ⅴ类之间波动，主要超标指标化学需氧量、总磷、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；滇池国控点分为草海和外海两个，这2 个点的逐年水质显示滇池水质在逐步改善，由中度富营养向轻度富营养转变，主要超标指标为化学需氧量、总磷和高锰酸盐指数。程海、阳宗海和洱海水质较稳定，未发生大的波动，程海主要超标指标为化学需氧量。从水体营养化程度来看，仅滇池草海和外海水体的营养化程度有明显下降趋势，其余湖泊的营养化程度变化不大，这与湖泊的水质类别变化情况一致，见表1。

表1 2015～2020 年云南省九大高原湖泊主要水质情况

研究发现与湖泊富营养化相关的指标很多，包括氮、磷、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[1,35-38]，但总氮、总磷和叶绿素a是普遍认为能够较好反映富营养化程度的指标。我国已发布的《湖泊营养物基准—中东部湖区（总磷、总氮、叶绿素a）》湖泊就采用了这3 个指标[15]。据相关研究报道，云南九大高原湖泊中藻类对氮、磷营养物利用效率（叶绿素a/总氮、叶绿素a/总磷）高于国内其他区域[4]，这就使得相同氮、磷营养浓度的条件下，藻类更容易生长，湖泊发生富营养化的可能性更大，具有显著的区域特征。

2.4 云南九大高原湖泊流域社会经济特征

在我国，云南属于欠发达地区，2019 年云南省GDP 仅占全国的2.34%，是上海市的60.86%，是湖北省的50.68%。在云南省境内，九大高原湖泊流域社会经济发展水平也相差甚远，见表2。

表2 2015 年云南九大高原湖泊流域社会经济发展状况

表2 可知，九大高原湖泊流域（泸沽湖除外，由于涉及川滇两省，故未列入计算）社会经济发展不均衡，滇池流域社会经济发展迅速，流域人口数量众多且城市化水平最高，周边企业较多。相较于经济发展最缓慢的程海区域，滇池流域GDP 占全省的比例是程海流域占比的76.67 倍，人口是程海流域的122.57倍，差异较大；其余几个湖流域城镇化水平均低于50%，流域内GDP 总量较低，且人口数量与GDP 总量未成正比。

3 云南九大高原湖泊营养物基准研究

3.1 重点研究内容

研究表明，影响湖泊水体中营养物质赋存的因素包括：入湖污染负荷、地理位置、气候环境、湖体自净能力、流域社会经济发展状况和湖体生态环境等。这些因素的不同组合，对不同区域、不同时间段湖体中营养物质的赋存浓度和形态产生影响。较我国东部区域，云南地处云贵高原，海拔高、日照时间长、地面接受太阳的辐射量大、紫外线强；云南位于中国西南端，属于印度洋季风气候、早晚温差大、雨旱季分明、生物多样性程度高、区域经济发展差异大，这些因素重合在一起，构筑了一个完全不同的区域自然环境，因而对水体中富营养物质的赋存情况的也有较大影响，其影响包括以下方面。

（1）云南九大高原湖泊流域自然环境特征对于湖泊营养物基准的影响机理。云南九大高原湖泊流域属于高海拔、低纬度、受印度季风影响的区域，光照强度、气压、气候条件和自然地理条件较其他区域不同，导致湖体中溶解氧、水温、pH 以及光热格局不一样。同时，九大高原湖泊流域环境背景值也具有各自特点，如程海流域氟化物和pH 背景值较高、阳宗海流域砷背景值存在超标风险、泸沽湖流域紫外线强，光照时间长、异龙湖流域地处热带地区，全年高温少雨。不同的环境因素组合起来对流域内富营养化的各项指标阈值也不尽相同。

（2）云南省九大高原湖泊流域社会经济发展水平和城镇化率的影响。云南省九大高原湖泊流域社会经济发展水平和城镇化率均低于中东部地区，经济增长体量小，人口年均增长率低，部分地区出现负增长，三产布局正处于不断调整优化中，农业面源污染仍是大部分区域的主要污染源。由于不同产业结构、不同经济发展程度，入湖污染物的种类和入湖污染负荷量相距甚远，对湖泊水体功能与用途，水生生物和对下游社会、生态造成的影响不同，因而不能用统一标准来判断不同经济社会发展水平对于湖泊营养物赋存情况的影响，亟需研究云南省社会经济发展水平对湖泊营养物基准的影响。

（3）水文水动力条件的影响。云南九大高原湖泊多属于断裂构造和陷落冲击形成的湖泊，入湖河流少，水源的主要补给来源于降水和地下水。部分湖泊深度较大、水量大，导致湖泊换水周期长，而其中深水湖泊（如抚仙湖和泸沽湖）中的温跃层的存在，导致其水动力学作用较浅水湖泊完全不同；在印度洋季风和季节性入湖河流的影响下，湖泊的水动力变化情况也随季节变化而变化。以上原因都会对湖泊水文和水动力产生影响，进而影响湖泊水体中营养物质的降解自净能力和分布趋势，最终影响湖泊富营养化的形成。

（4）湖泊水污染特征的影响。云南地区湖泊水污染程度总体较低，2017～2020 年九湖水质优良率都不低于40%，且水质未达标的湖泊超标指标浓度总体呈下降趋势，主要超标指标为总磷、总氮和化学需氧量。根据前期研究可知，除氮、磷外，化学需氧量对水体富营养化也有不可忽视的贡献[39]，而部分云南高原湖泊中化学需氧量超标情况时常出现，这就增加了影响了云南省高原湖泊的营养盐基准的因素。

3.2 研究发展方向

我国在湖泊营养物基准方面的研究和实践刚刚起步，而对于云南九大高原湖区，缺少湖泊流域营养物本底调查资料、基准制定技术方法及针对云南九大高原湖区特殊气候、自然地理特征确立的湖泊营养物基准指标体系，无法为云南九大高原湖泊富营养化的综合预防与科学管理提供决策依据。云南高原湖泊营养物基准研究发展方向主要包括以下方面。

（1）开展云南九大高原湖泊营养物基准的系统研究。通过历史数据和现状资料分析，明确九湖流域环境本底值的具体情况和差异性；开展野外调查、原位和实验室试验，分析不同环境因素对湖泊中营养物赋存状况的影响以及污染物的迁移转化规律，确定九大高原湖泊的参照状态。

（2）构建云南九大高原湖泊典型湖泊富营养化数据库，提出重点污染物清单和营养物基准建议值，筛选出适用于本地区评价营养盐状态的基本指标和特殊指标候选变量，建立云南九大高原湖泊营养物的基准指标体系。