湖泊水质净化服务评估方法研究进展

程敏 江波 张丽云 欧阳志云

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

湖泊水质净化服务评估方法研究进展

程敏 江波 张丽云 欧阳志云

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

云南大观池（紫希 摄）

湖泊水质净化服务是指湖底沉积物、植物、微生物通过生物物理化学作用，对污染物进行吸附、吸收、移出和固定，通过净化水质和改善生态环境为受益者提供的效益。国内外关于水质净化服务的研究虽日趋完善，但鲜有研究定量揭示生态系统过程对生态系统服务的影响，现有研究在管理决策中的应用仍有一定的局限性。在对水质净化服务形成机理和价值评估方法进行综述的基础上，提出了基于物质量和价值量评价的基本模式和框架，为湖泊生态系统监测和生态系统服务评价提供了重要的理论支撑。

湖泊；水质净化服务；物质量评价；价值量评价

湖泊生态系统因其独特的水文条件和生态组成为人类提供多项生态系统服务(Costanza et al,1997)。水质净化是湖泊生态系统最重要的调节服务之一(Mitsch，1993；Blackwell et al，2002；Zed ler et al，2005)，湖泊水质净化服务是指湖泊生态系统通过自然生态过程及物质循环作用，对水体中的营养物质及有毒、有害物质进行吸附、沉淀、转移(Ostroumov，2004)，通过改善湖泊水质和生态环境，保障人类生产生活用水、休闲旅游等生态系统服务，为人类提供效益。然而，人口压力不断增加所带来的水污染加剧、水资源过度使用以及土地利用方式的改变，破坏了湖泊生态系统本身的水文条件和结构，严重削弱了湖泊水质净化能力，对其它生态系统服务也产生了一定程度的威胁。如何更好地协调湖泊水环境变化过程中不同利益相关者之间的矛盾是湖泊水环境管理的重点和难点。生态系统服务价值评价从生态学和经济学角度出发，揭示湖泊生态系统对人类福祉的贡献，为生态补偿标准的制定提供理论支撑，通过经济驱动机制协调生态系统服务提供者与受益者之间的矛盾，实现生态系统服务的可持续发展。

湿地水质净化研究始于19世纪50年代(Verhoeven，1999)，近几十年来，随着人们对生态系统服务功能研究的不断深入，生态学家对湿地净化功能及其机制也进行了详细探索，形成了一套比较完善的生态系统服务功能的理论。国内到20世纪70年代对湿地生态系统服务功能也有了新的认识，近年来在人工湿地水质净化功能方面的研究也取得了重要进展。国内外现有研究主要集中两方面：①从生态学、水文学和统计学的角度开展湖泊水质污染源分析、水质时空变化趋势分析(李荣昉等，2011)、水质综合评价(胡小韦等，2008)及水质净化形成机理(Wang et al, 2014)和土地利用变化(Bu et al，2014；Sarkar et al，2014)对湖泊水质的影响等研究，为改善湖泊水质提供理论支撑；②从经济学的角度定量评价湖泊生态系统水质净化服务价值，为湖泊生态补偿等管理措施提供参考标准。

图1 湖泊生态系统中氮、磷迁移转化示意图

表1 湖泊生态系统各类污染物来源及去除机制

1 湖泊水质净化机理

湖泊对COD (Chemical oxygen d emand ,生化需氧量)、SS(Suspend ed  solid s)、N(Nitrogen,氮)、P (Phosphorus，磷)、HMs(Heavy metals，重金属)、有机污染物等都具有很好的去除作用(Wang，2014)。湖泊中各类污染物来源及其对各种污染物的去除机制总结在表1中，图1分别以氮、磷为例说明其在湖泊中的迁移转化过程。

湖泊中磷的来源主要包括农田地表径流和灌溉余水、生活污水和工业、养殖废水等。污水中的磷包括溶解有机磷、溶解无机磷、颗粒有机磷和颗粒无机磷4种形式(姚鑫等，2009)。湖泊去除磷的物理作用包括沉积作用、吸附和沉淀作用、沉积物和上覆水之间的扩散交换作用(Red d y et al，1999)；生化作用包括植物、自养微生物的吸收、异养微生物对植物枯枝和土壤有机磷的矿化作用等(Gächter et al，1993)。

2 湖泊水质净化服务评估方法

湖泊水质净化服务功能评估主要是利用监测数据，根据径流中物质构成和浓度变化，选取适当的测量指标及评价方法对其水质净化服务进行定量化评估。常用的测量指标包括总氮(TN, Total Nitrogen)、总磷(TP, Total Phosphorus)、COD 、HMs等。

湖泊主要利用发生植物—土壤—微生物这一复合生态系统之间的物理、生物、化学等一系列反应达到对污染物的去除。根据物质守恒定律及生态系统服务功能评估方法，可以从生态功能量和生态经济价值量两个角度评估水质净化服务。功能量用湖泊所表现的污染物净化量来表达，其优点是直观，可以给人明确具体的印象，但不同污染物由于计量单位不同，净化量难以加和。因此，为获得湖泊水质净化服务的价值，需要借助价格将不同污染物的净化量转化为货币单位后进行加总。因此，水质净化服务评估主要有3个步骤：

1) 核算湖泊对各种污染物的净化量。水文、水质监测、气象监测以及环境监测网络等可以为净化量的核算提供基础数据和参数。

2) 确定净化各类污染物的价格。替代市场法和模拟市场法是使用较为广泛的两种定价方法，前者以“影子价格”和消费者剩余来表达净化服务功能的价格和经济价值，具体定价方法主要包括市场价值法、影子工程法、生产成本法等；模拟市场法可以支付意愿和净支付意愿来表达水质净化服务的经济价值。

3) 基于以上两步骤，核算水质净化服务功能的总经济价值。

2.1 湖泊净化服务功能量的核算方法

2.1.1 快速评估法 即利用水质、水文等监测数据等对水质净化服务进行评估。Kishe等(2003)根据Victoria湖2000年3-8月沉积层的监测数据，分析了Cd 、Cr、Cu、Pb、Hg和Zn等在沉积层的浓度及分布规律，但并未进一步计算其生态经济价值。Barlas等(2005)根据Uluabat湖2001年11月-2002年9月份的监测资料，分析了水层和沉积层中Fe、Mn、Cu、Zn、Cr、Pb、Ni的含量，并与其它8个湖泊中重金属含量进行了比较。Vagnetti等(2003)从物理、化学、生物过程等方面，基于实测资料和历史资料，定量分析了不同底质下河流对氮、磷、重金属等多种污染物的净化量。庄大昌等(2004)、何介南等(2008)分别利用洞庭湖2004年、2008年水文、水质监测数据，估算了洞庭湖水质净化价值及对主要污染物的净化量，但由于研究时空尺度、统计资料来源、指标选取等方面的差异，研究结果差异较大。陈小锋等(2012)、翟淑华等(2014)分别根据监测数据分析了太湖对TN、TP的净化率，但未对生态经济价值量进行计算。而杜婷婷等(2012)利用统计数据及生产成本法估算出太湖净化氮、磷总价值为0.34亿元。

该方法比较简单，也存在许多不足之处，如指标的选择及指标赋值的主观性、评价结果不具可比性等，且数据的可获得性往往会受到限制。

2.1.2 控制实验法 即通过实验模拟湖泊水质净化过程，根据获得的数据进行水质净化功能评估。Zhu等(2012)通过两年的控制实验，对太湖去除氮、磷效率年际间的变化，收获对氮、磷去除率的影响以及不同植被去除氮、磷效率的差异进行了研究，结果表明：太湖第一年对总氮、氨态氮、硝酸盐及总磷、溶解磷、磷酸盐的去除效率高于第二年；收获大型水生植物的地上部分对污染物净化具有重要的促进作用；氮去除效率与入水口氮浓度具有正相关关系；阔叶香蒲和东方香蒲混合种植有助于对氮、磷的净化。Jansson等(1998)从大量案例中得出污染物负荷—截留量之间的直线关系，用来量化Baltic海的氮截留量，并基于GIS空间分析功能，估算了来自大气沉降及人类活动的氮量，此方法为量化面源污染产生的氮提供了很好的借鉴。Schind ler等(1980)通过实验分析得出某淡水湖对重金属的去除效率均符合对数线性规律的结论。

模拟实验具有一定的局限性，如局部研究不能代表整个湖泊生态系统的净化能力、未考虑周边非点源污染等，导致评估结果往往与实际情况具有一定的偏差。

2.1.3 污染物去除模型 湖泊对污染物的净化是十分复杂的过程，数学模型不仅可以简化净化过程，而且模拟结果的准确性较高。水质分析模拟程序(WASP, Water Quality Analysis Simulation Program)是USACE于1986年推出的目前比较成熟的水质评价模型，该模型包括水动力学程序D YNHYD 和水质程序WASP (Toro et al，1983)，可模拟湖泊、河流、水库等水体中常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物质(包括有机化学物质、金属和沉积物)的迁移转化规律(李炜，1999)。该模型自提出以来，已在国内外得到了广泛的应用。Wool等(2006) 、Thomann等(1983)分别对美国东部特拉华港口挥发性有机物及东部托马可河的富营养化进行了模拟。国内有研究对其进行了借鉴，并进行适当修改，建立了水质—水量耦合模型，用于扎龙湿地水质净化功能及污染物承载能力的模拟分析和定量评估(Li et al，2012)。由于该模型对生态系统中生物组分的考虑不充分，因此仅适用于生态系统结构简单、特别是受有毒物质影响显著的湖泊。环境流体动态代码(EFD C，Environmental Fluid  D ynamics Cod e)由John Hamrick开发，可用于模拟来自非点源的污染物、有机物迁移、归趋等，可用于分析包括氨氮、总磷、COD 及藻类等在内的22种污染物的浓度变化(Hamrick, 1996)。Thomas James等(1995)建立了Okeechobee湖泊富营养化模型，利用1985-1986年的湖泊监测数据对该模型进行了校正，用于模拟1973-1993年间该湖泊中氮、磷及叶绿素a的含量。D ahl等(2006)建立了LEED S模型，用于模拟Vanern湖中磷和悬浮颗粒的含量，该模型由两部分组成：一部分用于模拟由渔业养殖造成的富营养化的磷的含量；另一部分用于模拟湖泊中悬浮颗粒的含量。

表2 三种评价方法总结表

国内对该方面的研究起步较晚，但近几年来也取得了较大进展。濮培民等(2005)建立了湖泊污染物质动力学方程，并根据我国湖泊和美国Okeechobee湖资料确定了控制藻类爆发的总磷、总氮阈值。魏巍等(2009)根据大沽河近20年的监测数据，结合净化试验，应用回归分析法建立了大沽河水体净化模型，并研究了常规流量下大沽河的水体自净规律。李秀珍(2002)等在对辽河三角洲湿地净化系统分析的基础上，建立了相应的概念模型，并依靠野外实验数据，为湿地的养分去除功能建立了空间模型并进行模拟，得出了比较精确的截留效果。

目前，随着计算机技术和科学技术的不断发展，地理信息系统(GIS)及人工神经网络(ANNs)理论与方法作为模拟的辅助手段被引入到水质模型中，这不仅使数据处理变得简单，还能对计算结果进行空间分析，通过简化的模型获得更多有价值的信息，从而辅助决策。

表2对以上3种湖泊净化服务评估方法的部分成果进行了总结归纳。

2.2 湖泊水质净化服务价值量评价

湖泊净化服务生态经济价值的计算方法比较少，目前使用比较多的包括影子工程法、支出费用成本法以及成果参照法等。当某些环境效益和服务没有直接的市场可以买卖交易，但这些效益或服务的替代品有一定的市场和价格，则可采用影子工程法，通过估算其替代品的花费来确定某些环境效益或服务的价值，文中湖泊水质净化的价值以替代该功能而建设污水处理厂的成本来计算(Pan et al，2002)。该方法比较直观，通过替代过程造价直接反映价值，但各地生产力水平发展不均衡，所得结果不能反映真实的价值。费用支出法以当地污水处理厂处理某种污染物的单价来表示湖泊对某种污染物净化的价值量。

成果参照法又称为效益转移法，是指运用各种方法已经获得的实证研究结果，通过适当的调整后，转移到研究区域，从而得到该区域自然生态环境的价值(赵玲等，2011)。目前，很多学者将湿地降解污染物单位面积价值4 177 US$/（hm2·a）(Costanza et al，1997)作为评价标准(崔丽娟，2004)；或根据国家或当地污水处理的成本价格作为计算标准(吴玲玲等，2003)。效益转化法在节省人力、物力和财力等方面具有优势，已成为自然生态环境价值评估的重要方法之一，但我国对这方面的研究起步较晚，由于缺乏系统的方法研究，还没有统一的标准和规范，很容易导致评估结果不准确。且针对成果参照法评价结果进行的有效性检验显示，不同国家、地区间的经济发展水平及地理位置的差异，效益转移的有效性较差。

3 小结

湖泊本身的属性及特征决定了其具有强大的水质净化功能。本文对湖泊水质净化机理进行了详细介绍，湖泊生态系统水质净化服务产生于水生植物—沉积层—微生物之间的相互作用，并受多种因素影响。对水质净化服务进行评估，不仅有助于人们对生态系统服务功能重要性的认识，而且能为湖泊生态补偿措施及决策的制定提供一定的理论支持。

随着环境问题的日益突出，水质净化服务的研究仍有很大的发展空间。目前，国内外对湖泊水质净化机理的研究已取得一定进展，但科学的评估理论、合理评估指标的选取及评价方法的构建还需进一步完善。自然因素及人类活动等都会对水质净化服务产生影响，分析这些因素对湖泊水质净化服务带来的影响，从动态的角度认识湖泊水质净化能力的变化，不仅能为湖泊水质净化能力的评估提供数据支持，也能为生态系统服务之间权衡关系的分析及湖泊资源管理和合理开发利用提供科学依据。

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Progress on the Study of Assessment of Water Purification Service of Lake Ecosystem

CHENG Min JIANG Bo ZHANG Li-Yun OUYANG Zhi-Yun
(State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Centre for Eco-Environmental Sciences, CAS, Beijing 100085)

Lake Ecosystem plays a vital role in supplying water purification service to the stakeholders. The water purification function is a combination of different biophysical and biochemical processes involving dissolution, sedimentation, biological absorption and biochemical reactions, which are affected by biological factors, environmental factors, socio-economic factors, and the ecological characteristics of the Lake ecosystems. Despite the important role lakes play in purifying the water quality, current research separately focus on two different aspects: the first is integrating ecology, hydrology, and statistical methods to explore the potential pollutant sources for water quality deterioration, the spatial-temporal trend of water quality parameters, comprehensive evaluation of water quality, the mechanisms for water purification, and the influence of land use changes on water quality trend. The other aspect is accounting the value of water purification service using diverse economic models .However, the separation of these two methods are limited in its use in guiding wise water quality management since we are lacking practical tools to connect human factors to ecosystem structures and process to economic value. This paper presented a detailed synthesis of the purification function of Lake Ecosystem. The overall objective of this review is presenting a framework to assess the water purification service in both biophysical amount and economic value, which can then provide guidance toward better lake ecosystem management.

Lake ecosystem; Water purification service; Valuation methods

10.3969/j.issn.1673-3290.2015.01.17

2014-10-14

国家林业公益性行业科研专项(201204201)

程敏(1987-)，女，博士研究生，主要从事湿地生态系统服务价值评价方面的研究。E-mail：cmin611@163.com

欧阳志云(1962-),男，研究员，博士生导师。E-mail：zyou yang@rcees.ac.cn