填補國內空白 精准緩解“綠漆”之痛

▲東部淺水湖泊營養物基准標准及太湖達標應用研究預驗收會

▲ 湖泊沉積物採樣

▲課題研究思路

▲ 全國湖泊一級營養物生態分區圖

▲ 全國湖泊總磷濃度分布圖

▲ 全國湖泊葉綠素a濃度分布圖

湖泊，是人類賴以生存的自然單元之一。作為一種獨特的資源，湖泊在供水、防洪、養殖、旅游、航運、維持生態平衡和環境保護等方面發揮著巨大的社會經濟作用。近年來，對湖泊資源的過度開發和不合理利用，已經造成了以太湖為代表的湖泊水資源短缺、水環境惡化和生態系統退化的局面。

長江中下游地區淺水湖泊是我國富營養化湖泊分布的主要地區。針對富營養化發生的過程與機制，國內外已有一些研究，但其機理仍尚未完全明了。怎樣扭轉這一局面，改善湖泊生態環境，已經成為我國環保工作的重要內容並在不斷推進。然而，在實際工作中，仍缺乏體現淺水湖泊生態特征、功能和流域經濟社會條件的營養物基准標准，大量治理修復工程和管理措施缺乏科學目標，這些問題反而對脆弱的淺水湖泊生態環境造成過保護或欠保護。

事實上，東部淺水湖泊富營養化總體尚未得到遏制，部分湖泊持續惡化，湖泊面積逐年減少﹔水質良好湖泊生態安全受到潛在威脅。調查中未發現貧營養狀態的湖泊，9%湖泊處於中營養狀態，32%處於輕富營養狀態，35%處於中富營養狀態，11%為重富營養狀態。東部淺水湖泊生態系統持續退化，結構破壞嚴重，生物多樣性不斷減少，生態服務功能持續下降，生態系統呈現出由結構性破壞向功能性退化演變的趨勢。

有專家表示，長江中下游的“五大湖”地區，富營養化是一種最終可能演變成“癌症”的水體“肥胖症”，不僅導致飲用水水源水質受到嚴重威脅，水域生態功能如魚類產卵場、生物棲息地、游泳或娛樂功能也面臨喪失威脅。

東部淺水湖泊中浮游植物主要以藍藻、綠藻及硅藻為主，三者之和佔總生物量的86%，其中藍藻平均生物量為3.97 mg/L，綠藻為3.87 mg/L，硅藻為2.58 mg/L。容易形成水華的藍綠藻已經成為東部淺水湖泊浮游植物的優勢種，湖泊正面臨著富營養化的威脅。隨著總氮總磷濃度的增加，浮游動物生物量降低，水生昆虫密度逐漸升高佔主要優勢，寡毛類動物也出現逐漸升高的趨勢，軟體動物先升高再降低。

據了解，目前“五大湖”沉積物中積累了大量營養鹽，內源污染負荷很大。風浪擾動使湖體沉積物與水體的營養鹽交換十分頻繁，能夠迅速補償水華暴發期間的營養鹽需求。有受訪專家認為，目前太湖已進入了中富營養狀態。雖然治理力度大，但沉積物營養鹽還在增加。2016年衛星遙感監測信息顯示，太湖一旦遇到水文、氣象異動，藍藻水華就可能隨時暴發。而巢湖直追太湖也進入了中度富營養行列。其中，西半湖問題突出，從空中俯瞰有時湖水如刷了“綠漆”。

然而，現階段用於湖泊保護和富營養化控制的管理依據是GB3838—2002《地表水環境質量標准》﹝37﹞，其標准值的確定缺乏相應的數據支撐，沒有考慮營養物基准，更沒有考慮區域差異性。

為了改善東部淺水湖泊的水環境質量、科學進行富營養化控制和管理，保障太湖水生態健康、飲用水安全，國家水專項設置了“東部淺水湖泊營養物基准標准及太湖達標應用研究”課題，從東部淺水湖泊流域整體層面出發，開展東部淺水湖泊水生態共性特征與演變趨勢解析，大擾動高開發強度湖泊營養物基准標准制定、太湖典型流域達標技術方案等關鍵科學問題攻關，旨在通過科學理論和方法創新提升我國湖泊水環境綜合管理水平，為我國湖泊的富營養化防治和綜合管理提供科技支撐。

據課題組負責人介紹，課題立足於受人類活動擾動強度大的東部淺水湖泊營養物基准標准制定，經過4年的聯合科研攻關，在東部淺水湖泊水生態演替解析、受強擾動湖泊營養物基准制定、沉積物營養鹽基准制定和太湖營養物標准制定及達標應用等方面成果顯著，形成了1個平台、兩個報告、3項關鍵技術、4項技術指南、1項技術政策等成果，構建了典型區域營養物標准達標應用軟件模型系統，並實現業務化運行，填補了國內湖泊營養物基准標准研究空白。

課題成果是我國湖庫保護和管理技術路線的一次系統提升和完善，實現了從健康狀態識別、綜合評估到基准標准制定、優化達標的全過程自主研發技術突破創新，提升了我國在湖庫營養物基准方面的國際地位，推動了湖庫保護與管理科學技術發展，在國內外環境科學領域產生重要的影響。

解析百余湖泊特征 支撐生態安全評估

何為湖泊營養物基准？它是指營養物對湖泊產生的生態效應不危及其水體功能或用途的最大可接受濃度或限制，可以體現受人類開發活動影響程度最小的地表水營養狀態。數值化營養物基准是水質進行污染控制的基礎，有利於評價人類活動對水生態系統的影響，保護水質和水生物完整性並發展相應的管理決策。

地理位置、地形地貌、氣候條件、湖泊形態以及人類開發程度等情況的差異，使不同地域湖泊的富營養化成因、類型、演變過程以及物理、化學、生物學特性等方面存在顯著差異，同時湖泊的營養物水平和富營養化效應也具有很大的區域差異性。因此，不宜採用一個通用的營養物基准，需要根據不同區域和不同類型水體的特點，制訂區域湖泊營養物基准來更好地反映湖泊環境的差異，並滿足當前湖泊管理的需求，提高制訂相應水質標准的科學性。

據介紹，課題組全面系統解析了108個大於10km2東部淺水湖泊的水生態共性特征、空間差異及演變趨勢，形成了近百年水生態系統演替過程和水生態系統健康狀態綜合評估兩個報告。研究發現，東部淺水湖泊植被類型演替分為頂級演替階段、退化階段和退化末期階段。演替頂級階段的湖泊水生植物分布面積大，覆蓋率高，水質較好﹔處於退化初期湖泊清潔型植物群落迅速衰退，耐污型植物逐漸佔據為優勢種﹔處於退化末期的湖泊水生植物耐污型逐漸消失，水生植物覆蓋率極低，透明度下降，藻類佔據絕對優勢地位，水生植物難以恢復。底棲動物密度隨總磷升高逐漸增加，而生物量隨著總磷的升高先升高后降低。

近百年來，隨著湖泊富營養化水體總氮、總磷濃度的升高，東部淺水湖泊沉水植物經歷了微齒眼子菜、馬來眼子菜和金魚藻3個演替階段。這揭示了東部淺水湖泊近百年氮磷濃度升高驅動水生生物群落由清潔型-過渡型-耐污型3階段演替的規律及作用機制，確立了水生態系統對營養物輸入的可接受程度和濃度閾值。

成果支持了《千島湖生態環境安全評估》《山口湖生態環境保護基線調查與評估》《長潭水庫生態環境保護基線調查與評估》《佛子嶺水庫生態環境保護調查與評估》《萬峰湖生態環境保護基線調查與評估》《湖山湖生態環境保護基線調查與評估》等12個典型湖庫基線調查和生態安全評估，建立了人類擾動強度高、大尺度、自然-人工復合淺水湖泊群水生態系統健康識別與評估方法，發現東部淺水湖泊水生態系統健康狀況持續惡化，中度及重度富營養狀態湖泊的數量不斷增加，整體表現出由結構性破壞向功能性退化演變的趨勢。

突破關鍵技術 填補領域空白

此前，來自中國環境科學研究院的霍守亮、馬春子、席北斗、何卓識在一篇學術報告中提出，“湖泊營養物基准的制定應與湖泊管理的需求緊密結合。當前要加快營養物基准向標准的科學轉化，建立以富營養化標准為基礎的湖泊管理框架和營養物削減技術體系”。他們認為，應研究和發展與湖泊營養化控制有關的配套管理政策，包括營養物削減系統、反降級政策、總量控制政策、考慮對下游水體的影響及補償政策和營養物削減交易政策等。

課題組經過潛心研究，構建了以分類回歸樹模型和非參數拐點分析為核心的湖泊營養物基准壓力-響應模型制定關鍵技術，基於不同類型湖庫硅藻種群群落變化和營養物濃度變化分析，採用加速回歸樹（BRTs）、自舉回歸樹和閾值指標類群分析法（TITAN）等方法，構建了硅藻-總氮、總磷響應模型，有效驗証湖泊營養物基准的科學性和合理性。最終確定東部淺水湖泊營養物基准閾值范圍為：TP 0.03mg/L~0.04mg/L、TN 0.55mg/L~0.65mg/L和Chl-a 4.0μg/L~5.0μg/L，對應的東部淺水湖泊的健康等級為良好，優勢植物種類為苦草、馬來眼子菜和蓖齒眼子菜。

此外，據課題組負責人介紹，課題成果中還優化集成了湖泊營養物基准制定的技術方法，統籌營養物基准制定技術流程、數據收集與要求、候選指標及篩選、基准值推導、基准值驗証與審核及營養物基准應用等研究成果，突破受人類活動強干擾區域湖泊營養物基准標准制定關鍵技術，編制了《湖泊營養物基准制定技術指南》，並以國家環境保護標准的形式發布（HJ838-2017），“這是我國首次發布環境基准類技術指南，完善了我國水質基准技術體系，為制定全國湖泊營養物基准提供了科學依據。”課題負責人表示。

不僅如此，課題組還以基准為出發點，建立區域湖泊功能分級體系，構建結構方程模型與專家系統相耦合的營養物標准制定方法，通過湖泊營養物監測數據及專家打分結果建立結構方程模型，確定不同功能可達性水平下的營養物標准建議值。

“我們突破了東部淺水湖泊營養物基准向標准轉化的關鍵技術方法，構建了基於湖泊功能、技術經濟評估的太湖流域營養物分級標准技術體系。”課題負責人介紹說，課題組綜合東部淺水湖泊功能與標准分級、營養物水質指標與標准定值方法、標准實施的技術經濟評估等研究成果，編制了《東部淺水湖泊營養物標准制訂技術指南》（建議稿），有力支撐了正在修訂《地表水環境質量標准》（GB3838-2002）中營養物標准的確定。

據了解，課題組以太湖營養物基准為依據，以營養物基准向標准轉化技術方法為手段，考慮與其他標准的協調與銜接，建立了太湖營養物標准建議值，並以此進行技術經濟評估。“我們按照水質逐級改善的思路，制訂太湖營養物標准分級分期執行計劃﹔將反降級政策、上下游協調政策等納入營養物標准體系中，構建標准實施保障技術體系和配套政策。”課題負責人表示，這些研究成果都將要或已經應用於大撫仙湖、洱海、烏梁素海等多個湖泊流域的水質目標管理制定中，為科學確定湖泊保護目標、防止過保護或欠保護提供了技術支持。

形成標准制定平台 構建技術支撐體系

據課題組負責人介紹，課題組通過系統集成，整裝形成了一套完整的東部淺水湖泊營養物基准標准制定支撐平台，囊括了數據庫系統、數據分析系統、模型系統和演示系統等。

據了解，這套系統集成了入湖營養物通量核算、入湖營養物溯源、營養物優化削減分配及經濟技術評估等成果，提出了太湖流域營養物水質標准達標關鍵共性技術和管理策略，編制了《太湖富營養化控制及水質達標評估技術指南》（建議稿），建立了典型區域營養物削減-達標技術優化模型軟件系統，並業務化運行16個月，為常州市政府環境管理提出建議。

不僅如此，這套支撐平台還適用於不同區域、不同湖泊類型的基准標准制定，同時採用可視化界面，方便管理人員及科研人員應用。這套系統已應用於安徽、江蘇、浙江、黑龍江等省的湖泊營養物基准標准制定，為地方湖泊的生態環境保護和水質改善提供了有力支撐。

課題組負責人還表示，通過東部典型淺水湖泊的深入研究，課題組在營養物基准標准制定技術、實踐方面取得了重大突破，目前已經形成完善的營養物基准標准制定和優化達標技術支撐體系，提升了太湖及東部淺水湖泊富營養化控制和管理水平，推動了太湖及東部淺水湖泊水質改善。

據介紹，課題提出的基於營養物標准進行的流域控制技術評估和集成可以有效地規范和指導富營養化防治實踐，提高湖泊治理的針對性，減少盲目性和不必要的投資浪費，避免了湖泊過保護和欠保護，解決了湖泊控制和管理中基於營養物標准進行削減技術集成的重大共性科學問題。研究成果轉化為《湖（庫）富營養化防治技術政策》。

此外，課題總體成果已在我國20余個湖庫基線調查與評估、保護規劃和綜合治理規劃工作中得到應用，為相關指南制定提供理論和技術支持。例如，為山口湖、長潭水庫、贏湖、佛子嶺水庫、青獅潭水庫、萬峰湖和大冶湖等的生態保護方案編制提供了重要的理論技術支持，編制了《山口湖生態環境保護實施方案》《佛子嶺水庫生態環境保護方案》等20余個湖庫保護和綜合治理方案和規劃。

隨著湖區社會、經濟的發展，我國湖泊污染的因素不斷增多。數據顯示，我國東北及長江中下游湖泊屬富營養型，蒙新和青藏地區的湖泊屬貧營養型或貧營養向營養型過渡，其余地區湖泊則幾乎全部屬於營養型。

“東部淺水湖泊營養物基准標准及太湖達標應用研究”課題闡明了東部淺水湖泊生態系統演變的主要驅動因子，提出健康狀態識別技術方法，建立了東部淺水湖泊群大尺度營養物生態效應評估方法，確定了東部淺水湖泊水生態系統對營養物輸入的可接受程度和濃度閾值﹔探明了東部淺水湖泊營養物本底和參照狀態，構建了湖泊營養物基准與標准制定技術方法，制定了東部淺水湖泊營養物基准和分級標准﹔形成完善的營養物基准標准制定和優化達標技術支撐體系。授權了國家發明專利23項，發表相關核心刊物論文69篇，出版專著兩部。研究成果支撐了《水質較好湖泊生態環境保護規劃（2013-2020）》和《江河湖泊生態環境保護項目》的實施，完善了我國水質基准和標准體系，提升了我國湖泊水環境綜合管理水平，推動了我國湖泊富營養化的控制。 （邢飛龍）