（环境科学与工程专业论文）统计学方法制定我国湖泊营养物基准的研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 的基础上，研究指标之间的关系并建立回归方程，对湖泊典型的营养物浓 度、营养状态指数和氮磷比等进行分析和比较，并针对不同方法建立东部 平原湖区营养物参照状态的结果进行对比。利用统计学方法( 湖泊群体分 布法) 建立各湖区营养物参照状态，分析其差异的成因，评价在参照状态 所处的营养状态。 综合研究分析显示，不同湖区各指标间关系各不相同，如有机质浓度、 非藻类浊度和总溶解性固体等对营养状况均有不同程度影响；综合考虑之 后，选定三个湖区的总磷和总氮的参照状态值分别为o 0 2 5 m g l - 1 、 o 0 0 5 m g l 1 、o 0 0 8 m g l - 1 和0 6 2 2 m g l - 1 、0 6 3 3 m g l 1 、o 1 7 3 m g l - 1 ，叶绿 素a 和透明度的参照状态值分别为0 6 5 m g i n 3 、0 7 9 8 m g m 。、2 2 4 m g m - 3 和0 6 0 m 、2 6 8 m 、4 9 7 m ，表明在无人类活动干扰的条件下，东部平原湖 区处于中营养状态，其余两个湖区处于贫营养状态。 关键词：湖泊，营养物基准，指标，参照状态，统计学方法 r e s e a r c ho nt h es t a t i s t i c a lm e t h o di nl a k en u t r i e n tcr i t e r i a e s t a b l i s h m e n ti nch i n a a b s t r a c t l a k ee u t r o p h i c a t i o nh a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tg l o b a lw a t e r e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s a st h eb a s eo fe u t r o p h i c a t i o nc o n t r o ls t a n d a r d , l a k e n u t r i e n tc r i t e r i ad e v e l o p m e n ti sap d o f i 锣i nc h i n a t h e r ea r et h o u s a n d so f l a k e so v e rt h ec o u n t r y , t h en u t r i e n tl e v e l sa n dt h ee f f e c to fe u t r o p h i c a t i o nv a r y s i g n i f i c a n t l y t h u s ，c r i t e r i as h o u l db ee s t a b l i s h e di ne a c hr e g i o nt od e v e l o p n u t r i e n tc r i t e r i as c i e n t i f i c a l l y n u t r i e n tc r i t e r i av a r i a b l e sc o u l db eu s e dt om e a s u r ew a t e rq u a l i t y , e v a l u a t et r o p h i cs t a t u so rp r e d i c te u t r o p h i c a t i o na n dw e r et h eb a s i so fl a k e n u t r i e n tc r i t e r i ai nr e g i o n s i nt h i ss m d gas e r i e so fv a r i a b l e sa n dt h es i t u a t i o n i nu s aw e r er e v i e w e d ，a n ds o m ep r i n c i p l e sa n ds u g g e s t i o n sa b o u tv a r i a b l e s e l e c t i o nw e r ep r o p o s e d l a k en u t r i e n tr e f e r e n c ec o n d i t i o ne s t a b l i s h m e n ti na ne c o r e g i o ni sa c r i t i c a lp a r ti nn u t r i e n tc r i t e r i ad e v e l o p m e n t i nt h i ss t u d y , s e v e r a lm e t h o d so f r e f e r e n c ec o n d i t i o ne s t a b l i s h m e n th a v eb e e nr e v i e w e da ss t a t i s t i c a lm e t h o d s ， i n c l u d i n g s t a t i s t i c a lm e t h o d ，m o d e le x t r a p o l a t i o n ，p a l e o l i m n o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o na n de x p e r tj u d g e m e n t ；r e f e r e n c el a k ea p p r o a c h ，l a k ep o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n a p p r o a c h ，t r i s e c t i o na p p r o a c h a n dr e g r e s s i o na p p r o a c hw e r e i i i 北京化工大学硕士学位论文 a n a l y z e d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eh i s t o r i c a lm o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rq u a l i t yi n t h r e er e g i o n s ，t o t a lp h o s p h o r u s ，t o t a ln i t r o g e n ，c h l o r o p h y l laa n ds e c c id e p t h w e r es e l e c t e da sn u t r i e n ti n d i c a t o r s b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e g i o n a lv a r i e t y , r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ev a r i a b l e sw e r es t u d i e da n dr e g r e s s i o ne q u a t i o n s w e r es e tu p ；t y p i c a ln u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n s ，t r o p h i cs t a t ei n d i c e sa n dn pr a t i o w e r ea n a l y z e d ；r e f e r e n c ec o n d i t i o n ss e tb yd i f f e r e n t a p p r o a c h e s w e r e c o m p a r e d s t a t i s t i c a lm e t h o d ( 1 a k ep o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o na p p r o a c h ) w a s a p p l i e dt oe s t a b l i s ht h en u t r i e n tr e f e r e n c ec o n d i t i o n sf o re a c hr e g i o n ，a n dt h e t r o p h i cs t a t u so f e a c hr e f e r e n c ec o n d i t i o nw a se v a l u a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tv a r i a b l er e l a t i o n s h i p si nd i f f e r e n tr e g i o nd i f f e r e d ，e g o r g a n i cc o n c e n t r a t i o n ，t u r b i d i t ya n dt o t a ld i s s o l v e ds o l i d sc o u l da f f e c tt r o p h i c s t a t u s t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，r e f e r e n c ec o n d i t i o nv a l u e so ft o t a l p h o s p h o r u s ，t o t a ln i t r o g e nw e r e0 0 2 5 m g l - 1 ，0 0 0 5 m g l - 1 ，o 0 0 8 m g l 1a n d 0 6 2 2 m g l - 1 ，0 6 3 3 m g l - 1 ，o 17 3 m g l 1 ；r e f e r e n c e c o n d i t i o nv a l u e so f c h l o r o p h y l laa n ds e c c id e p t hw e r e0 6 5 m g m 3 ，0 7 9 8 m g m 3 ，2 2 4 m g m - 3a n d 0 6 0 m ，2 6 8 m ，4 9 7 m r e g i o n lw a si nm e s o t r o p h i cs t a t u sa n dt h eo t h e r sw e r e b o t hi ne u t r o p h i cs t a t u sw i t h o u th u m a nd i s t u r b a n c e k e yw o r d s ：l a k e ，n u t r i e n tc r i t e r i a , i n d i c a t o r ，r e f e r e n c ec o n d i t i o n ， s t a t i s t i c a lm e t h o d i v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 壅! 垒 日期：坦 ! ! 曼! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 醢叠 日期： 导师签名：茎缘 日期：丝缸l 上一 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 作为地表水资源重要的组成部分，湖泊是其所在流域地区经济得以持续发展以及 人类赖以生存的基础。湖泊生态系统，是水域生态系统中的静水生态系统，由湖盆、 湖水、水体性质与水生生物共同组成。处于不断发展中的湖泊，由于地域自然生态环 境的不同、成因和发展阶段的差异、以及湖泊本身的物理、化学和生物过程的区域特 点亦存在差异，使得湖泊生态系统及其空间分布均具有多样性【l 羽。但是，有相当长的 段时期，人类只片面强调了对湖泊的开发和利用，忽略了湖泊生态系统的脆弱性。 其中，由于营养物过剩而引起的湖泊富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 已经逐渐成为严重的全 球性水环境问题，各国环境学家、湖沼学家和生态学家对此的关注和重视日益增强【4 - 6 。 营养物是生命和生态系统功能所必需的，但是过量便会导致有害藻类和植物过度 生长、氧含量下降、水质混浊、物种和生物多样性减少、饮用水倍受影响、人类和动 物发病率升高以及引发其它水质问题【7 】。根据营养物质的浓度由低到高，湖泊可以分 为贫营养、中营养和富营养等三种营养状态。湖泊所处的营养状态会随着外界营养物 质输入的增加等原因而改变，如从贫营养型经中营养型阶段逐渐演变为富营养型。湖 泊学家们认为，天然的富营养化是水体自然衰老的一种表现，若植物性营养元素氮、 磷过量进入水体，则会加速其富营养化进程【8 捌。富营养化的湖泊可以大致划分为草型 湖泊和藻型湖泊两个类型，前者指沉水植物占据优势种群的水域，例如我国内蒙古的 乌梁素海，而后者指浮游藻类占据优势种群的水域，例如我国的太湖。 我国共约有两万多个湖泊，湖泊总面积达九万多平方千米，其中面积大于l k m 2 的约为2 3 0 0 多个，为全国城镇饮用水提供了5 0 以上的水资源。湖泊流域往往人口 密集，社会和经济相对发达。同时，随着经济和社会的快速发展以及城市化规模不断 扩大，大大加速了湖泊富营养化的进程；大量含有氮、磷营养物质的生活污水排入附 近的湖泊、水库和河流，大大增加了这些水体营养物质的负荷量。此外，为提高农作 物产量，化肥的施用量逐年增加，一经雨水冲刷，渗透作用使得进入湖泊的富营养物 质不断增多。目前，我国湖泊富营养化趋势日趋严重，集中表现在富营养化范围扩大、 频率加快、危害加重，湖泊水质大都受到不同程度的污染。我国的富营养化湖泊主要 集中在东部平原和云贵高原湖区，在曾经调查过的2 0 0 余个湖泊中，呈富营养状态的 超过3 4 ，并以东部的巢湖、太湖以及西南的滇池等湖泊的最为突出，例如太湖从上 世纪8 0 年代开始每隔十年其富营养化的程度就上升一个级别【m 】。随时会爆发的蓝藻 水华严重威胁着湖泊生态系统的健康和人类饮用水的安全。 基于我国湖泊富营养化问题的日益严重，对我国湖泊进行合理有效的富营养化控 制业已成为环境保护的当务之急。因此，我国急需在以下几个方向开展研究工作： 北京化工大学硕士学位论文 1 ) 基于湖泊区域差异性的营养物生态分区 在全国湖泊富营养化区域差异性调查及其演化规律研究的基础上，阐明不同区域 湖泊营养物生态学效应的时空分异规律和主要驱动因子，建立我国湖泊营养物生态分 区理论与技术方法；综合考虑湖泊营养物生态分区与流域管理的协调性以及水文单元 的完整性等因素，建立体现我国湖泊富营养化区域差异性特征的营养物生态分区体 系。 2 ) 制定不同分区湖泊营养物基准 在湖泊营养物生态分区的基础上，研究我国不同分区湖泊营养物基准制定的技术 方法和关键技术，识别和筛选基准候选变量，优选营养物基准指标，科学合理确定不 同分区湖泊的参照状态，建立不同分区湖泊营养物基准值，通过适应性分析和生态毒 理学评价，确定不同分区湖泊的营养物基准值，构建我国不同分区湖泊的营养物基准 体系。 3 ) 依据湖泊营养物基准制定富营养化控制标准 研究我国湖泊富营养化控制标准制定的技术方法，科学分析营养物基准和富营养 化控制标准之间的内在联系和转化机制；以不同分区湖泊营养物基准为基础，以有效 控制富营养化为目的，结合水生态系统及人体健康、湖泊功能、社会经济条件和环境 管理目标，构建国家湖泊富营养化控制标准及其分级技术体系【l 。 1 2 湖泊营养物基准 1 2 1 基准和标准 环境基准指的是环境中污染物质对特定对象( 人或其它生物) 不产生不良影响或 有害影响的最大剂量( 即无作用剂量) 或浓度【1 2 1 ，其实际上是基于不同保护对象的一个 多目标函数或一个范围阈值【l3 1 。国际上现已将环境基准研究视为反映和衡量一个国家 环境科学研究水平的标志之一，因而一些发达国家投入了大量的人力、物力和财力， 其中美国、加拿大、西欧和国际经济合作与发展组织( o e c d ) 等先后颁布了许多污 染物的环境基准资料和文件，以使其在环境科学研究中的领先地位得到保持和提升 1 2 1 o 水质基准和标准是水质标准体系的重要组成部分，二者的概念各不相同。其中， 前者即水质基准，一般是科学实验或推导的值，主要体现为一张表格，是制定水质标 准、评价水质和进行水质管理的科学依据，不具有法律效力；而后者即水质标准，则 以水质基准为依据并考虑自然条件以及国家( 或地区) 的社会和经济的发展情况，在 此基础上制定的，且需要经过一定的综合分析和评价，是具有法律效力的限定值，由 国家有关管理部门或机关颁布，一般具有法律强制性【l 6 1 。 2 第一章绪论 在水体营养物方面，湖泊营养物基准是制定湖泊富营养化控制标准的理论基础和 科学依据，决定着富营养化控制标准的科学性和合理性；而同时，富营养化控制标准 则为湖泊富营养化控制和管理的基础与手段，科学合理的标准体系将有利于保护我国 湖泊水体的物理、化学以及生物完整性。 纵观全球，美国的水质基准和标准是目前世界上体系最为完善和最具科学性的， 对其进行分析和研究将有助于我国水质基准和标准的推进和发膨1 7 】。关于水生生物、 人体健康和营养物的水质基准是美国联邦环境保护局( t o s e p a ) 推荐并负责公布的 污染物浓度的科学参考值( 这个值也可以为定性描述的) ，水质标准则是由各州和部 落参照水质基准和本州的水体功能制定而成的法捌1 8 l 。美国关于水质基准的基础和应 用的研究工作，可以追溯到上世纪6 0 年代，此后陆续推出和颁布了绿皮书、蓝 皮书和红皮书等一批水质基准文献。1 9 7 7 年，美国清洁水法案明确了控制 美国污水排放的基本法规；1 9 8 0 年，u s e p a 初步制定关于获取水质基准的技术指南， 并于1 9 8 3 和1 9 8 5 年分别进行了修订；1 9 8 7 年，汇编完成全美境内的生态分区地图， 为水生和陆地资源的管理提供支持( 生态分区是指“生态系统相似的区域，它们所描 述的地区内生态系统组成( 陆生与水生、生物与非生物) 整体来说与相邻地区不 同【1 9 】) 。该生态分区系统基于因果与综合因素( 包括土地利用、地表形态、潜在自 然植被和土壤) 相结合的感知模式，最初建立在资源管理的州水平上，集中在水生生 态系统( 化学性质、生物聚集和湖泊营养状况) 大体可达的范围【2 0 l ；总体生态分区系 统是在综合e p a 的i 级生态分区水平上确定的，代表了相似的地质学、土壤、气候、 水文学、植被和野生动植物，这些构成影响湖库营养物的自然水平及系统中营养物的 迁移变化。 经统计，u s e p a 现有关于1 6 5 种污染物的基准，共涉及合成有机物1 0 6 项、农 药3 0 项、金属1 7 项、无机物7 项、基本物理化学特性4 项和细菌l 项，涵盖了为保 护水生生物而制定的水质基准、为保护人体健康而制定的水质基准、以防止水体富营 养化为目的的营养物基准以及生物基准等数类基准。按照基准制定特点，水质基准可 大致划分成两大类，一类是毒理学基准，一类为生态学基准。前者是基于大量科学实 验与研究而制定出来的，根据保护目标的不同，又可分为人体健康基准和水生生物基 准；后者则基于大量的现场调查，通过统计学分析而制定出来的，包括营养物基准和 生态完整性评价基准【2 1 1 。根据表述方式的不同，水质基准还可分为数值型基准和叙述 型基准，其中数值型水质基准因为便于管理而成为最普遍的形式，在无法推导或不便 采用数值型基准时，可使用叙述型基准。在上述各类基准中，营养物基准是在各级生 态分区的基础上，在各生态分区内统一制定的，制定过程主要包括数据调查、确定指 标变量、建立参照状态和确定基准值几个步骤【2 引。 1 9 9 8 年，美国提出关于制定区域营养物基准的国家战略，针对湖泊水库、河流、 河口海湾和湿地等4 种类型水域，2 0 0 0 - - 2 0 0 7 年先后推出其营养物基准技术指南1 2 引。 北京化工大学硕+ 学位论文 就湖泊而言，u s e p a 制定和公布1 4 个一级生态分区的湖泊营养物基准，各州根据营 养物基准技术指南陆续制定本州的营养物基准【2 4 1 。在该指南中，建议首先建立区域技 术协作组和合适的数据库，据此划分营养物生态分区并对湖泊进行分类( 含地理性与 非地理性分类) ，对各生态分区和不同类型湖泊水库筛选候选变量、确定指标，通过 适当方法( 推荐统计学方法) 建立参照状态，再经专家组讨论、对保护特定用途和对 下游影响等多方面因素的综合考虑之后，确定区域的湖泊营养物基准【2 3 2 4 j 。 我国的水质标准开始于2 0 世纪8 0 年代，从无到有，经过二十余年的发展和修订， 已逐渐形成了一个较为完整的标准体系。其中地表水环境质量标准是一个综合性标 准，自1 9 8 8 年首次颁布实施，迄今已历经修订两次，2 0 0 2 年公布了最新版的中华 人民共和国地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 2 5 】，为我国当前水环境监督管理的 主要标准，在我国的水环境保护执法和管理工作中处于特殊的地位，发挥着不可替代 的作用。然而，就营养物削减和富营养化控制而言，尚存在着严重的不足，尤其缺乏 不同分区湖泊营养物基准和富营养化控制标准。 1 2 2 富营养化相关的因素 营养化条件指标可以是化学的、生物学的或是综合性的。化学指标包括磷和氮的 浓度；生物学指标不但包括基于物种、多样性及其它群落特征的生物指标，也包括生 物量和生产力的度量；综合指标通常指营养状态指标( t r o p h i cs t a t ei n d i c e s ，t s i s ) 。一 般而言，评价和控制富营养化生态危害的主要指标不是毒理指标，或指标离毒性阈值 很远。目前判别水体富营养化的标准有许多种，但是暂无统一标准，其中，最为典型 的是基于营养盐的判别标准和多因子判别标准两类。由于普遍认为营养盐是导致水体 富营养化最关键的因素，因此，许多学者通过营养盐指标能够间接反映水体富营养化 的级别。基于营养盐的判别标准，以加拿大v o l l e n w e i d e r 所提出的为代表；o e c d ( 1 9 8 2 ) 在国际内陆水域监测合作项目的基础上，提出温带湖泊各种营养状态的总磷的具体边 界值( 肛g l - 1 ) ，并根据湖泊富营养化的调查结果，得出以总磷为指标确定水体营养类 型的最大概率分布值【2 6 】；中国湖泊资源( 王洪道等，1 9 8 9 ) 一书也曾给出有关总磷 和总氮的湖泊富营养化程度评价标准【2 刀。目前，国际上常常采用多因子判别标准，因 为普遍认为引起水体富营养化现象的原因非常复杂，应当同时考虑多个影响因素。这 以u s e p a 实施的g e k s t a t t e r 判别标准为代表，其优势在于全面考虑了相关的外界影 响因素，不足之处是易导致各因素之间关系发生混淆，尤其是对于各判别因子属于不 同营养级别时欲做出惟一的判定结果相当有难度【2 引。研究发现，能够反映湖泊水库营 养状态的变量很多，但只有部分指标适宜用于湖库营养状态的评价，不同国家和地区 所选取的指标亦各不相同。 ( 1 ) 浮游植物 4 第一章绪论 浮游藻类的生长是富营养化的关键过程，该理论最早由丹麦著名生态学家 j o r g e n s e n 于1 9 8 3 年指出弘弘j u j 。此后，日本学者研究发现，水力停留时间小于4 天的 水体发生富营养化问题的，几乎都是受上游湖泊富营养化影响所致。水温在2 5 3 0 时，发生富营养化( 或“水华) 的可能性最大，在合适的光照条件下，藻类便迅速 繁殖，湖面数日内即能出现成片且集中的藻体。 在藻类群落中，不同物种整体随季节的变化而更替出现；在夏季，蓝藻群落占主 导地位，不同蓝藻物种之间也经常更替出现。这种藻类群落物种更替的原因包括地质 水文学和生态学两方面的原因。当发生某藻类物种的水华时，营养物质被吸收，水华 消失时，营养物质被释放到水体或底泥中，继而作为下一种藻类物的营养物质p 。藻 类中往往含有藻毒素，而藻毒素需要通过特殊的膜过滤技术或生物技术处理才能够被 去除，大大增加了水质净化的成本；在蓝藻门所产生的各种藻毒素中，微囊藻毒素( m c ) 的毒性最大【3 2 】。 引起湖泊蓝藻水华暴发的有上行效应和下行效应两种机理，前者由水体中营养物 质增加而导致，大多数情况下属于该机理，后者由控制浮游植物的浮游动物缺失而导 致。影响水华发生的因素很多，大致包括三个方面：温度、光照、悬浮物、风浪扰动 等物理因素，营养物的限制和转化等环境化学因素，种群竞争和食物链控制等生物因 素【3 3 】。 ( 2 ) 营养盐( 磷和氮) 磷，是引起水体富营养化的营养物，尤其是在气候潮湿的地区，藻类的增长通常 为磷限制，即在自然条件下，磷是限制藻类和大型植物生长的最为关键的因素。作为 富营养化水平的重要指标，湖泊中磷的浓度大小，常用于衡量湖泊生产力的高低 【3 3 删。天然湖泊中，大部分为有机磷，其中约7 0 以上以颗粒态的形式存在。一定条 件下，沉降在湖底的营养物经释放进入上覆水从而形成内源负荷【j j j 【j 川。由于营养盐 的可利用态与不可利用态之间存在的转化关系过于复杂，对从湖泊中采得的水样，目 前国际上常规分析的是磷的总量，即总磷( t p ) ，包含所有有机的和无机的、可滤过 的和颗粒状的磷，虽然只有部分形式能够为藻类所吸收利用【2 3 】【3 3 】【3 6 1 。在许多磷限制的 湖泊中，总磷和叶绿素水平通常呈简单的线性关系。u s e p a 推荐湖泊水库中磷的浓 度上限为0 0 2 5 m g l 1 总磷浓度或0 0 5 m g l 。正磷酸盐浓度p 。 营养物( 磷、氮) 的含量及其比例与水体富营养化密切相关。营养物是藻类恶性 繁殖的诱发因子，o e c d 于上世纪6 0 年代便已调查证型2 6 】【3 3 1 。一般地，当氮与磷的 质量比大于1 0 ：1 时，藻类增长的限制因素首要为磷；某些研究发现，当可溶性氮与可 溶性磷的比值低于2 9 ：1 时，蓝藻增长迅速，成为藻类群落的主导1 3 l 】；日本湖泊学家 曾研究发现，当湖水的总氮和总磷的浓度比处于1 0 ：1 - - , 2 5 ：1 的范围时，藻类生长与营 养物浓度存在线性相关，而该比值在1 2 ：1 1 3 ：1 时，最适宜于藻类生长【3 0 】【3 7 】。此外， 铁和钼等微量元素亦可单独或与氮或与磷限制藻类的增长，这在蓝藻占优势的湖泊中 北京化工大学硕士学位论文 最为明显【3 i j 。 ( 3 ) 其他变量 透明度、化学需氧量( c o d ) 和溶解氧( d o ) 等其他变量仅在部分国家和地区采用 1 2 3 】【3 3 1 【3 6 1 。在一般的湖泊中，透明度的变化主要源于水体中悬浮的藻类数量的差异，它 能非常好地表征湖泊的富营养化程度，所以透明度是湖泊营养状态评价常用的一个变 量，为识别湖泊营养状况及趋势最好的变量之_ 3 3 】【3 8 】。虽然一些研究已经发现c o d 与富营养化过程之间存在良好的相关性，但是关系尚未明确；d o 很难作为预警性指 标，则是因为其在富营养化发生过程中一直处于动态变化中1 3 引。叶绿素a ( c h l o r o p h y l l a ，c h l a ) 与塞氏透明度( 塞氏深度，s e c c h id e p t h ，s d ) 之间的关系有r a s t 总结出 的对数关系，叶绿素与总磷关系的则主要有o e c d 、d r l l o n 和b a r t s c h 等总结的经验 公式【3 3 】。这些方程虽然在快速估算藻类生长状况上计算简便，但由于是根据欧美的 调查资料而建立的，若应用于我国，则其科学性有待考虑。毛劲乔等在我国5 7 个湖 泊1 9 8 9 2 0 0 0 年的8 4 组湖泊的实测数据的基础上，获得总磷平均浓度与叶绿素a 平 均浓度的相互关系，且通过了3 0 个湖泊和水库的实际数据验证，表明该公式能够较 为准确地反映我国该类水体的富营养化进程【3 3 1 。 营养状态指标( t r o p h i cs t a t ei n d i c e s ，t s i s ) 描述的是湖泊的营养状态。基于塞氏 深度可估定自然水体中的藻类生物量，1 9 7 7 年，r o b e r tc a r l s o n 发表了在塞氏深度作 为表现藻类生物量的基础上的t s i ，即c a r l s o n 营养状态指标。c a r l s o nt s i 是在假设 水体透明度和色度缺失的基础上建立的，基本上是塞氏深度的线性变换；全球大多数 湖泊的t s i 值都落在0 1 0 0 范围内，t s i 每增加1 0 个单位( 如1 0 、2 0 、3 0 等) ，s d 减少一半、t p 增加一倍，c h l a 增加2 8 倍。t s i 接近于零表示水体处于贫营养极端， 而t s i 接近1 0 0 则表示超营养状态【4 1 1 。金相灿等在湖泊富营养化调查规范( 1 9 9 0 年) 中修正了t s i 与c h l a 浓度的关系公式，并给出修正的营养状态指数( t s i m ) 的分级 标准【3 6 1 ；张远等将营养状态评价指标，根据其分级标准值转化成营养化指数( i e i ) ，进 而采用加权求和的方法得出营养状态综合指数( i e ) ，用于水库营养状态的连续分级 【3 9 l ；富国则采用多指标的无量纲化和标准化处理，提出河湖指数( r l i ) 的概念，作为 湖库富营养化敏感分级的开放性定量指标，估计湖库不同区域水体的动力状态，其 有效性在三峡水库的分级试验中得到证实【4 2 】。 1 3 湖泊营养物基准的制定方法 1 3 1u s e p a 方法 在营养物基准制定的过程中，最为核心和基础的内容是生态分区的营养物指标和 参照状态的确定【2 4 1 。其中，参照状态是指“影响最小的状态或认为可达到的最佳状 6 第一章绪论 态”，尽管参照状态不能直接确定基准，但有助于建立特定区域内认为最自然的和可 能达到的湖泊状态上限【2 3 】。 u s e p a 的营养物基准技术指南手册：湖泊和水库( u s e p a2 0 0 0 ) 推荐同时 使用原因变量( 如t p 、t n ) 和反应变量( c h l a 、s d ) ，描述水体中生物总量的t s i s 也可用于营养物基准制定。建议统筹考虑有机碳、溶解氧、大型水生植物生物量和种 类、生物群落结构、土地利用、对下游水域的影响和季节性变化等影响因素，研究湖 泊不同营养阶段相互转化的营养物阈值；可综合运用多元统计分析、古湖沼学重现、 模型推断等常规方法【2 3 】【4 3 】，建立各分区湖泊营养物基准指标的参照状态。 u s e p a 采用基于频数分布的统计学方法对从满足e p a 水质控制标准的总体生态 分区中所有湖泊的收集到的数据进行分析，在大尺度的1 4 个一级生态分区制定t p 、 t n 、c h l a 和s d 的环境水质基准建议【2 3 】( u s e p a2 0 0 1 ，表1 ) 。从表中可见，不同分 区的同一基准指标值可以存在十分明显的差异。通过一些i i i 级生态分区的众多数据 发现，大尺度生态分区内的可变性也很高。因此，e p a “推荐各州和部落在i i i 级生 态分区规模和具备易利用数据的水体分类上制定营养物基准”【1 9 】【4 l 】。目前有些州已分 到了级区【4 4 4 5 】。 表1 1 各总体生态分区总磷、总氮、叶绿素a 和透明度的e p a 推荐的湖库基准 t a b l e1 - 1t p ，t n ，c h l aa n ds dc r i t e r i ar e c o m m e n d e df r o me p af o rl a k e s r e s e r v o i r si ne c o r e g i o n s 参数ii ivxx ix 总磷( u g l ) 5 5 0 0 8 7 51 7 0 0 2 0 0 0 3 3 0 0 3 7 5 01 4 7 5 8 0 0 2 0 0 0 6 0 0 08 0 01 0 0 0 1 7 5 08 0 0 总氮c r a g l ) 0 6 60 1 00 4 00 4 40 5 60 7 80 6 60 2 40 3 60 5 7 0 4 60 5 21 2 70 3 2 叶绿素a ( u g l ) 4 8 81 9 03 4 02 0 02 3 0 s8 5 92 6 32 4 34 9 35 5 02 7 9 s2 6 01 2 3 5 t2 9 0 透明度( m ) 2 5 54 5 02 7 02 0 01 3 01 3 63 3 34 9 31 5 30 8 02 8 6 2 1 00 7 94 5 0 ( 未特别指定时叶绿素a 由荧光法测定：s 指分光光度法，t 指三色测色法。) 1 3 2 美国各州的方法 ( 1 ) 佛罗里达州方法 为探究切实可行的营养物基准制定的技术方法，佛罗里达州环保部( d e p ) 等测 验了e p a 营养物基准指南文件提议的各种方法，并研究生物学基准和营养物基准之间 的关系，制订了一项生物评价草梨7 】【2 3 1 。 d e p 采集了1 9 9 3 至1 9 9 7 年间2 0 0 多个湖泊的样本，包括1 0 0 多个未受影响的参 照湖泊和1 0 0 多个受人类活动影响的湖泊( 影响从不大到很大，包括农业排放、城市 排放和沉积物污染) 。基于地形、水化学、湖泊起源、湖泊动力学和土壤情况的地理 分区，将全州划分为4 7 个湖区【矧。各种考察数据分析显示该少i 1 动植物对水体影响最 北京化工大学硕士学位论文 大的是色度和p h 值【4 7 1 ，据此将湖区水样划分为5 个湖泊生物学等级，每级均有相似 的生物学特性。选取磷、氮、叶绿素和塞氏深度四项为基准指标，分别给出相应的推 荐值。 营养负荷是佛罗里达湖泊的主导但非独导因素f 7 】f 4 7 4 引。d e p 采用6 种不同的方法 确定佛罗里达湖泊营养物基准：参照湖泊分布、古湖沼学分析、形态土壤指数、营养 物湖泊状态指数( t l c i ) 与营养物浓度的局部回归、c h l a 与s d 的多次线性回归模型 和营养物与c h l a 的关系图。前3 种方法用于确定最小影响的本底浓度，后3 种用于 确定保护生物学条件的浓度。 通过对确定t p 基准值的若干方法的试验，发现各结果之间存在细微差异，每种 方法各有优缺点。首先用现行的参照湖泊分区，然后主要采用古湖沼学数据( 因为其 能提供不同湖泊环境历史上一些营养物浓度的信息，从理论上说，应该还能提供湖泊 潜力的信息) ，最后使用参照湖泊生物学条件局部回归的结果推断营养物水平。然而， 许多因素会影响藻类对营养物的生物反应，其中存在极大的不确定性。由于古湖沼学 分析不包括氮的历史预测，故只采用参照湖泊分布和局部回归两种方法确定t n 基准。 在确定潜在叶绿素基准上，能利用的数据很少，于是根据参照分布、多次线性回归模 型和关系图来确定c h l a 基准。在使用参照分布时，用7 5 确定基准时一样也是基于 平均值的，因为值的范围相当大且样本大小也不同。对于塞氏深度基准，采用参照点 分布和多次线性回归模型这两种可行方法。然而由于塞氏深度同时受营养因素和非营 养因素( 如浊度和色度) 的影响，该值较难确赳儿。 ( 2 ) 明尼苏达州的方法 为保护娱乐用途和水生生物( 尤其是冷水渔场) ，明尼苏达州污染控制局( m p c a ) 于1 9 8 8 年建立了湖泊的t p 基准【4 9 】。根据湖泊特定用途和深度制定的新的自然湖泊生 态分区特殊营养物基准正在提议中( 在2 0 0 7 年4 月) 。按照明尼苏达州准则( 7 0 5 0 章) 将州内湖库分类为“2 类水 ( 2 类a 和2 类b ) 及“7 类水 。2 类水的特定用 途包括水生生物维持和娱乐，7 类水为有限的资源价值的水。州内所有湖泊( 包括2 类水和7 类水) 都要保护工业、农业、航海、景观和其他用途 4 9 - 5 0 1 。由于湖泊可能同 时提供几个用途，m p c a 将“最敏感的次级用途 选出，用于制定湖泊营养物基准。 最敏感的次级用途定义为“易受湖泊营养状况上升影响甚至失去的用途”【4 i j 【4 引。 m p c a 倚重以往的相关研究发现来制定t p 的指导基准，且也按照e p a 指南手册 的程序来制定营养物基准。数据库包括流域特征、湖泊形态、湖泊生态学( 鱼类和大 型植物需求) 、区域内e p a 总体营养物生态分区湖泊状态、明尼苏达参照湖泊状态、 明尼苏达水质湖泊评价状态、使用者感知、湖泊水质的历史重建和其他信息的数据。 例如，“参照湖泊数据库 由9 0 个湖泊组成，这些湖泊是被认为受点源和非点源污 染影响最小的。参照湖泊每年夏天采样三至四次 4 9 1 。 明尼苏达州地形多样，从北部森林到南部草原和农业耕地各有不同。m p c a 采用 8 第一章绪论 o m e m i k ( 1 9 8 7 ) p o 建立的生态分区将该州分为七个显著的生态区域，以制定专门的 区域营养物基准计划。m p c a 通过三级将湖泊分类，第一级分类是将自然湖泊和水库 区分，第二级按湖泊的指定用途( 如2 类a 、2 类b 、7 类) ，第三级关注的是湖深。 湖深影响着湖泊对营养物的吸收、循环和决定大型植物或浮游植物谁占优势的能力。 m p c a 将最大深度小于等于1 5 英尺( 即4 5 7 米) 的湖泊定义为“浅水湖泊 ，包括 了沿海地区8 0 以上的湖泊。作为分区营养物基准制定的一部分，m p c a 确定了水体 类型最敏感的次级用途。对于浅水湖，保护水生群落是最敏感的次级用途，而水深超 过1 5 英尺的湖泊，娱乐是其最敏感的次级用途。 由于州内大部分湖泊都是磷限制，m p c a 再次选择t p 浓度作为候选基准，另外 计划使用两个反应变量：c h l a 和s d 。明尼苏达州3 0 3 ( d ) 清单中公共输入也要求 m p c a 考虑使用反应变量。此外，m p c a 选c h l a 和s d 是因为t p 、c h l a 和s d 间有 密切联系( r z 0 7 0 ) 。而且，c h l a 水平和s d 一直与公众感观紧密相伴。m p c a 分析 来自州参照数据库和m p c a 与e p a 水质评价数据库的资料，决定用每个生态分区参 照湖泊和各区特殊类型湖泊的t p 浓度、c h l a 水平和s d 的7 5 为参照状态。同样， m p c a 通过考虑各区的2 5 与7 5 和湖泊类型计算出评价数据库的典型状态【4 l 】【4 9 1 。 m p c a 采用e p a 技术指南手册( 2 0 0 0 ) 的建议建立参照状态、调查历史记录， 并在需要时借助模型这些方法来制定各区和湖泊类型的t p 水平、叶绿素a 浓度和s d 的候选阈值。m p c a 众多研究中的方法主要包括c a r l s o nt s i 、湖泊内磷的历史重建、 使用感知以及水生生物需求。 阈值可由影响结果的浓度确定，如超富营养作用或生物学破坏。m p c a 将t p 、 c h l a 和s d ( 基于生长季节的平均值) 的夏季阈值用于基准。规定原因变量( t p ) 和 反应变量之一( c h l a 或s d ) 都超标时，方才判定为超过超营养标准。m p c a 也建议 制定供水湖泊和其它特殊环境的特殊点位基准( 例如，对于因自然原因而未达到基准 的湖泊，可根据特殊监测数据和其它相关信息制定其特殊基准) 。反降级规则也用来 保护达到基准湖泊水质以防水质变低【删。t p 、c h l a 和s d 的阈值是根据显著权重和 来自h e i s k a r ya n dw i l s o n ( 2 0 0 5 ) 的各种分析信息选择确定的。首先确定的是t p 阈值， 重点考虑明尼苏达州湖泊t p 指导基准的研究【4 1 】【4 9 1 。c h l a 和s d 的阈值由它们与t p 及其互相的关系、使用者感知信息和各种回归方程得出。m p c a 考虑的大量信息包括 但不局限于以下1 4 州： 参照湖泊群体t p 数据的7 5 ； m p c a 评定的湖泊群体t p 数据的2 5 和5 0 ； 包含明尼苏达州湖泊在内的e p a 总体生态分区t p 数据的2 5 和5 0 ： 欧洲移民之前t p 的预测数据的7 5 ； 参照湖泊群体c h l a 和s d 数据的7 5 ； m p c a 评定的湖泊群体c h l a 和s d 数据的2 5 和5 0 ； 9 北京化工大学硕士学位论文 包含明尼苏达州湖泊在内的e p a 总体生态分区c h l a 和s d 数据的2 5 和5 0 ； 由c a r l s o n t s i 得出的t p 、c h l a 和s d 的综合值； 使用者感知与s d 和c h l a 数据