湖泊营养物背景本底浓度确定方法及问题探讨

姜甜甜

摘要：依照國外经验，首先进行湖泊营养物分区研究，以此为基础，系统建立湖泊营养物的基准和标准，以统一性方式监控湖泊环境质量，便于科学的评估、预防、控制和管理湖泊富营养化，极大程度上避免决策管理的盲目性。目前营养物基准研究在我国尚处与起步研究阶段，确定背景本底浓度（即参照状态）在营养物基准制定研究中是十分重要的环节。分别对确定背景本底浓度（即参照状态）的统计学方法、古湖沼学重建方法、历史数据和专家判断方法和模型推断方法进行介绍与分析，进而总结出目前确定湖泊背景本底浓度（即参照状态）研究中需要进一步探讨和研究的主要问题。

关键词：营养物基准背景本底浓度；统计学方法；古湖沼学重建法；历史数据和专家判断方法；模型推断方法

中图分类号：X524

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20002403

1引言

早在十几年前，我国各级政府就已经针对湖泊富营养化治理问题，不断倾注了大量的人力、物力，采取截断外源、控制内源、人工生态修复等多种手段，迄今为止，虽有一定好转，但收效并不理想。湖泊富营养化的最根本原因是营养物输入量过大，遏制湖泊富营养化，确保湖泊水生态系统得到修复的重要手段就是控制削减入湖营养物的量。系统的建立湖泊营养物基准和富营养化控制标准，便于寻求更为科学的方法评估、预防、控制和管理湖泊富营养化。许多发达国家正在或已经将地表水营养物基准建立起来，与之对应，我国水质基准特别是湖泊营养物基准研究尚在起步阶段，通常以国外的相关基准值作为参照使用。由于不同地域的水生生物区系差异性显著，中国的水生生物保护的需求很难通过参考其它国家的水质基准得以实现，以借鉴参考等方法建立的水质标准，很容易造成保护不够或过分保护，致使科学制定我国水质标准大打折扣 [1]。依照国外经验，应首先进行湖泊营养物分区研究，以此为基础，系统建立湖泊营养物的基准和标准，以统一性方式监控湖泊环境质量，便于科学的评估、预防、控制和管理湖泊富营养化，极大程度上避免决策管理的盲目性 [2]。

确定营养物背景本底浓度（即参照状态）在营养物基准制定研究中是十分重要的环节。基于此可确定时间演替下人类扰动导致的湖泊变化基线，进而判断人类对湖泊潜在的现状和未来变化是何种响应水平。营养物背景本底浓度，是指每一水体类型的本底值，也就是水体受影响最小的状态，或可达到的最佳状态。在没有污染的水体以及人类干扰的条件下，总磷、总氮、叶绿素a等营养物基准指标显示的浓度水平，为理想的营养物基准背景本底浓度。然而，实际上由于水体均不同程度受到人类开发干扰影响，理想的营养物基准背景本底浓度是很难获得的，需要通过特定方法建立确定。模型预测与推断法、古湖沼学重建法、统计分析法、沉积物历史反演法、专家判断法、时间参考状态以及空间参考状态法等几种方法是国外确定湖泊背景本底浓度时的常用方法。

2方法介绍与分析

2.1统计学方法确定营养物背景本底浓度（即参照状态）

湖泊群体分布法（lake population distribution approach）和参照湖泊法（reference lake approach）是确定营养物背景本底浓度的两种主要统计学方法。首先为判定参照湖泊的条件，应当系统评估生态分区中的湖泊承受外界干扰的程度，进而筛选出尚无承受人类扰动或承受人类扰动程度较小，且保持最优用途的湖泊，作为区域中的参照湖泊，以此对该区域自然物理的、生物学的和化学的完整性进行表征。欧洲WFD-CIS中指出，如果对生态没有或仅有较小的影响条件下，可以允许人类影响，因此湖泊参照状态的制定允许有较小的浮动范围[3]。运用实测的历史和现状水质生物数据，确保大多数湖泊在建立的基准约束条件下不产生富营养化，是运用统计学确定营养物背景本底浓度的一大优点。

2.2古湖沼学重建方法确定营养物背景本底浓度（即参照状态）

用古湖沼学方法定义营养盐基线值和修复目标、评价自然条件、确定生态状况和识别环境变化等进行了一些研究，但还需要改进和调整。在欧美国家，欧盟水框架指令（WFD）和美国清洁水法要求根据水体的生物学、水生形态学和物理化学原理，为不同类型的湖泊定义参照条件，以便评估当前状态的淡水水域，作为相对的基线。

分析沉积物记录中的生物遗体结合转换函数为古湖沼学法反演湖泊营养物参照状态提供了有力的技术。许多最近的研究阐述了古湖沼学记录定义一系列水体类型的化学参照条件。如苏格兰淡水湖和芬兰湖泊的硅藻-TP推断模型、硅藻-pH推断模型；爱尔兰湖泊硅藻-pH和TP推断模型；丹麦和芬兰海岸硅藻-氮推断模型。董旭辉等分析湖北太白湖400多年来沉积硅藻记录，定量重建湖水总磷变化得出太白湖自然营养本底总磷值约为50 μg/L左右，可作为该湖泊治理时的参考目标。Johana Rasanen等利用硅藻-总磷推断模型重建过去的TP浓度，得出表层样本的DI-TP浓度分别为44 μg /L和39 μg /L[4]。

在最近几年，一些数学分析方法的运用已经成为更彻底的理解水生系统生态历史的必要技术，已有大量的研究阐述了这种方法在定义参照条件和评价生态变化的能力。例如，Merilinen和Hynynen等采用硅藻和摇蚊分析技术，结合地球化学分析方法来评估因工业污染造成的芬兰湖泊生态状况的变化。Taylor等分析水蚤、硅藻属、花粉和沉积化学评价6个爱尔兰湖泊的营养物参照条件和富营养化的生态响应。

通过分析沉积物泥芯获取的化石残骸（如摇蚊、硅藻）与温度、总磷和pH值等水质指标间的相关关系，以推演过去湖泊状态信息的方法称为古湖沼学重建法[3]。20世纪60年代开始，湖泊营养状态演化方面的研究加入了古湖沼学重建相关指标。在加拿大227号湖泊Leavitt等通过大量实验，对沉积物中古营养指标的准确性进行了验证。Stockner和Benson（1967）在美国西雅图华盛顿湖的研究中利用硅藻类别的A/C比，实现了该湖营养状况近代演化史的还原。Wetzel等（2001）在对美国印第安纳州Pretty湖进行研究中利用色素指标，实现了该湖营养状况演化的还原。endprint

该方法虽然具有采样点明确的优势，但由于实际操作中。沉积物中有机物保存的匮乏性，以及数据分析、统计模型和专家解释的复杂性，致使该方法存在一定局限性。目前，该方法只在部分地区有使用，需要进一步的研究。

2.3历史数据和专家判断确定营养物背景本底浓度（即参照状态）

20世纪之前，湖泊尚未因为人类不断扰动致使湖泊环境发生显著变化，历史监测数据很少，再加上过去与现在采样分析的差异，数据质量无法得到保证，通过历史监测数据确定营养物背景本底浓度具有很大程度不确定性。

专家判断具有一定的主观性，确定的营养物背景本底浓度无法将自然生态系统内在的可变性体现出来，适合与其他方法相结合使用，以便获得最优结果。

2.4模型预测和推断确定营养物背景本底浓度（即参照状态）

模型给湖泊学家提供定量的基础来估测来自点源和面源的营养物负荷的特定变化所可能造成的预期反应程度。同时，模型也是预测湖泊承受由于人类在流域内的各种程度的开发活动造成的湖泊营养状态变化的有力工具。近年来，土地利用作为外来营养物负荷的替代指标，被有效地用于预测湖泊内的藻类叶绿素。这种方法根据的是流域内的营养物损失与土地利用活动之间强烈的相关关系。土地利用与叶绿素之间的这种联系，是一个被广泛认可的湖泊营养状态衡量方法，也是一个外部控制湖泊营养状态变化过程重要性的补充例证。

由于湖泊流域环境长时间的承受人类扰动的影响，湖泊营养物背景本底浓度无法通过历史、现状监测数据以及专家意见进行确定，通过模型模拟选择营养物指标，确定背景本底浓度是一种有效的解决途径。U.S.EPA通过回归模型方法确定了许多州的营养物参照状态。

欧洲通常使用两种方法建立营养物参照状态，第一种是建立压力-响应拟合曲线，该方法参照状态外推时常在已知数据/关系之外；第二种方法是建立预测变量和响应之间联系信息模型，该方法允许自然环境梯度[3]。

土壤形态指数法（MEI）和总量平衡模型法是U.S.EPA推荐的两种模型方法。土壤形态指数法（MEI）是指湖水中总可溶性固体与湖泊平均深度之比。验证校准需要用參照湖泊数据来进行，用于预测参照状态下的磷浓度。该方法目前在冷水湖应用成功，尚未对亚热带与热带湖泊、自然营养富集的湖泊实现确认和校正，存在一定局限性。总量平衡模型法则是通过进入湖泊的负荷和湖泊的水文条件来模拟营养物的浓度，进而预测水体在受人类干扰前可能的状态[4]。入湖营养物负荷的自然背景浓度可以通过总量平衡模型推导出结果。负荷模型分为简易模型、中等模型和精细模型。简易模型非常适合模拟确定区域性的入湖负荷，进而确定区域性湖泊营养物背景本底浓度。如Reckhow-Simpson模型和SPARROW回归模型（考虑了氮的大气沉降作用以及总磷和总氮的4个来源）。

总体来说，环境条件要求不高、能够形成连续的评价基线是模型预测和推断法的主要优势。通过该方法可以确定对人类扰动强烈的湖泊营养物背景本底浓度。该方法的不足是需要大量数据校准和验证，成本较高。

3目前研究中需要进一步探讨的问题

从以上的研究现状分析可以看出，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尚未形成体系，通常以国外的相关基准值作为参照使用。依照国外经验，首先进行湖泊营养物分区研究，以此为基础，系统建立湖泊营养物的基准和标准，以统一性方式监控湖泊环境质量，便于科学的评估、预防、控制和管理湖泊富营养化，极大程度上避免决策管理的盲目性。目前营养物基准研究在我国尚处与起步研究阶段。伴随经济科技的发展，人类对水质的潜在影响大大增加了，因此科学的确定天然水质的兴趣明显增加，自然背景条件下水中的氮磷状况在许多水环境领域引起了极大关注，自然背景浓度对于制定营养物基准来说是反映自然因素对营养物达到水质目标的影响，区域尺度的背景浓度变化为区域营养物基准的制定提供了一个途径。

尽管在我国前期的研究已经就统计学方法、古湖沼学重建方法、历史数据和专家判断方法、模型推断方法确定营养物参照状态（即背景本底浓度）进行了初步的研究与尝试，但由于缺乏覆盖一定范围的气候条件和湖盆大小形态的历史采样点位，决定流域营养物背景浓度的工作在发达国家也受到阻碍。目前研究中主要存在以下问题。

（1）模型模拟营养物背景本底浓度尚没有受到重视。鉴于我国湖泊长期的水量水质监测数据普遍性欠缺，区域地理气候的差异变化十分明显，在多数湖泊人类干扰程度很高等多重因素的影响，国外很多成功的营养物背景本底浓度确定方法在我国并不适用。环境条件要求不高、能够形成连续的评价基线是模型预测和推断法的主要优势。通过该方法可以确定对人类扰动强烈的湖泊营养物背景本底浓度。

（2）模型选择及应用。国内外已有不少在流域尺度模拟污染物的产生和迁移的模型，基于复杂程度主要包括经验统计模型和机理模型两类。经验统计模型包括克里格空间统计方法、人工神经网络（ANNs）等。SPARROW 流域空间统计模型则是将基于过程和经验统计的方法相结合。机理模型比较常见的有SWAT（Soiland Water Assessment Tools）等。针对研究需求和研究环境条件，选择合适模型才能得到更优化的模拟结果。

（3）背景流域选择有一定难度。大气沉降中氮固定作用主要是受到人类扰动和土地利用的影响，在工业化世界基本上不存在原始参照站点[6]。事实上，美国的许多州政府为了建立较实际的基线在适度发达的流域建立参照站点，这个基线与强烈发展的流域做比较[7]。由于这个原因当描述这些参照站点的水质状况时需要区分自然本底状况和总体背景（或参照）状况。此外，使用任何发达地区的参照点位数据制定水体营养物本底状况的方法，都必须包括一些校正的方法，特别是大气中的氮。由于一些气候、水文、自然植被以及土壤和矿物构成[8]等流域特征的变化，在不发达地区参照站点的营养物产出变化超过了2个数量级[9]。因此，估算发达地区本地浓度应当反映自然属性对这些地区的作用。endprint

（4）模擬尺度问题。在美国和其他一些发达的工业化国家，几乎所有的参照站点都是位于小流域里，因为在这些地区大流域几乎都被人类开发干扰了。由于从小参照流域获得的结果“按比例增大”的困难[10]，因此很难实际上知道发达地区大水系流域的营养物本底水平。在一般情况下，由于营养物流失过程使得减少的大量营养物随河道水系迁移到下游，预期营养物的产量和浓度将随着湖盆尺寸的增加而降低。此外，水系内流失率随渠道的尺寸和其他复杂原因而发生变化[11]。迄今为止，还没有从小参照流域提供的数据调试流域内的流失作用效果，去估算大尺度流域的营养物浓度的方法。

（5）模型模拟的不确定性。由于全面监测水体时空变化具有极高难度，而且测量本身就包含误差，另一方面，物理系统被输入实际数据，并对其输出反应，本身就包含不确定性。不确定性因素的来源主要包括：①模型基础时间和空间输入数据（如温度、土壤物理化学属性、降水等）的系统误差和随机性；②与模拟结果作比较的历史资料（如径流、含沙量、地下水水位等）的系统误差和随机性；③模型输入非最优参数值引起的误差；④模型结构的不完整产生的误差。因此，校准过程的目标就是，降低①和②的测量误差，减少误差来源③，直至与①、②比较，其产生误差可以忽略。在校准过程中，明确区分不同误差来源是非常重要的，这样就不会对一种误差来源进行调整以弥补另一种误差源的影响，如通过参数调整来弥补数据本身的误差。

4结语

营养物背景本底浓度的确定方法众多，选取何种方法取决于研究区域具备的条件，参照湖泊法适用于没有扰动或扰动较小的区域，模型模拟法适用于扰动程度较高的区域，专家意见法可为部分区域研究结果进行修正优化。不同方法各有优缺点，实质上很难寻求最佳方法，只需找到最适合的方法。

参考文献：

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