湖泊營養(yǎng)物背景本底濃度確定方法及問題探討

姜甜甜

摘要：依照國外經(jīng)驗，首先進行湖泊營養(yǎng)物分區(qū)研究，以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)建立湖泊營養(yǎng)物的基準和標準，以統(tǒng)一性方式監(jiān)控湖泊環(huán)境質(zhì)量，便于科學(xué)的評估、預(yù)防、控制和管理湖泊富營養(yǎng)化，極大程度上避免決策管理的盲目性。目前營養(yǎng)物基準研究在我國尚處與起步研究階段，確定背景本底濃度（即參照狀態(tài)）在營養(yǎng)物基準制定研究中是十分重要的環(huán)節(jié)。分別對確定背景本底濃度（即參照狀態(tài)）的統(tǒng)計學(xué)方法、古湖沼學(xué)重建方法、歷史數(shù)據(jù)和專家判斷方法和模型推斷方法進行介紹與分析，進而總結(jié)出目前確定湖泊背景本底濃度（即參照狀態(tài)）研究中需要進一步探討和研究的主要問題。

關(guān)鍵詞：營養(yǎng)物基準背景本底濃度；統(tǒng)計學(xué)方法；古湖沼學(xué)重建法；歷史數(shù)據(jù)和專家判斷方法；模型推斷方法

中圖分類號：X524

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）20002403

1引言

早在十幾年前，我國各級政府就已經(jīng)針對湖泊富營養(yǎng)化治理問題，不斷傾注了大量的人力、物力，采取截斷外源、控制內(nèi)源、人工生態(tài)修復(fù)等多種手段，迄今為止，雖有一定好轉(zhuǎn)，但收效并不理想。湖泊富營養(yǎng)化的最根本原因是營養(yǎng)物輸入量過大，遏制湖泊富營養(yǎng)化，確保湖泊水生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)的重要手段就是控制削減入湖營養(yǎng)物的量。系統(tǒng)的建立湖泊營養(yǎng)物基準和富營養(yǎng)化控制標準，便于尋求更為科學(xué)的方法評估、預(yù)防、控制和管理湖泊富營養(yǎng)化。許多發(fā)達國家正在或已經(jīng)將地表水營養(yǎng)物基準建立起來，與之對應(yīng)，我國水質(zhì)基準特別是湖泊營養(yǎng)物基準研究尚在起步階段，通常以國外的相關(guān)基準值作為參照使用。由于不同地域的水生生物區(qū)系差異性顯著，中國的水生生物保護的需求很難通過參考其它國家的水質(zhì)基準得以實現(xiàn)，以借鑒參考等方法建立的水質(zhì)標準，很容易造成保護不夠或過分保護，致使科學(xué)制定我國水質(zhì)標準大打折扣 [1]。依照國外經(jīng)驗，應(yīng)首先進行湖泊營養(yǎng)物分區(qū)研究，以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)建立湖泊營養(yǎng)物的基準和標準，以統(tǒng)一性方式監(jiān)控湖泊環(huán)境質(zhì)量，便于科學(xué)的評估、預(yù)防、控制和管理湖泊富營養(yǎng)化，極大程度上避免決策管理的盲目性 [2]。

確定營養(yǎng)物背景本底濃度（即參照狀態(tài)）在營養(yǎng)物基準制定研究中是十分重要的環(huán)節(jié)?；诖丝纱_定時間演替下人類擾動導(dǎo)致的湖泊變化基線，進而判斷人類對湖泊潛在的現(xiàn)狀和未來變化是何種響應(yīng)水平。營養(yǎng)物背景本底濃度，是指每一水體類型的本底值，也就是水體受影響最小的狀態(tài)，或可達到的最佳狀態(tài)。在沒有污染的水體以及人類干擾的條件下，總磷、總氮、葉綠素a等營養(yǎng)物基準指標顯示的濃度水平，為理想的營養(yǎng)物基準背景本底濃度。然而，實際上由于水體均不同程度受到人類開發(fā)干擾影響，理想的營養(yǎng)物基準背景本底濃度是很難獲得的，需要通過特定方法建立確定。模型預(yù)測與推斷法、古湖沼學(xué)重建法、統(tǒng)計分析法、沉積物歷史反演法、專家判斷法、時間參考狀態(tài)以及空間參考狀態(tài)法等幾種方法是國外確定湖泊背景本底濃度時的常用方法。

2方法介紹與分析

2.1統(tǒng)計學(xué)方法確定營養(yǎng)物背景本底濃度（即參照狀態(tài)）

湖泊群體分布法（lake population distribution approach）和參照湖泊法（reference lake approach）是確定營養(yǎng)物背景本底濃度的兩種主要統(tǒng)計學(xué)方法。首先為判定參照湖泊的條件，應(yīng)當系統(tǒng)評估生態(tài)分區(qū)中的湖泊承受外界干擾的程度，進而篩選出尚無承受人類擾動或承受人類擾動程度較小，且保持最優(yōu)用途的湖泊，作為區(qū)域中的參照湖泊，以此對該區(qū)域自然物理的、生物學(xué)的和化學(xué)的完整性進行表征。歐洲WFD-CIS中指出，如果對生態(tài)沒有或僅有較小的影響條件下，可以允許人類影響，因此湖泊參照狀態(tài)的制定允許有較小的浮動范圍[3]。運用實測的歷史和現(xiàn)狀水質(zhì)生物數(shù)據(jù)，確保大多數(shù)湖泊在建立的基準約束條件下不產(chǎn)生富營養(yǎng)化，是運用統(tǒng)計學(xué)確定營養(yǎng)物背景本底濃度的一大優(yōu)點。

2.2古湖沼學(xué)重建方法確定營養(yǎng)物背景本底濃度（即參照狀態(tài)）

用古湖沼學(xué)方法定義營養(yǎng)鹽基線值和修復(fù)目標、評價自然條件、確定生態(tài)狀況和識別環(huán)境變化等進行了一些研究，但還需要改進和調(diào)整。在歐美國家，歐盟水框架指令（WFD）和美國清潔水法要求根據(jù)水體的生物學(xué)、水生形態(tài)學(xué)和物理化學(xué)原理，為不同類型的湖泊定義參照條件，以便評估當前狀態(tài)的淡水水域，作為相對的基線。

分析沉積物記錄中的生物遺體結(jié)合轉(zhuǎn)換函數(shù)為古湖沼學(xué)法反演湖泊營養(yǎng)物參照狀態(tài)提供了有力的技術(shù)。許多最近的研究闡述了古湖沼學(xué)記錄定義一系列水體類型的化學(xué)參照條件。如蘇格蘭淡水湖和芬蘭湖泊的硅藻-TP推斷模型、硅藻-pH推斷模型；愛爾蘭湖泊硅藻-pH和TP推斷模型；丹麥和芬蘭海岸硅藻-氮推斷模型。董旭輝等分析湖北太白湖400多年來沉積硅藻記錄，定量重建湖水總磷變化得出太白湖自然營養(yǎng)本底總磷值約為50 μg/L左右，可作為該湖泊治理時的參考目標。Johana Rasanen等利用硅藻-總磷推斷模型重建過去的TP濃度，得出表層樣本的DI-TP濃度分別為44 μg /L和39 μg /L[4]。

在最近幾年，一些數(shù)學(xué)分析方法的運用已經(jīng)成為更徹底的理解水生系統(tǒng)生態(tài)歷史的必要技術(shù)，已有大量的研究闡述了這種方法在定義參照條件和評價生態(tài)變化的能力。例如，Merilinen和Hynynen等采用硅藻和搖蚊分析技術(shù)，結(jié)合地球化學(xué)分析方法來評估因工業(yè)污染造成的芬蘭湖泊生態(tài)狀況的變化。Taylor等分析水蚤、硅藻屬、花粉和沉積化學(xué)評價6個愛爾蘭湖泊的營養(yǎng)物參照條件和富營養(yǎng)化的生態(tài)響應(yīng)。

通過分析沉積物泥芯獲取的化石殘骸（如搖蚊、硅藻）與溫度、總磷和pH值等水質(zhì)指標間的相關(guān)關(guān)系，以推演過去湖泊狀態(tài)信息的方法稱為古湖沼學(xué)重建法[3]。20世紀60年代開始，湖泊營養(yǎng)狀態(tài)演化方面的研究加入了古湖沼學(xué)重建相關(guān)指標。在加拿大227號湖泊Leavitt等通過大量實驗，對沉積物中古營養(yǎng)指標的準確性進行了驗證。Stockner和Benson（1967）在美國西雅圖華盛頓湖的研究中利用硅藻類別的A/C比，實現(xiàn)了該湖營養(yǎng)狀況近代演化史的還原。Wetzel等（2001）在對美國印第安納州Pretty湖進行研究中利用色素指標，實現(xiàn)了該湖營養(yǎng)狀況演化的還原。endprint

該方法雖然具有采樣點明確的優(yōu)勢，但由于實際操作中。沉積物中有機物保存的匱乏性，以及數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計模型和專家解釋的復(fù)雜性，致使該方法存在一定局限性。目前，該方法只在部分地區(qū)有使用，需要進一步的研究。

2.3歷史數(shù)據(jù)和專家判斷確定營養(yǎng)物背景本底濃度（即參照狀態(tài)）

20世紀之前，湖泊尚未因為人類不斷擾動致使湖泊環(huán)境發(fā)生顯著變化，歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)很少，再加上過去與現(xiàn)在采樣分析的差異，數(shù)據(jù)質(zhì)量無法得到保證，通過歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)確定營養(yǎng)物背景本底濃度具有很大程度不確定性。

專家判斷具有一定的主觀性，確定的營養(yǎng)物背景本底濃度無法將自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的可變性體現(xiàn)出來，適合與其他方法相結(jié)合使用，以便獲得最優(yōu)結(jié)果。

2.4模型預(yù)測和推斷確定營養(yǎng)物背景本底濃度（即參照狀態(tài)）

模型給湖泊學(xué)家提供定量的基礎(chǔ)來估測來自點源和面源的營養(yǎng)物負荷的特定變化所可能造成的預(yù)期反應(yīng)程度。同時，模型也是預(yù)測湖泊承受由于人類在流域內(nèi)的各種程度的開發(fā)活動造成的湖泊營養(yǎng)狀態(tài)變化的有力工具。近年來，土地利用作為外來營養(yǎng)物負荷的替代指標，被有效地用于預(yù)測湖泊內(nèi)的藻類葉綠素。這種方法根據(jù)的是流域內(nèi)的營養(yǎng)物損失與土地利用活動之間強烈的相關(guān)關(guān)系。土地利用與葉綠素之間的這種聯(lián)系，是一個被廣泛認可的湖泊營養(yǎng)狀態(tài)衡量方法，也是一個外部控制湖泊營養(yǎng)狀態(tài)變化過程重要性的補充例證。

由于湖泊流域環(huán)境長時間的承受人類擾動的影響，湖泊營養(yǎng)物背景本底濃度無法通過歷史、現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)以及專家意見進行確定，通過模型模擬選擇營養(yǎng)物指標，確定背景本底濃度是一種有效的解決途徑。U.S.EPA通過回歸模型方法確定了許多州的營養(yǎng)物參照狀態(tài)。

歐洲通常使用兩種方法建立營養(yǎng)物參照狀態(tài)，第一種是建立壓力-響應(yīng)擬合曲線，該方法參照狀態(tài)外推時常在已知數(shù)據(jù)/關(guān)系之外；第二種方法是建立預(yù)測變量和響應(yīng)之間聯(lián)系信息模型，該方法允許自然環(huán)境梯度[3]。

土壤形態(tài)指數(shù)法（MEI）和總量平衡模型法是U.S.EPA推薦的兩種模型方法。土壤形態(tài)指數(shù)法（MEI）是指湖水中總可溶性固體與湖泊平均深度之比。驗證校準需要用參照湖泊數(shù)據(jù)來進行，用于預(yù)測參照狀態(tài)下的磷濃度。該方法目前在冷水湖應(yīng)用成功，尚未對亞熱帶與熱帶湖泊、自然營養(yǎng)富集的湖泊實現(xiàn)確認和校正，存在一定局限性。總量平衡模型法則是通過進入湖泊的負荷和湖泊的水文條件來模擬營養(yǎng)物的濃度，進而預(yù)測水體在受人類干擾前可能的狀態(tài)[4]。入湖營養(yǎng)物負荷的自然背景濃度可以通過總量平衡模型推導(dǎo)出結(jié)果。負荷模型分為簡易模型、中等模型和精細模型。簡易模型非常適合模擬確定區(qū)域性的入湖負荷，進而確定區(qū)域性湖泊營養(yǎng)物背景本底濃度。如Reckhow-Simpson模型和SPARROW回歸模型（考慮了氮的大氣沉降作用以及總磷和總氮的4個來源）。

總體來說，環(huán)境條件要求不高、能夠形成連續(xù)的評價基線是模型預(yù)測和推斷法的主要優(yōu)勢。通過該方法可以確定對人類擾動強烈的湖泊營養(yǎng)物背景本底濃度。該方法的不足是需要大量數(shù)據(jù)校準和驗證，成本較高。

3目前研究中需要進一步探討的問題

從以上的研究現(xiàn)狀分析可以看出，與發(fā)達國家相比，我國水質(zhì)基準特別是湖泊營養(yǎng)物基準研究尚未形成體系，通常以國外的相關(guān)基準值作為參照使用。依照國外經(jīng)驗，首先進行湖泊營養(yǎng)物分區(qū)研究，以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)建立湖泊營養(yǎng)物的基準和標準，以統(tǒng)一性方式監(jiān)控湖泊環(huán)境質(zhì)量，便于科學(xué)的評估、預(yù)防、控制和管理湖泊富營養(yǎng)化，極大程度上避免決策管理的盲目性。目前營養(yǎng)物基準研究在我國尚處與起步研究階段。伴隨經(jīng)濟科技的發(fā)展，人類對水質(zhì)的潛在影響大大增加了，因此科學(xué)的確定天然水質(zhì)的興趣明顯增加，自然背景條件下水中的氮磷狀況在許多水環(huán)境領(lǐng)域引起了極大關(guān)注，自然背景濃度對于制定營養(yǎng)物基準來說是反映自然因素對營養(yǎng)物達到水質(zhì)目標的影響，區(qū)域尺度的背景濃度變化為區(qū)域營養(yǎng)物基準的制定提供了一個途徑。

盡管在我國前期的研究已經(jīng)就統(tǒng)計學(xué)方法、古湖沼學(xué)重建方法、歷史數(shù)據(jù)和專家判斷方法、模型推斷方法確定營養(yǎng)物參照狀態(tài)（即背景本底濃度）進行了初步的研究與嘗試，但由于缺乏覆蓋一定范圍的氣候條件和湖盆大小形態(tài)的歷史采樣點位，決定流域營養(yǎng)物背景濃度的工作在發(fā)達國家也受到阻礙。目前研究中主要存在以下問題。

（1）模型模擬營養(yǎng)物背景本底濃度尚沒有受到重視。鑒于我國湖泊長期的水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍性欠缺，區(qū)域地理氣候的差異變化十分明顯，在多數(shù)湖泊人類干擾程度很高等多重因素的影響，國外很多成功的營養(yǎng)物背景本底濃度確定方法在我國并不適用。環(huán)境條件要求不高、能夠形成連續(xù)的評價基線是模型預(yù)測和推斷法的主要優(yōu)勢。通過該方法可以確定對人類擾動強烈的湖泊營養(yǎng)物背景本底濃度。

（2）模型選擇及應(yīng)用。國內(nèi)外已有不少在流域尺度模擬污染物的產(chǎn)生和遷移的模型，基于復(fù)雜程度主要包括經(jīng)驗統(tǒng)計模型和機理模型兩類。經(jīng)驗統(tǒng)計模型包括克里格空間統(tǒng)計方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）等。SPARROW 流域空間統(tǒng)計模型則是將基于過程和經(jīng)驗統(tǒng)計的方法相結(jié)合。機理模型比較常見的有SWAT（Soiland Water Assessment Tools）等。針對研究需求和研究環(huán)境條件，選擇合適模型才能得到更優(yōu)化的模擬結(jié)果。

（3）背景流域選擇有一定難度。大氣沉降中氮固定作用主要是受到人類擾動和土地利用的影響，在工業(yè)化世界基本上不存在原始參照站點[6]。事實上，美國的許多州政府為了建立較實際的基線在適度發(fā)達的流域建立參照站點，這個基線與強烈發(fā)展的流域做比較[7]。由于這個原因當描述這些參照站點的水質(zhì)狀況時需要區(qū)分自然本底狀況和總體背景（或參照）狀況。此外，使用任何發(fā)達地區(qū)的參照點位數(shù)據(jù)制定水體營養(yǎng)物本底狀況的方法，都必須包括一些校正的方法，特別是大氣中的氮。由于一些氣候、水文、自然植被以及土壤和礦物構(gòu)成[8]等流域特征的變化，在不發(fā)達地區(qū)參照站點的營養(yǎng)物產(chǎn)出變化超過了2個數(shù)量級[9]。因此，估算發(fā)達地區(qū)本地濃度應(yīng)當反映自然屬性對這些地區(qū)的作用。endprint

（4）模擬尺度問題。在美國和其他一些發(fā)達的工業(yè)化國家，幾乎所有的參照站點都是位于小流域里，因為在這些地區(qū)大流域幾乎都被人類開發(fā)干擾了。由于從小參照流域獲得的結(jié)果“按比例增大”的困難[10]，因此很難實際上知道發(fā)達地區(qū)大水系流域的營養(yǎng)物本底水平。在一般情況下，由于營養(yǎng)物流失過程使得減少的大量營養(yǎng)物隨河道水系遷移到下游，預(yù)期營養(yǎng)物的產(chǎn)量和濃度將隨著湖盆尺寸的增加而降低。此外，水系內(nèi)流失率隨渠道的尺寸和其他復(fù)雜原因而發(fā)生變化[11]。迄今為止，還沒有從小參照流域提供的數(shù)據(jù)調(diào)試流域內(nèi)的流失作用效果，去估算大尺度流域的營養(yǎng)物濃度的方法。

（5）模型模擬的不確定性。由于全面監(jiān)測水體時空變化具有極高難度，而且測量本身就包含誤差，另一方面，物理系統(tǒng)被輸入實際數(shù)據(jù)，并對其輸出反應(yīng)，本身就包含不確定性。不確定性因素的來源主要包括：①模型基礎(chǔ)時間和空間輸入數(shù)據(jù)（如溫度、土壤物理化學(xué)屬性、降水等）的系統(tǒng)誤差和隨機性；②與模擬結(jié)果作比較的歷史資料（如徑流、含沙量、地下水水位等）的系統(tǒng)誤差和隨機性；③模型輸入非最優(yōu)參數(shù)值引起的誤差；④模型結(jié)構(gòu)的不完整產(chǎn)生的誤差。因此，校準過程的目標就是，降低①和②的測量誤差，減少誤差來源③，直至與①、②比較，其產(chǎn)生誤差可以忽略。在校準過程中，明確區(qū)分不同誤差來源是非常重要的，這樣就不會對一種誤差來源進行調(diào)整以彌補另一種誤差源的影響，如通過參數(shù)調(diào)整來彌補數(shù)據(jù)本身的誤差。

4結(jié)語

營養(yǎng)物背景本底濃度的確定方法眾多，選取何種方法取決于研究區(qū)域具備的條件，參照湖泊法適用于沒有擾動或擾動較小的區(qū)域，模型模擬法適用于擾動程度較高的區(qū)域，專家意見法可為部分區(qū)域研究結(jié)果進行修正優(yōu)化。不同方法各有優(yōu)缺點，實質(zhì)上很難尋求最佳方法，只需找到最適合的方法。

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