湿地营养物基准制定方法研究

霍守亮，席北斗* ，陈奇，昝逢宇，2，苏婧，何卓识

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽 芜湖 241000

《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》中对湿地的定义:湿地系指不论其天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有静止或流动、咸水或淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过6 m的水域。湿地是自然界最具丰富多样性和较高生产力的生态系统，对保育地球生态系统健康和调节气候、保持生物多样性等具有重要作用，然而目前由于受到人类活动的影响，尤其是湿地及其周边氮磷营养盐的过量富集，导致湿地物种组成退化、生物多样性降低、湿地萎缩、湿地结构和功能受损，有毒有害污染严重以及生态系统极不稳定等问题［1］。目前，世界各国都高度重视湿地的生态保护和污染控制，由于我国在该领域起步相对较晚，控制的理论和技术手段急需提升。

湿地营养物基准是营养物在湿地中产生的生态效应不危及湿地水生态系统或下游水体功能和用途的最大可接受浓度或限值，基准指标包括原因变量(水体和沉积物中的氮磷浓度)、生物反应变量(生物量)和支持变量(水文、传导率和粒度等)。湿地营养物基准是湿地富营养化识别、评价、管理以及湿地生态系统恢复的重要依据，也是控制下游水体营养物负荷、保护下游水体的重要支撑。美国1998年制定了区域营养物基准的国家战略，此后八年先后编制完成了湖泊/水库(2000年4月)、河口海岸(2001年10月)、河流(2006年7月)和湿地(2007年9月)的营养物基准技术指南［2-3］。目前，国内外学者针对不同类型湿地营养物循环转化、生态系统演化过程、营养盐迁移转化动力过程等开展了大量研究，为了解营养物累积导致的湿地演化过程提供了重要基础。然而，现有的研究主要侧重于机理，难以直接指导实际的湿地资源保护和管理，笔者从湿地营养物基准制定的角度出发，结合国际上的研究经验，分析湿地营养物基准的制定过程，探讨湿地营养物基准制定方法，以期为湿地的资源管理提供重要支撑。

1 湿地营养物基准制定程序

由于湿地分布的区域性差异和当前对营养物、藻类和大型植物生长以及其他因素(流量、光照和底质等)间关系的了解，对不同区域不同类型的湿地不适合采用单一的、说明性的湿地营养物基准制定程序，各区域可以根据具体情况选定合适的湿地营养物基准制定程序和方法。制定并实施湿地营养物基准的总体目标是保护并保持国家湿地水域的水质，其包括受损生态体系恢复、高水质的保持以及保护未来处于高受损风险的湿地生态系统。因此，湿地营养物基准制定程序可概括为:1)确定制定湿地营养物基准的目标，建立湿地监测计划。2)建立基于湿地生态系统特征的湿地分类系统;确定湿地科学分类的基本原则;分析通用湿地分类方法在制定湿地营养物基准中的重要作用;湿地分类对于确定湿地营养物状态和类似湿地条件非常重要。3)确定湿地营养物基准的候选变量，包括主要变量和支持变量。主要变量应在反映与营养物、营养物负荷率、湿地土壤营养物浓度以及湿地植被的营养物含量有关的湿地特征方面起重要作用，支持变量为标准化原因变量和反应变量提供有用信息。4)启动湿地监测计划，收集水质和生物数据以制定保护湿地生态系统的营养物基准。5)建立历史与现状数据库，有关水质信息的数据库是各区域制定湿地营养物基准时的重要工具。如果多数区域或参数没有或只有很少的数据，则每个区域有必要设立新收集数据的数据库。6)建立制定湿地营养物基准的数据分析方法。7)提出湿地营养物基准推荐值。8)基准值的评价、校正和应用。

2 用于湿地营养物基准制定的湿地分类方法

湿地的主要组分特征为水文、土壤和植被。湿地水文是决定土壤变化、栖息地动植物种类以及生化过程类型和强度的主要影响因素;湿地土壤既可能是有机的也可能是矿化的，但是在湿地植物生长期间饱水湿地土壤或者水浸没湿地土壤至少在某些时段内有共同的特征;湿地植被由许多藻类物种、草本的或者新兴的植物组成。为每个湿地制定单独的营养物基准从经济和管理应用上不可行，但为某一区域内同一类型湿地制定所需的基准是可行的。湿地分类的主要目标是减少因地质、水文和气候等自然条件差异导致的不同类型湿地间的变异，降低必须定义参照条件湿地类型的数量。

水生资源主要有两种分类方法:1)基于地理的分类方法。生态区(包括营养物生态区)和生态单位代表以地理为基础的分类方法，已在美国应用［4-5］，该方法主要目的是减少气候和地质以及地形、植被、水文和土壤方面的空间协同关系作为参照条件的变化。2)独立于地理分类方法之外，以区域、流域或者生态系统规模确定其水生生态状况以及脆弱性的环境特征来进行分类［6］。该分类方法是以土地利用、土地覆盖［6］、水文地貌［7］、植被类别［8］等单个指标或以这些指标复合的流域特征参数为基础的分类方法［9］。以地理为基础的和以环境特征为基础的湿地分类方法已分别用于湿地营养物基准制定过程中的湿地分类，并在湿地分类分级的框架内进行组合应用。将以地理为基础的分类方法和以水生地貌或者以栖息地为基础的分类方法进行组合，可以形成以地理和环境特征组合为基础的分类体系。

用于湿地营养物基准制定的湿地分类方法应包括影响营养物本底水平和在空间尺度上对湿地营养物负荷敏感的因子。自然地理的分类方法消除了影响营养物本底水平和土壤质地的背景值变化，以及气候和地貌的影响。而基于水文地理的分类方法减少了水和营养物来源、水深、水动力、水力停留时间、同化作用能力和其他地表水类型之间相互作用的背景变化。基于水深和持续时间的分类方法有助于解释湿地内部营养物循环变化，溶解氧水平及其变化，以及湿地维持更高营养水平的能力。基于植被类型的分类方法有助于解释占优势的主要生产者形成时营养物的背景变化。不同分类方法要和实际应用结合起来，在重新评审湿地分类时，确定原有分类是否正确需要充分的监测数据。

3 湿地营养物基准候选变量分析

湿地营养物基准候选变量选择主要是基于人类活动如何影响营养物的输入和湿地的变化，主要包括原因变量(营养物负荷、土地利用、土壤中可提取的氮磷浓度、土壤中总磷总氮浓度、水柱氮磷浓度等)、反应变量(大型植物中的氮磷浓度、地上部分的生物量和株高、藻类中的氮磷浓度、大型植物群落结构和组成、藻类群落结构和组成、无脊椎动物群落结构和组成等)及支持变量(水文条件、电导率、土壤pH、土壤容积密度、粒径分布和有机质浓度等)。

原因变量主要用来反映湿地营养物有效性的特征。多数湿地是以变化极大的营养物负荷率和密切相关的土壤与水柱作用为特征。作为制定湿地营养物条件的原因变量，营养物负荷估算和土壤营养物测量比直接测定湿地水柱中的营养物浓度来建立湿地的营养状态更有用。历史上的营养物负荷和土壤营养物测量能够反映历史上湿地营养状态的变化。在湿地土壤层的化学组分上表现出高度的空间异质性，在受营养物影响的湿地区域可能比同一湿地中未受影响的区域表现出更多可变性。湿地流域的土地利用可以反映湿地参照状况特征和鉴别参照湿地，为制定湿地营养物基准提供营养物负荷率。最为简单的是，自然区域的比例或者农业和城市土地的比例可以用来反映湿地周围土地利用的特点。土壤中可提取的氮磷浓度是土壤中氮磷富集状况的指示指标，与地表水中氮磷浓度以及外部源引起的氮磷浓度富集具有很强的相关性［10-14］。湿地的营养物输入因时间、空间不同而存在很大差异，因此，水柱氮磷浓度的单一监测数据仅反映出湿地营养物状态的部分情况，无法反映出湿地生物地球化学循环以及影响湿地生物群的长期营养物输入模式的改变，应以多次水柱中氮磷浓度监测为基础。

反应变量是多年对营养物富集响应的一组变量，如微生物、藻类和大型植物都会对营养物富集产生响应。对营养物富集的生物响应通常是有序发生的，先是对营养物吸收的增加，然后生物生产量随之增加，其后随着物种组成发生变化，一些物种消失而其他一些物种取而代之。湿地大型植物对营养物富集的响应体现在氮磷吸收与储存的增加［12，14-15］。在光照等其他因素不限制生长的情况下，湿地大型植物也可通过增加净初级生物量(NPP)和其自身生长做出对营养富集状况的响应［14］。藻类营养物浓度与数周的水柱氮磷生物利用率的变化相结合，提供了湿地近期营养物状况的某种指示［16-17］。植物群落的组成和由于人类活动而导致的植物群落组成改变可作为湿地生态系统生物完整性的敏感指标;藻类可作为湿地生物和生态条件的重要指标;藻类物种的组成，特别是硅藻属普遍被用作湿地生物完整性和理化状况的指标;水生无脊椎动物也可以用来评价湿地生物和生态状况。

支持变量并不能反映湿地中营养物有效性或者生物响应的特性，而是为原因变量和反应变量标准化提供有用的信息。电导率对营养物输入具有灵敏性，可以反映湿地营养物输入特性和解释营养条件;pH对于湿地土壤类型和诠释土壤营养物变量非常重要，也可以解释磷的有效性和保持能力;土壤有机质用于湿地土壤分类和解释土壤营养物，因为初级产生率常超过分解率，湿地土壤常表现为有机质蓄积的特征;湿地水文条件主要反映湿地特性，对大部分的原因变量和反应变量的标准化很重要，水文条件能够在湿地内直接影响调控营养物和悬浮物动力学的化学和物理过程［18］。

4 湿地营养物基准确定

湿地营养物基准是通过利用原因变量、反应变量和支持变量，采用相应的数据分析方法，建立科学的可以有效保护湿地健康和湿地功能的基准值。目前有三种推荐采用的湿地营养物基准制定方法:1)参照状态法，用湿地的参照状态来表征自然的或受人类影响最小的湿地生态系统的原因变量和反应变量;2)模型推断法，运用预测关系模型推断保护湿地结构和/或功能不受损的营养物浓度;3)剂量-效应关系法，通过建立营养物的剂量-效应模型，制定湿地营养物基准。参照状态法主要是基于湿地参照系统中的营养物水平可以维持湿地的生物完整性这一假设，同时还假设可以鉴别出足够的参照湿地生态系统。模型推断法和剂量-效应关系法是基于湿地对营养物水平响应的方法，确定湿地营养物基准，理论上，两个信息(背景可变性和剂量-反应关系)都可用来建立湿地营养物基准。同时要考虑建立的湿地营养物基准避免影响湿地下游的受纳水体(湖泊、水库、溪流或被湿地影响的河口)。

参照状态法是应用较广泛的方法。湿地参照状态是指未受人类影响或受人类影响非常小且维持最佳用途一种状态，可代表一个区域某类型湿地自然生物学的、物理的和化学的完整性［19］。参照状态法建立湿地营养物基准有三种方法:1)采用专家判断来识别一个区域某类型湿地的参照状态，用参照状态来建立基准;2)分析同一类型可以用作参照条件的湿地各变量频率分布在75%～90%范围的数值(图1)，选用某一比例点位对应的状态作为基准，具体的比例点位要科学考虑湿地的主要功能和指定用途;3)分析同一类型所有湿地各变量频率分布在5%～25%范围的数值(图1)，选用某一比例点位作为基准。样本量应包括某区域里同一类型的所有湿地，以及湿地所有数据的随机样本分布。因为样本分布包含一些退化的湿地生态系统，因此随机选择过程中，应选择较低比例的样本。该方法主要适用于参照湿地数量很小的地区，如经济高度发达地区，选择5%～25%中具体的点位要基于样本中的参照湿地数量，如果几乎所有湿地都受到了一定程度的损害或扰动，一般建议以5%点位作为湿地营养物基准。湿地的营养物基准建立后应进行综合评价，评价时需考虑湿地对下游水体和邻近水体的影响，如果确定的基准值高于下游水体的营养物浓度，则必须对基准值进行调整，以保护下游水体。具体的基准可以是数字型的(具体的值或范围)，也可以是叙述型的，或者二者相结合。

图1 用营养物浓度的频率分布和影响阈值建立湿地营养物基准Fig.1 Establishing nutrient criteria using frequency distribution and effect threshold value of nutrient concentration

5 湿地营养物基准的应用

以湿地营养物基准为基础，以有效控制富营养化为目标，结合水生态系统及人体健康、湿地功能、社会经济条件和环境管理目标，建立富营养化控制标准及其分级体系，应用成本-效益分析等方法对湿地富营养化控制标准的技术可行性、经济合理性、社会互适性进行综合评估。科学地建立不同类型湿地的生态承载力，通过技术、经济、社会可达性的评估，提出不同类型湿地营养物削减达标和湿地生态系统恢复方案，包括源头减排方案、过程减排方案以及生态恢复方案，形成流域尺度上的营养物削减和生态恢复策略，建立一套完善的不同类型湿地生态监控预警体系，依据湿地营养物基准，提升我国湿地资源管理的科学性与可操作性，为湿地流域经济社会可持续发展提供强有力支撑。

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