河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法研究進展

黃煒惠，馬春子，何卓識，張含笑，霍守亮

環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

河流是在一定氣候和地質(zhì)條件下形成的天然泄水輸沙通道，由高海拔到低海拔自然向下流動，流向海洋、湖泊和另一條河流。河流是自然界物質(zhì)與能量運輸?shù)闹匾ǖ?，對保育生態(tài)系統(tǒng)健康、調(diào)節(jié)氣候、保持生物多樣性等具有重要作用，是人類賴以生存的重要淡水資源[1]。近年來，由于人類對河流的不合理利用，使河道形態(tài)單一化，河流流速減緩，水體自凈能力減弱，水體富營養(yǎng)化等問題加重，生物多樣性減少，河流生態(tài)和使用功能嚴(yán)重受損[2]。世界各國都高度重視河流的生態(tài)保護和污染控制，我國對河流的生態(tài)保護起步較晚，在生態(tài)保護技術(shù)和管理能力方面急需提升[3]。

富營養(yǎng)化是河流受到損害而表現(xiàn)出的主要環(huán)境問題之一[4-6]。在流動的河流系統(tǒng)中，氮和磷的循環(huán)使?fàn)I養(yǎng)物的控制更加復(fù)雜，營養(yǎng)物可以迅速向下游運輸，而營養(yǎng)物輸入的影響與營養(yǎng)物來源分離，使?fàn)I養(yǎng)物來源控制變得更加復(fù)雜[6-8]。營養(yǎng)物可以通過釋放或微生物轉(zhuǎn)化由沉積物重新進入水體，因此，即使在河流外源污染減少后，由于河流內(nèi)源的釋放也可能使河流長期處于富營養(yǎng)化狀態(tài)[9]。河流的富營養(yǎng)化使生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降，導(dǎo)致河流生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化及淡水生物多樣性損失[10-11]。

河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)是河流生態(tài)健康狀況評價、水生態(tài)保護和管理的基礎(chǔ)，是河流營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂的依據(jù)。河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)是指營養(yǎng)物對河流產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)不危及河流及其下游水體功能或用途的最大可接受濃度或限值。數(shù)字化營養(yǎng)物基準(zhǔn)可以提供明確的目標(biāo)，有助于識別和評價河流系統(tǒng)富營養(yǎng)化程度，是控制河流營養(yǎng)物負(fù)荷、保護水質(zhì)及生物完整性的重要依據(jù)[12]。但目前大多河流的壓力—響應(yīng)關(guān)系不明確，且受歷史和當(dāng)前人類活動等多重因素干擾[6]，這些因素包括棲息地的改變、退化和破碎化(水庫和大壩的建設(shè)等)，流態(tài)的改變(蓄水防洪等)，污染，對資源的過度開發(fā)，引入非原生類群和氣候變化[7,13]。據(jù)估計，目前只有0.16%的地球表面受到的人為干擾程度較小，這使得很少有河流處于原始或自然狀態(tài)[14-15]。因此，河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定面臨著很多挑戰(zhàn)，既要深入分析河流富營養(yǎng)化形成機制，又要科學(xué)篩選指標(biāo)，確定合理的閾值范圍[16]。筆者系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)的最新研究進展，提出目前河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，以期推動河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的標(biāo)準(zhǔn)化。

1 河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定程序

1.1 總體程序

營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的目的是評估河流在自然狀況下的營養(yǎng)狀態(tài)水平，是保護水質(zhì)和恢復(fù)生態(tài)完整性的重要手段，其制定程序可概括為：1)確定河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的目標(biāo)，明確的需求和目標(biāo)將有助于評估基準(zhǔn)的制定及確定可實現(xiàn)的水質(zhì)目標(biāo)；2)建立河流分類特征，先將河流按類型分類，再按營養(yǎng)狀態(tài)分類；3)篩選營養(yǎng)物基準(zhǔn)候選變量，用于評估或預(yù)測河流富營養(yǎng)化的條件或程度，一般至少包括總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素a(Chla)和濁度4個變量；4)開展補充監(jiān)測，主要監(jiān)測河流的營養(yǎng)物和藻類生物量；5)建立歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫；6)選擇河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)方法；7)提出河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)推薦值；8)基準(zhǔn)值的驗證、校正和應(yīng)用。

1.2 河流系統(tǒng)分類方法

河流是自然因素和人為因素不斷互相作用的結(jié)果，因此需要利用現(xiàn)有的河流形態(tài)條件進行河流分類[17]。河流在生物、生態(tài)、物理、化學(xué)特征等方面具有顯著的差異，一個基準(zhǔn)不可能適用于所有河流，不同特征的河流應(yīng)采用不同的營養(yǎng)物基準(zhǔn)。通過對區(qū)域內(nèi)的河流系統(tǒng)進行分類，降低同一類別中河流地貌、水文、生物等特征的差異，同時根據(jù)分類結(jié)果確定不同類別河流的參照河流。河流的主要組成特征包括地貌、水文和生物：地貌特征決定了現(xiàn)有河道形態(tài)、水文過程以及河水中生源物質(zhì)；河流的水文變化特征(流量、水文節(jié)律等)決定了棲息地動植物種類及其生物化學(xué)過程；河流中生物包括水體及河岸帶植物、大型無脊椎動物、底棲藻類和魚類等，其受河流水文和水體營養(yǎng)物的影響，能反映河流物理化學(xué)特性，具有一定指示性。

河流系統(tǒng)分類主要包括基于物理因素和基于營養(yǎng)梯度2種方法。河流的物理因素是影響河流中生物的種類和豐富度的控制變量[18]，具有較高的穩(wěn)定性并容易獲得，是河流分類首要考慮的因素。河流基于物理因素分類最早是根據(jù)生態(tài)區(qū)進行分類，即通過疊加自然景觀特征(如地貌、地質(zhì)、土壤、氣候、土地利用)進行等級劃分[19]。目前歐洲等國家普遍使用的河流分類方法是在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上細(xì)化河流特征，包含河道形態(tài)(如寬度、深度、坡度、橫截面、河岸和河床、有無水庫池塘等)[17]，水文特征(如流速波動、洪水周期、季節(jié)變化等)[19]及河岸帶土地覆蓋類型[20]等數(shù)據(jù)，該方法涉及的具體數(shù)據(jù)需要根據(jù)實際情況進行收集與整理，工作量大，較為耗時，并需要相關(guān)專家的專業(yè)判斷。營養(yǎng)梯度分類主要關(guān)注化學(xué)和生物指標(biāo)，包括營養(yǎng)物濃度、藻類生物量(如Chla濃度)和濁度，也包括土地利用和其他人為干擾指標(biāo)[9]。由于易受到生物吸收或者吸附等影響，營養(yǎng)物在水體中不穩(wěn)定，因此，生物指標(biāo)被認(rèn)為是最有效的分類指標(biāo)[9]，也可作為河流管理的生態(tài)目標(biāo)。不同敏感類型的生物群落可以用于區(qū)分水質(zhì)污染和水文變化(大壩、氣候變化等)對河流生態(tài)退化的影響[21]。

1.3 河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)候選指標(biāo)

河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)候選指標(biāo)是評估或預(yù)測水體富營養(yǎng)化狀況或程度的可測量水質(zhì)變量，包括基本指標(biāo)和二級響應(yīng)指標(biāo)?；局笜?biāo)包括水體TN和TP濃度、底棲和附著藻類生物量(如Chla濃度)、濁度透明度及流量。二級響應(yīng)指標(biāo)包括溶解氧(DO)濃度、pH、新陳代謝、自養(yǎng)指數(shù)、電導(dǎo)率等。

水體DO濃度、pH、底棲群落新陳代謝等二級響應(yīng)變量都會隨著藻類生產(chǎn)力變化而變化，一定程度上能反映水體營養(yǎng)狀態(tài)。但這些二級響應(yīng)變量也會受其他自然或人為污染的影響而發(fā)生變化，如水體DO濃度和pH還易受湍流、光、溫度、緩沖能力等因素影響，底棲群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量也會因有機污染等發(fā)生變化。

2 河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法

US EPA于2000年發(fā)布了《河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)指南》[9]，提出采用參照河段法、預(yù)測關(guān)系模型法和已發(fā)布的營養(yǎng)物閾值或建議藻類限值制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)，2010年又發(fā)布了《利用壓力—響應(yīng)關(guān)系推斷數(shù)字化營養(yǎng)物基準(zhǔn)》，將河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法發(fā)展為參照狀態(tài)法、模型推斷法和壓力—響應(yīng)模型法3種[22]。河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定最理想的方法是在影響藻類生物量增長的非營養(yǎng)物因素(如光照、流量)不存在的情況下確定營養(yǎng)物基準(zhǔn)。與湖泊相比，河流作為流動的生態(tài)系統(tǒng)，在制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)時需要考慮營養(yǎng)物與著生生物之間的響應(yīng)關(guān)系，同時需要關(guān)注流量對河流營養(yǎng)狀態(tài)和營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的影響[9]。筆者通過系統(tǒng)分析統(tǒng)計分析法、模型推斷法和壓力—響應(yīng)模型法3種主要方法的優(yōu)缺點和適應(yīng)條件，探究河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法的發(fā)展趨勢。

2.1 統(tǒng)計分析法

統(tǒng)計分析法的基本假設(shè)是河流中有部分為高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的河流，能夠通過百分位確定參照狀態(tài)，其結(jié)果易受河流樣本大小和豐富度的影響[23]。統(tǒng)計分析法通常包括參照河段法、群體分布法和三分法。

參照河段是指相對沒有受到干擾的河段，能夠代表河流的自然生物完整性。參照河段的確定是河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的核心，確定方法主要包括根據(jù)已有的歷史資料或古生態(tài)數(shù)據(jù)[4]進行評估、實地調(diào)查、生態(tài)模型預(yù)測、最佳專業(yè)判斷法[24]。目前大多數(shù)河流受到人類活動和氣候變化的影響，河流形態(tài)等性狀發(fā)生改變，許多河流歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)不全，需要在分析現(xiàn)階段河流狀況的基礎(chǔ)上確定參照河段。實地調(diào)查判斷參照河段的方法在歐洲應(yīng)用較為普遍，但Johnson等[25]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)建模方法比實際調(diào)查得到的離散結(jié)果更準(zhǔn)確。在基準(zhǔn)制定過程中通常需要考慮專家意見，采用2個或2個以上的方法共同確定的參照河段具有較高的科學(xué)性[26]。參照河段法適用于受人類活動擾動較少的河流區(qū)域，一般選用參照河段頻數(shù)分布上14點位作為河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)。群體分布法是在區(qū)域內(nèi)參照河段數(shù)量不足的情況下，選取整個區(qū)域的河流為樣本(易遭受嚴(yán)重?fù)p害的河段排除在樣本之外)，采用群體分布的下5%～25%作為營養(yǎng)物基準(zhǔn)。三分法則是根據(jù)累積頻數(shù)分布的數(shù)據(jù)，分為貧營養(yǎng)(下13)、中營養(yǎng)(中13)和富營養(yǎng)(上13)3類水體，取下13對應(yīng)的數(shù)值作為營養(yǎng)物基準(zhǔn)。統(tǒng)計分析法準(zhǔn)確性受所研究河流質(zhì)量的影響，對貧營養(yǎng)、生態(tài)系統(tǒng)生物完整性較高的河流，設(shè)定較低的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值會造成河流的過保護；對受人為干擾的高營養(yǎng)負(fù)荷河流，設(shè)定較高的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值會造成河流的欠保護。因此，選擇高質(zhì)量河流是統(tǒng)計分析法的重要前提。

目前，統(tǒng)計分析法應(yīng)用廣泛，常與其他方法聯(lián)合用于制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)值并評價其他方法。Chen等[4,27]采用參照河段法、群體分布法及回歸模型法分別推導(dǎo)了我國曹娥江和清河流域的河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)值，3種方法得到的基準(zhǔn)值近似，采用3種方法的平均值作為最終營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。Heatherly[23]聯(lián)合使用參照河流法、群體分布法、壓力—響應(yīng)模型法和模型推斷方法制定美國內(nèi)布拉斯加州河流的營養(yǎng)物基準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)的流域使用模型推斷法和統(tǒng)計分析法得到的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值較為接近，而壓力—響應(yīng)模型方法得到的基準(zhǔn)值較高。Cheng等[28]在探究季風(fēng)氣候?qū)ξ覈鵀春訝I養(yǎng)物基準(zhǔn)值制定的影響時發(fā)現(xiàn)，參照河段用下5%得到的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值與用群體分布法75%得到的值近似。統(tǒng)計分析法是一種與其他營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法相互印證的方法，綜合考慮多種方法將有助于河流營養(yǎng)狀態(tài)的評價。

2.2 模型推斷法

受當(dāng)?shù)睾恿魑廴竞蜕鷳B(tài)環(huán)境影響，統(tǒng)計分析法得到的結(jié)果會有較大差異，同時大多數(shù)區(qū)域很難獲得參照河段的信息。模型推斷法以流域自然條件、人類活動、營養(yǎng)物輸入與響應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系等信息為基礎(chǔ)，采用水質(zhì)、水文、水生態(tài)等模型相結(jié)合的反演模型模擬水體中營養(yǎng)物的賦存和運移，利用水體的歷史數(shù)據(jù)對模型進行校準(zhǔn)，可最終分析得到河流營養(yǎng)物變化的自然過程和人類活動對河流富營養(yǎng)化的影響。

目前土壤和水評估工具(SWAT)可以移除受人為活動影響的土地利用，用來模擬自然條件(森林和濕地)，并預(yù)測不容易到達地區(qū)的參照狀態(tài)。Makarewicz等[29]采用SWAT模型，在去除土地利用等人為影響的情況下，考慮自然狀況下的河岸侵蝕、河流地質(zhì)、土壤類型和流域面積等數(shù)據(jù)進行了參照狀態(tài)的模擬，建立了美國紐約西部受城市化和農(nóng)業(yè)等人為影響嚴(yán)重的杰納西河的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。Heatherly等[23，27]通過比較多種方法，提出在以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)的地區(qū)，采用土地利用和TN、TP之間關(guān)系建立模型確定營養(yǎng)物基準(zhǔn)值較為合理。Cheng等[28]認(rèn)為，影響河流營養(yǎng)物負(fù)荷的人為因素包括土地利用、人口密度和牲畜密度，提出以人為自變量，以觀測到的營養(yǎng)物濃度的對數(shù)為因變量，以建立的回歸模型的截距表示營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。此外，可以利用模型設(shè)置不同排放情景來預(yù)測對應(yīng)的營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。Ulrike等[30]利用營養(yǎng)物排放預(yù)測模型MONERIS模擬了4種排放模式下氮、磷輸入河流的排放量，確定德國波羅的海流域河流TP的參照濃度低于0.05 mgL，TN的參照濃度低于1.00 mgL。

2.3 壓力—響應(yīng)模型法

壓力—響應(yīng)模型是在營養(yǎng)壓力數(shù)據(jù)及其響應(yīng)變量之間建立一定的壓力—響應(yīng)關(guān)系。營養(yǎng)物壓力數(shù)據(jù)主要指TN、TP濃度，可以通過實測得到，也可以通過營養(yǎng)物負(fù)荷模型將河流中TN、TP濃度與營養(yǎng)物點源和非點源相關(guān)聯(lián)，以推測營養(yǎng)物的來源、分布和濃度。響應(yīng)變量主要包括大型無脊椎動物、藻類、魚類等生物的豐富度、組成或其他相關(guān)指數(shù)。壓力—響應(yīng)模型法的局限性在于多種因素會對壓力—響應(yīng)變量之間關(guān)系產(chǎn)生影響，這些影響因素包括河流流量、棲息地條件、流域土地利用、懸浮物和有機物濃度等。在復(fù)雜的水生生態(tài)系統(tǒng)中，需要基于實際河流的特征考慮更多的方法來支持壓力—響應(yīng)關(guān)系推斷的信息，否則可能會使制定的營養(yǎng)物基準(zhǔn)不合理，導(dǎo)致河流的過保護或欠保護。

由于其他環(huán)境因素的干擾，生物指標(biāo)和營養(yǎng)物濃度梯度之間的關(guān)系不是線性的，通常呈現(xiàn)出非線性等特點，因此，選擇響應(yīng)指標(biāo)和建立壓力—響應(yīng)關(guān)系成為目前研究的熱點。Mclaughlin等[31]以美國俄亥俄州東部玉米帶平原農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)內(nèi)的溪流為研究對象，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network)模型評估了營養(yǎng)物和河流大型無脊椎動物群落之間的響應(yīng)關(guān)系。Qian等[32]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型和傳統(tǒng)統(tǒng)計建模方法建立了連續(xù)變量的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)可溶解氮濃度與生物指標(biāo)之間的壓力—響應(yīng)關(guān)系，制定了保護美國俄亥俄州溪流生物多樣性的河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)。Heatherly[23]采用6個無脊椎動物和5個魚類指標(biāo)，利用隨機森林預(yù)測法建立壓力—響應(yīng)模型，制定了美國內(nèi)布拉斯加州河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)。Ashton等[33]研究了TN及其形態(tài)與美國馬里蘭州可涉水溪流中的大型無脊椎動物群落之間的關(guān)系。

不同種類生物的敏感性促進了生物指標(biāo)的應(yīng)用，但過于敏感的生物指標(biāo)可能會導(dǎo)致河流的過保護[23]，因此生物指標(biāo)與影響因素之間的響應(yīng)關(guān)系仍需不斷探究。Theodoropoulos等[21]利用一種新的底棲大型無脊椎動物多量度指數(shù)評估河流水文的改變狀況，用于區(qū)分水體污染和水文(大壩、氣候變化等)條件改變對營養(yǎng)物狀況惡化的影響。Hausmann等[34]提出基于硅藻的生物狀態(tài)梯度法(BCG)用于評估河流的損害程度和制定河流的營養(yǎng)物基準(zhǔn)，并推導(dǎo)了美國新澤西州河流的營養(yǎng)物基準(zhǔn)。Elias等[35]利用硅藻組成，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)河流受人類影響程度不同，采用改進的最低干擾條件方法探究了葡萄牙西部沿海河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)。Charles等[36]綜合考慮硅藻組合和生物狀態(tài)梯度概念，結(jié)合多位生物學(xué)家多年經(jīng)驗判斷的新方法，確定了美國新澤西州河流的營養(yǎng)物基準(zhǔn)。

3 河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法的發(fā)展趨勢

目前通常采用參照河段法制定河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)，參照河段最能真實反映某一生態(tài)區(qū)河流的原始狀態(tài)，但尚未形成統(tǒng)一篩選參照河段的標(biāo)準(zhǔn)方法，而且氣候變化和大氣污染等問題也使參照河段的獲得變得越來越困難。模型推斷法十分復(fù)雜，需要大量的數(shù)據(jù)構(gòu)建表征水體特征的函數(shù)模型并進行相關(guān)參數(shù)率定，使?fàn)I養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定存在較大難度。壓力—響應(yīng)模型是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，表征生態(tài)狀態(tài)的生物指標(biāo)與指定用途之間的關(guān)系是制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)最相關(guān)和最有效的方法[37]，將成為河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的發(fā)展方向。河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定面臨著以下挑戰(zhàn)。

(1)深入研究人類活動和氣候變化影響下河流營養(yǎng)物濃度與著生生物、特殊敏感種群之間的響應(yīng)機制。相關(guān)研究表明，在氣候變化背景下，需要制定更嚴(yán)格的基準(zhǔn)以緩解氣候變化對營養(yǎng)物-藻類響應(yīng)關(guān)系的影響[38-39]。硅藻種群與水生生物的營養(yǎng)物濃度有強烈的相關(guān)性，被廣泛用于表征營養(yǎng)狀態(tài)和損傷程度[36]，能夠描述河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性和功能性。因此，需要建立營養(yǎng)物與硅藻等敏感種群之間的響應(yīng)關(guān)系，確定生態(tài)退化的河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。

(2)研究河流多級閘壩、斷流和渠道化等特點對河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的影響。大壩被認(rèn)為是影響河流生態(tài)系統(tǒng)完整性最嚴(yán)重的人為干擾[40]，大壩阻礙了氮、磷等營養(yǎng)物沿河網(wǎng)的流動，導(dǎo)致營養(yǎng)物的強化轉(zhuǎn)化和消除；梯級水壩通常會對流域內(nèi)或更大區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致河流破碎化、水文變化和泥沙淤積[8,40-41]，嚴(yán)重改變營養(yǎng)物與著生藻類的響應(yīng)關(guān)系。多級閘壩、斷流和渠道化等使河流破碎化，制定河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)時需要考慮其生態(tài)流量。

(3)營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定應(yīng)與河流管理需求緊密結(jié)合。加快河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)向標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)轉(zhuǎn)化，建立以富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的河流管理框架和營養(yǎng)物削減技術(shù)體系，為河流污染治理和生態(tài)系統(tǒng)綜合修復(fù)提供配套的管理政策。