濕地營養(yǎng)物基準制定方法研究

霍守亮，席北斗* ，陳奇，昝逢宇，2，蘇婧，何卓識

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.安徽師范大學環(huán)境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241000

《關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》中對濕地的定義:濕地系指不論其天然或人工、常久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動、咸水或淡水、半咸水或咸水水體，包括低潮時水深不超過6 m的水域。濕地是自然界最具豐富多樣性和較高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，對保育地球生態(tài)系統(tǒng)健康和調(diào)節(jié)氣候、保持生物多樣性等具有重要作用，然而目前由于受到人類活動的影響，尤其是濕地及其周邊氮磷營養(yǎng)鹽的過量富集，導致濕地物種組成退化、生物多樣性降低、濕地萎縮、濕地結(jié)構(gòu)和功能受損，有毒有害污染嚴重以及生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定等問題［1］。目前，世界各國都高度重視濕地的生態(tài)保護和污染控制，由于我國在該領(lǐng)域起步相對較晚，控制的理論和技術(shù)手段急需提升。

濕地營養(yǎng)物基準是營養(yǎng)物在濕地中產(chǎn)生的生態(tài)效應不危及濕地水生態(tài)系統(tǒng)或下游水體功能和用途的最大可接受濃度或限值，基準指標包括原因變量(水體和沉積物中的氮磷濃度)、生物反應變量(生物量)和支持變量(水文、傳導率和粒度等)。濕地營養(yǎng)物基準是濕地富營養(yǎng)化識別、評價、管理以及濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復的重要依據(jù)，也是控制下游水體營養(yǎng)物負荷、保護下游水體的重要支撐。美國1998年制定了區(qū)域營養(yǎng)物基準的國家戰(zhàn)略，此后八年先后編制完成了湖泊/水庫(2000年4月)、河口海岸(2001年10月)、河流(2006年7月)和濕地(2007年9月)的營養(yǎng)物基準技術(shù)指南［2-3］。目前，國內(nèi)外學者針對不同類型濕地營養(yǎng)物循環(huán)轉(zhuǎn)化、生態(tài)系統(tǒng)演化過程、營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化動力過程等開展了大量研究，為了解營養(yǎng)物累積導致的濕地演化過程提供了重要基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有的研究主要側(cè)重于機理，難以直接指導實際的濕地資源保護和管理，筆者從濕地營養(yǎng)物基準制定的角度出發(fā)，結(jié)合國際上的研究經(jīng)驗，分析濕地營養(yǎng)物基準的制定過程，探討濕地營養(yǎng)物基準制定方法，以期為濕地的資源管理提供重要支撐。

1 濕地營養(yǎng)物基準制定程序

由于濕地分布的區(qū)域性差異和當前對營養(yǎng)物、藻類和大型植物生長以及其他因素(流量、光照和底質(zhì)等)間關(guān)系的了解，對不同區(qū)域不同類型的濕地不適合采用單一的、說明性的濕地營養(yǎng)物基準制定程序，各區(qū)域可以根據(jù)具體情況選定合適的濕地營養(yǎng)物基準制定程序和方法。制定并實施濕地營養(yǎng)物基準的總體目標是保護并保持國家濕地水域的水質(zhì)，其包括受損生態(tài)體系恢復、高水質(zhì)的保持以及保護未來處于高受損風險的濕地生態(tài)系統(tǒng)。因此，濕地營養(yǎng)物基準制定程序可概括為:1)確定制定濕地營養(yǎng)物基準的目標，建立濕地監(jiān)測計劃。2)建立基于濕地生態(tài)系統(tǒng)特征的濕地分類系統(tǒng);確定濕地科學分類的基本原則;分析通用濕地分類方法在制定濕地營養(yǎng)物基準中的重要作用;濕地分類對于確定濕地營養(yǎng)物狀態(tài)和類似濕地條件非常重要。3)確定濕地營養(yǎng)物基準的候選變量，包括主要變量和支持變量。主要變量應在反映與營養(yǎng)物、營養(yǎng)物負荷率、濕地土壤營養(yǎng)物濃度以及濕地植被的營養(yǎng)物含量有關(guān)的濕地特征方面起重要作用，支持變量為標準化原因變量和反應變量提供有用信息。4)啟動濕地監(jiān)測計劃，收集水質(zhì)和生物數(shù)據(jù)以制定保護濕地生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物基準。5)建立歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，有關(guān)水質(zhì)信息的數(shù)據(jù)庫是各區(qū)域制定濕地營養(yǎng)物基準時的重要工具。如果多數(shù)區(qū)域或參數(shù)沒有或只有很少的數(shù)據(jù)，則每個區(qū)域有必要設(shè)立新收集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。6)建立制定濕地營養(yǎng)物基準的數(shù)據(jù)分析方法。7)提出濕地營養(yǎng)物基準推薦值。8)基準值的評價、校正和應用。

2 用于濕地營養(yǎng)物基準制定的濕地分類方法

濕地的主要組分特征為水文、土壤和植被。濕地水文是決定土壤變化、棲息地動植物種類以及生化過程類型和強度的主要影響因素;濕地土壤既可能是有機的也可能是礦化的，但是在濕地植物生長期間飽水濕地土壤或者水浸沒濕地土壤至少在某些時段內(nèi)有共同的特征;濕地植被由許多藻類物種、草本的或者新興的植物組成。為每個濕地制定單獨的營養(yǎng)物基準從經(jīng)濟和管理應用上不可行，但為某一區(qū)域內(nèi)同一類型濕地制定所需的基準是可行的。濕地分類的主要目標是減少因地質(zhì)、水文和氣候等自然條件差異導致的不同類型濕地間的變異，降低必須定義參照條件濕地類型的數(shù)量。

水生資源主要有兩種分類方法:1)基于地理的分類方法。生態(tài)區(qū)(包括營養(yǎng)物生態(tài)區(qū))和生態(tài)單位代表以地理為基礎(chǔ)的分類方法，已在美國應用［4-5］，該方法主要目的是減少氣候和地質(zhì)以及地形、植被、水文和土壤方面的空間協(xié)同關(guān)系作為參照條件的變化。2)獨立于地理分類方法之外，以區(qū)域、流域或者生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模確定其水生生態(tài)狀況以及脆弱性的環(huán)境特征來進行分類［6］。該分類方法是以土地利用、土地覆蓋［6］、水文地貌［7］、植被類別［8］等單個指標或以這些指標復合的流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)的分類方法［9］。以地理為基礎(chǔ)的和以環(huán)境特征為基礎(chǔ)的濕地分類方法已分別用于濕地營養(yǎng)物基準制定過程中的濕地分類，并在濕地分類分級的框架內(nèi)進行組合應用。將以地理為基礎(chǔ)的分類方法和以水生地貌或者以棲息地為基礎(chǔ)的分類方法進行組合，可以形成以地理和環(huán)境特征組合為基礎(chǔ)的分類體系。

用于濕地營養(yǎng)物基準制定的濕地分類方法應包括影響營養(yǎng)物本底水平和在空間尺度上對濕地營養(yǎng)物負荷敏感的因子。自然地理的分類方法消除了影響營養(yǎng)物本底水平和土壤質(zhì)地的背景值變化，以及氣候和地貌的影響。而基于水文地理的分類方法減少了水和營養(yǎng)物來源、水深、水動力、水力停留時間、同化作用能力和其他地表水類型之間相互作用的背景變化。基于水深和持續(xù)時間的分類方法有助于解釋濕地內(nèi)部營養(yǎng)物循環(huán)變化，溶解氧水平及其變化，以及濕地維持更高營養(yǎng)水平的能力?；谥脖活愋偷姆诸惙椒ㄓ兄诮忉屨純?yōu)勢的主要生產(chǎn)者形成時營養(yǎng)物的背景變化。不同分類方法要和實際應用結(jié)合起來，在重新評審濕地分類時，確定原有分類是否正確需要充分的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 濕地營養(yǎng)物基準候選變量分析

濕地營養(yǎng)物基準候選變量選擇主要是基于人類活動如何影響營養(yǎng)物的輸入和濕地的變化，主要包括原因變量(營養(yǎng)物負荷、土地利用、土壤中可提取的氮磷濃度、土壤中總磷總氮濃度、水柱氮磷濃度等)、反應變量(大型植物中的氮磷濃度、地上部分的生物量和株高、藻類中的氮磷濃度、大型植物群落結(jié)構(gòu)和組成、藻類群落結(jié)構(gòu)和組成、無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)和組成等)及支持變量(水文條件、電導率、土壤pH、土壤容積密度、粒徑分布和有機質(zhì)濃度等)。

原因變量主要用來反映濕地營養(yǎng)物有效性的特征。多數(shù)濕地是以變化極大的營養(yǎng)物負荷率和密切相關(guān)的土壤與水柱作用為特征。作為制定濕地營養(yǎng)物條件的原因變量，營養(yǎng)物負荷估算和土壤營養(yǎng)物測量比直接測定濕地水柱中的營養(yǎng)物濃度來建立濕地的營養(yǎng)狀態(tài)更有用。歷史上的營養(yǎng)物負荷和土壤營養(yǎng)物測量能夠反映歷史上濕地營養(yǎng)狀態(tài)的變化。在濕地土壤層的化學組分上表現(xiàn)出高度的空間異質(zhì)性，在受營養(yǎng)物影響的濕地區(qū)域可能比同一濕地中未受影響的區(qū)域表現(xiàn)出更多可變性。濕地流域的土地利用可以反映濕地參照狀況特征和鑒別參照濕地，為制定濕地營養(yǎng)物基準提供營養(yǎng)物負荷率。最為簡單的是，自然區(qū)域的比例或者農(nóng)業(yè)和城市土地的比例可以用來反映濕地周圍土地利用的特點。土壤中可提取的氮磷濃度是土壤中氮磷富集狀況的指示指標，與地表水中氮磷濃度以及外部源引起的氮磷濃度富集具有很強的相關(guān)性［10-14］。濕地的營養(yǎng)物輸入因時間、空間不同而存在很大差異，因此，水柱氮磷濃度的單一監(jiān)測數(shù)據(jù)僅反映出濕地營養(yǎng)物狀態(tài)的部分情況，無法反映出濕地生物地球化學循環(huán)以及影響濕地生物群的長期營養(yǎng)物輸入模式的改變，應以多次水柱中氮磷濃度監(jiān)測為基礎(chǔ)。

反應變量是多年對營養(yǎng)物富集響應的一組變量，如微生物、藻類和大型植物都會對營養(yǎng)物富集產(chǎn)生響應。對營養(yǎng)物富集的生物響應通常是有序發(fā)生的，先是對營養(yǎng)物吸收的增加，然后生物生產(chǎn)量隨之增加，其后隨著物種組成發(fā)生變化，一些物種消失而其他一些物種取而代之。濕地大型植物對營養(yǎng)物富集的響應體現(xiàn)在氮磷吸收與儲存的增加［12，14-15］。在光照等其他因素不限制生長的情況下，濕地大型植物也可通過增加凈初級生物量(NPP)和其自身生長做出對營養(yǎng)富集狀況的響應［14］。藻類營養(yǎng)物濃度與數(shù)周的水柱氮磷生物利用率的變化相結(jié)合，提供了濕地近期營養(yǎng)物狀況的某種指示［16-17］。植物群落的組成和由于人類活動而導致的植物群落組成改變可作為濕地生態(tài)系統(tǒng)生物完整性的敏感指標;藻類可作為濕地生物和生態(tài)條件的重要指標;藻類物種的組成，特別是硅藻屬普遍被用作濕地生物完整性和理化狀況的指標;水生無脊椎動物也可以用來評價濕地生物和生態(tài)狀況。

支持變量并不能反映濕地中營養(yǎng)物有效性或者生物響應的特性，而是為原因變量和反應變量標準化提供有用的信息。電導率對營養(yǎng)物輸入具有靈敏性，可以反映濕地營養(yǎng)物輸入特性和解釋營養(yǎng)條件;pH對于濕地土壤類型和詮釋土壤營養(yǎng)物變量非常重要，也可以解釋磷的有效性和保持能力;土壤有機質(zhì)用于濕地土壤分類和解釋土壤營養(yǎng)物，因為初級產(chǎn)生率常超過分解率，濕地土壤常表現(xiàn)為有機質(zhì)蓄積的特征;濕地水文條件主要反映濕地特性，對大部分的原因變量和反應變量的標準化很重要，水文條件能夠在濕地內(nèi)直接影響調(diào)控營養(yǎng)物和懸浮物動力學的化學和物理過程［18］。

4 濕地營養(yǎng)物基準確定

濕地營養(yǎng)物基準是通過利用原因變量、反應變量和支持變量，采用相應的數(shù)據(jù)分析方法，建立科學的可以有效保護濕地健康和濕地功能的基準值。目前有三種推薦采用的濕地營養(yǎng)物基準制定方法:1)參照狀態(tài)法，用濕地的參照狀態(tài)來表征自然的或受人類影響最小的濕地生態(tài)系統(tǒng)的原因變量和反應變量;2)模型推斷法，運用預測關(guān)系模型推斷保護濕地結(jié)構(gòu)和/或功能不受損的營養(yǎng)物濃度;3)劑量-效應關(guān)系法，通過建立營養(yǎng)物的劑量-效應模型，制定濕地營養(yǎng)物基準。參照狀態(tài)法主要是基于濕地參照系統(tǒng)中的營養(yǎng)物水平可以維持濕地的生物完整性這一假設(shè)，同時還假設(shè)可以鑒別出足夠的參照濕地生態(tài)系統(tǒng)。模型推斷法和劑量-效應關(guān)系法是基于濕地對營養(yǎng)物水平響應的方法，確定濕地營養(yǎng)物基準，理論上，兩個信息(背景可變性和劑量-反應關(guān)系)都可用來建立濕地營養(yǎng)物基準。同時要考慮建立的濕地營養(yǎng)物基準避免影響濕地下游的受納水體(湖泊、水庫、溪流或被濕地影響的河口)。

參照狀態(tài)法是應用較廣泛的方法。濕地參照狀態(tài)是指未受人類影響或受人類影響非常小且維持最佳用途一種狀態(tài)，可代表一個區(qū)域某類型濕地自然生物學的、物理的和化學的完整性［19］。參照狀態(tài)法建立濕地營養(yǎng)物基準有三種方法:1)采用專家判斷來識別一個區(qū)域某類型濕地的參照狀態(tài)，用參照狀態(tài)來建立基準;2)分析同一類型可以用作參照條件的濕地各變量頻率分布在75%～90%范圍的數(shù)值(圖1)，選用某一比例點位對應的狀態(tài)作為基準，具體的比例點位要科學考慮濕地的主要功能和指定用途;3)分析同一類型所有濕地各變量頻率分布在5%～25%范圍的數(shù)值(圖1)，選用某一比例點位作為基準。樣本量應包括某區(qū)域里同一類型的所有濕地，以及濕地所有數(shù)據(jù)的隨機樣本分布。因為樣本分布包含一些退化的濕地生態(tài)系統(tǒng)，因此隨機選擇過程中，應選擇較低比例的樣本。該方法主要適用于參照濕地數(shù)量很小的地區(qū)，如經(jīng)濟高度發(fā)達地區(qū)，選擇5%～25%中具體的點位要基于樣本中的參照濕地數(shù)量，如果幾乎所有濕地都受到了一定程度的損害或擾動，一般建議以5%點位作為濕地營養(yǎng)物基準。濕地的營養(yǎng)物基準建立后應進行綜合評價，評價時需考慮濕地對下游水體和鄰近水體的影響，如果確定的基準值高于下游水體的營養(yǎng)物濃度，則必須對基準值進行調(diào)整，以保護下游水體。具體的基準可以是數(shù)字型的(具體的值或范圍)，也可以是敘述型的，或者二者相結(jié)合。

圖1 用營養(yǎng)物濃度的頻率分布和影響閾值建立濕地營養(yǎng)物基準Fig.1 Establishing nutrient criteria using frequency distribution and effect threshold value of nutrient concentration

5 濕地營養(yǎng)物基準的應用

以濕地營養(yǎng)物基準為基礎(chǔ)，以有效控制富營養(yǎng)化為目標，結(jié)合水生態(tài)系統(tǒng)及人體健康、濕地功能、社會經(jīng)濟條件和環(huán)境管理目標，建立富營養(yǎng)化控制標準及其分級體系，應用成本-效益分析等方法對濕地富營養(yǎng)化控制標準的技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、社會互適性進行綜合評估。科學地建立不同類型濕地的生態(tài)承載力，通過技術(shù)、經(jīng)濟、社會可達性的評估，提出不同類型濕地營養(yǎng)物削減達標和濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復方案，包括源頭減排方案、過程減排方案以及生態(tài)恢復方案，形成流域尺度上的營養(yǎng)物削減和生態(tài)恢復策略，建立一套完善的不同類型濕地生態(tài)監(jiān)控預警體系，依據(jù)濕地營養(yǎng)物基準，提升我國濕地資源管理的科學性與可操作性，為濕地流域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供強有力支撐。

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