近岸海域富营养化评价方法的研究进展和比较

胡序朋，邵君波，唐静亮，王益鸣，柴小平，庄彤晖，李俊龙

1.浙江省舟山海洋生态环境监测站，浙江 舟山 316021

2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

近岸海域富营养化评价方法的研究进展和比较

胡序朋1，邵君波1，唐静亮1，王益鸣1，柴小平1，庄彤晖1，李俊龙2

1.浙江省舟山海洋生态环境监测站，浙江 舟山 316021

2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

富营养化是沿海经济和社会发展面临的主要环境问题，近些年基于科学研究成果与经验，国外近岸海域富营养化评价方法已有长足进步，与之相比，中国现行方法仍处于初级阶段。通过文献资料分析，总结了奥斯陆-巴黎委员会、赫尔辛基委员会、欧盟水框架指令、美国海洋和大气管理局等富营养化评价方法的特点，并在应用范围、评价指标体系、标准、数据要求、程序及结果等方面进行了比较。针对中国目前近岸海域监测现状提出建议，为建立适合中国近岸海域富营养化特点的评价方法提供借鉴和参考。

富营养化；评价方法；应用范围；评价指标

由于人类活动的影响，近岸海域富营养化问题愈发突出。近海富营养化的定义，可以从原因[1-2]和症状[3-4]2个角度进行剖析。欧洲海洋框架指令(MSFD)从原因和症状2个角度出发，将富营养化定义为“富营养化是一个由于水体中营养盐特别是氮、磷化合物的富集所驱动的一个过程，引起藻类生长、初级生产力和生物量的增加、有机物平衡的改变、水质恶化等现象”[5]。

早期第一代富营养化概念模型强调营养盐负荷与一系列响应之间的密切关系[6]，认为系统的响应状态与系统营养盐的输入呈直接的线性关系。在此基础上发展了许多富营养化评价方法，统称为第一代富营养化评价方法，在我国应用比较普遍的是富营养化指数法[7-12]，且尚未开展富营养化专项监测和评价[13]。

对近海生态系统，营养盐输入后近海系统对营养盐的响应更加复杂，系统的特殊属性起着“过滤器”的作用[14]，从而调节了近海系统对营养盐加富的响应。近海富营养化概念模型也称作第二代富营养化概念模型，主要特点：针对营养盐负荷，将近海生态系统的响应分为直接响应和间接响应，更真实地反映了近海生态系统对营养盐输入所产生的变化；在近海富营养化概念模型中增加了一项“缓冲作用”来调节不同河口、近海生态系统对营养盐变化响应的敏感性；引入了“逆响应”的概念，即由于营养盐负荷而引起的生态系统响应，如初级生产、大型藻生物量等的变化，又会反过来影响营养盐负荷的改变，导致了营养盐负荷的“逆响应”[15]。

第二代富营养化评价模型考虑的指标体系更加全面，并且能代表系统富营养化的不同阶段和程度[16]。模型指标的选取是基于“压力-状态-响应(PSR)”框架体系，评价结果除了有综合富营养化等级和水平外，还可以评价人类压力、系统状态等不同方面的水平，以更清晰地认识系统的富营养化状况，进而为有针对性地采取富营养化调控和管理措施提供依据。

本文选择较著名的包括奥斯陆-巴黎委员会(OSPAR)、赫尔辛基委员会(HELCOM)、欧盟水框架指令-英国(WFD-UK)、巴斯克国家(WFD-BC)和美国国家海洋和大气管理局(ASSETS)等提出的第二代富营养化的评价方法，针对这几种方法的应用范围、评价指标体系和评价标准、评价数据要求、评价程序以及评价结果等级划分等进行比较，为建立适合我国近岸海域的第二代富营养化评价方法提供理论支持。

1 应用范围

OSPAR主要是针对东北大西洋海域所制定的评价方法，根据盐度(S)特征将研究区域类型划分为北极冰域、大北海、凯尔特海、比斯开湾和伊比利亚近岸以及大西洋开阔水域。HELCOM方法主要是应用在波罗的海区域，划分为4个子区域(波罗的海专属区、波的尼亚湾、芬兰湾和里加湾)和一个过渡区域(贝尔特海峡/卡特加特海峡)[2]。而WFD-UK和WFD-BC则分别适用于英国和巴斯克地区国家[11-12]，WFD方法中将所研究的水体类型(包括所有河流、运河水道、湖泊、河口、湿地)和近岸海域，根据盐度划分为淡水水体、河口水体和近岸海水3种生态区域。ASSETS方法根据盐度划分研究区域，分别划分为感潮淡水区(S<0.5)、混合区(0.5≤S≤25)和海水区(S>25)。相比之下，ASSETS方法的应用范围较为广泛，目前除了美国近岸海域以外，在欧盟、亚洲和澳大利亚地区的近岸海域都在广泛使用[16-19]。ASSETS方法目前已在152个河口和近岸系统应用，总涵盖面积134 984 km2，其中美国135个，欧盟13个，中国4个(长江口、桑沟湾、胶州湾、象山港)。

2 评价指标体系

第二代富营养化评价方法考虑富营养化的原因和过程，根据现代近海富营养化概念模型，评价指标基本涵盖了营养盐富集、初级症状、次级症状的一系列指标。各种方法应用的指标详见表1。

表1 各种方法选择指标对比

注：“*”表示HELCOM方法中将该指标列为直接效应；黑色圆点表示该指标为评价方法选取的指标。

指标分类方面：OSPAR和HELCOM方法在进行评价时将所有指标分为致害因素、直接效应、间接效应和其他效应等4个方面[20-21]。OSPAR和HELCOM方法在影响因素或致害因子指标选择原理方面基本一致，均考虑陆源营养盐的输入浓度和增长趋势，在HELCOM方法中还考虑了总氮的沉积作用[22]。对营养盐浓度均采用冬季无机氮和无机磷浓度，营养盐比例指标为冬季氮磷比。直接响应方面，OSPAR和HELCOM均采用了叶绿素a(Chla)、浮游植物指示物种、大型海藻和沉水植被等指标。HELCOM方法在直接响应方面还选择了塞氏深度(水质清澈度)、有害藻华等指标，而这些指标在OSPAR方法中列为间接效应和其他效应中。间接效应方面，OSPAR和HELCOM方法均选择了溶解氧(DO)，区别在于OSPAR方法还选择了水质清澈度、底栖动物和鱼类的死亡、有机碳/有机物、藻华等指标[23]，而HELCOM方法将水质清澈度和藻华列为直接效应指标，并且HELCOM方法在底栖方面选择的评价指标为底栖无脊椎动物。其他效应方面，OSPAR方法选择的指标为藻毒素。HELCOM方法最新评价方法的核心指标为无机氮(DIN)、无机磷(DIP)、叶绿素a、塞氏深度(Secchi depth)和溶解氧[24]。

WFD-UK方法的评价要素分为3类，分别为营养盐输入、直接影响、间接影响。每类评价要素内又分成一个或多个评价指标。营养盐输入的评价要素为冬季无机氮浓度；直接影响的评价要素为生物质量要素，包括浮游植物、大型藻类和沉水植物、底栖无脊椎动物；间接影响的评价要素为溶解氧浓度[1,25]。

WFD-BC方法依据的模型为“驱动力-压力-状态-效应-风险”(DPSIR)，在营养盐压力指标评价时综合考虑了总氮输入(表层水体区域专属值)和水体敏感性(稀释能力和冲刷潜力)[26-27]；在富营养化相关质量要素中选择了4个生物质量元素(浮游植物、大型藻类、底栖生物和鱼类)、物理化学参数(包括浊度、悬浮物、表层溶解氧饱和度、氨氮、磷酸盐和硝酸盐)、水动力条件(包括水深、潮汐和底质条件)[18]。

ASSETS方法评价分为压力评价、状态评价和预期响应评价[4,19]。压力评价选择的指标为氮输入和系统敏感性(稀释能力和冲刷潜力)。状态评价指标包括初级症状和次级症状，初级症状指标为叶绿素a(评价内容为叶绿素a浓度、频率和空间覆盖度)、大型藻类(评价内容为问题状态和频率)；次级症状包括底层溶解氧(浓度、空间覆盖度和频率)、有毒有害藻华(问题状态、持续时间和频率)和沉水植被(问题状态或空间覆盖率的变化、变化量)。预期响应评价指标包括敏感性和未来压力的预期(人口压力、农业压力和污水处理等)。

综合以上分析可知，在富营养化致害因素或营养盐压力方面，各种方法均考虑氮的浓度或负荷(总氮或无机氮)，欧盟OSPAR和HELCOM还考虑了无机磷和氮磷比；在直接影响方面，各种方法均考虑叶绿素a、大型海藻和沉水植被(WFD-BC除外)，欧盟OSPAR和HELCOM还考虑了浮游植物指示物种；间接影响方面，各种方法均考虑了溶解氧(除WFD-BC为表层溶解氧外，其他各种方法均为底层溶解氧)；其他症状方面，各种方法均考虑了有毒有害藻华指标。此外，WFD-BC和ASSETS方法将评价区域的水动力条件也纳入了评价指标体系。

3 采样要求及参与评价数据

欧盟和美国各种评价方法在样品采集的时间和空间框架上要求有所不同(表2和表3)。

表2 不同评价方法指标样品采集要求

采样时间要求(表2)：OSPAR中评价营养盐的指标为冬季无机氮和无机磷浓度以及氮磷比，因此营养盐采样时间要求为冬季，叶绿素a要求每年生长季节的数据，浮游植物为每个月的监测数据；HELCOM营养盐采样时间要求为冬季，叶绿素a、塞氏深度等指标的采样时间为夏季。WFD-UK方法中营养盐为冬季监测数据，叶绿素a数据要求较高，要求至少5年月度表层连续监测数据。WFD-BC方法中叶绿素a和物理化学参数要求每季度采样1次，分别代表春、夏、秋、冬4个季节，分高低潮；浮游植物藻华每年2次(春季和夏季)；底栖每年1次(冬季)；大型藻类和鱼类每3年1次，分别在春、夏、秋季；浮游植物质量评价需要6年的数据；其他要素的评价采用1年的数据。ASSETS评价对所有指标要求每月采样。

表3 不同方法参与评价指标数据统计要求

OSPAR协议中的“联合评价与监测项目(JAMP)”协议[28]明确了与富营养化有关的营养盐、溶解氧、叶绿素a、浮游植物群落组成以及底栖生物的监测指南。营养盐采样：测定项目包含无机氮、颗粒氮、总氮、正磷酸盐、总磷、颗粒磷、活性硅酸盐等，采样时间为生物活性较低的时节(通常为冬季)。溶解氧：低氧的形成往往发生在最大初级生产力之后的大量耗氧，可在夏季监测溶解氧。叶绿素a：生长季节分层次采样。浮游植物物种组成：需要考虑季节变化，同时还需要监测颗粒有机碳(POC)、总有机碳(TOC)、颗粒有机氮(PON)、光合有效辐射(PAR)或塞氏深度、温度、盐度等参数。

采样空间要求(表3)：欧盟和美国的各种方法在采样时均按照不同的盐度划分采样和评价区域，WFD-UK方法中依据盐度定义河口和近岸海域分别采样，评价结果按照不同水体分别评价；WFD-BC方法中也是依据盐度进行区域划分，研究海域以河口为多；OSPAR和HELCOM按照盐度将水体分为河口、近岸和离岸海域，并分别评价；ASSETS在不同盐度区域采样，评价时整合到整个评价区域[29]。

OSPAR方法中叶绿素a参与评价的数据为生长季节(3—10月)的叶绿素a浓度平均值和最大值，同时考虑浓度、频率和持续时间的增长，也可以选择累积百分数为90%所对应的数值与参照状态进行对比[29]；无机氮和无机磷浓度按照盐度进行归一化后与参照状态进行比较[23]；溶解氧选择在生长季节监测数据累积百分数为5%所对应的数据与参照状态进行比较，在进行溶解氧评价时还考虑溶解氧的饱和度、水温和盐度等指标。

HELCOM方法中叶绿素a为夏季采样的浓度(包括最大浓度和平均浓度)，同时还有浓度、频率和持续时间的增长；冬季无机氮和无机磷为评价年份内表层测定平均值参与统计评价；塞氏深度选择夏季测量数据；溶解氧选择盐跃层以下年均浓度。

WFD-UK方法中底层溶解氧取年度监测数据(每月采集)累积百分数为5%所对应的数据作为评价依据；冬季无机氮浓度根据水体悬浮物浓度的不同选择归一化至盐度为25的浓度平均值或累积百分数为99%所对应的数值；叶绿素a选择6年连续监测数据的平均浓度、中值浓度、低于10 μg/L样品比例、低于20 μg/L样品比例和高于50 μg/L样品比例等5个统计指标参与评价，也可选择生长季节(3—10月)累积百分数为90%所对应的数据参与评价。

WFD-BC方法中采用表层溶解氧饱和度，叶绿素a采用累积百分数为90%所对应的数值，藻华采用细胞计数大于7.5×105个/L的物种，大型藻类采用4个数据的组合：丰富度，耐受物种的覆盖，敏感物种的覆盖，绿色与其他颜色的比例。底栖类采用3个数据的组合：丰富度，多样性，AMBI指数[30]。鱼类和甲壳类动物采用9个数据的组合，主要依据丰富度、不同营养组的组成和不健康物种的百分比。而水动力条件主要考虑河口水动力条件的改变。

ASSETS方法中叶绿素a参与评价的数据为累积百分数90%所对应的数值，同时考虑空间覆盖度和频率等，藻华考虑对生物资源有消极影响的因素(如高浓度无毒性藻华会引发缺氧、缺氧症和滤食性生物损失；毒性藻华会引发病态和死亡)、持续时间和频率等。大型藻类主要考虑对生物资源的消极影响(如海草的窒息，引发低氧时间等)和频率。溶解氧主要统计底层溶解氧累积百分数为10%所对应的浓度、空间覆盖度和频率等[31]。

对比各种评价方法的指标在采样时间和空间方面的特点可知，在采样时间方面，对于营养盐，欧盟各种评价方法均选择冬季作为采样时间，而且OSPAR方法在评价不同盐度海域营养盐浓度时还考虑了营养盐的盐度归一化；对于叶绿素a指标，欧盟OSPAR、HELCOM、WFD-UK方法均选择在浮游植物生长季节进行监测，欧盟WFD-BC和美国ASSETS评价方法则选择年度监测数据；对于溶解氧指标，OSPAR、HELCOM、WFD-BC方法选择生长季节监测，而WFD-UK和ASSETS选择年度监测数据。

4 评价标准

OSPAR评价方法的缔约国家较多，每个国家沿岸海域根据历史研究结果确定区域专属背景浓度，并以偏离背景浓度一定比例(一般为50%)作为评价标准判断该指标是否处于超标水平。指标参与评价的数值超出评价标准则记为 “超标”(+)，否则记为 “不超标”(-)。HELCOM方法的评价标准则是以生态目标为依据。表4比较了各种方法主要指标评价标准。

欧盟各种方法的评价标准主要依据各个区域的环境背景值确定参照状态，因此不同国家和区域在评价标准方面有很大的地区差异性。而美国ASSETS方法采用统一的评价标准。OSPAR使用区域专属的背景值作为评价标准是其优点，因为这样可以比较准确地区分人为影响和自然变化，充分体现了富营养化问题的人为性；但同时也是其主要缺点之一，因为区域专属背景值的确定是一个非常复杂的过程，需要较长时间序列的资料、尤其是早期的资料，以及深入、细致的科学研究，而且目前尚缺乏统一的操作程序，因而其可操作性较差。ASSETS 则使用统一的评价标准，且具备较完善的一系列分值计算方法和公式，具有较好的可操作性[32]。我国海岸线绵长，不同海区环境状况差异较大，如果采用统一标准进行一刀切模式的评价，无法客观进行富营养化评价。应当根据不同地区的常年研究结果确定其参照状态，合理制定评价标准，这是今后开展进一步研究的主要方向。

5 评价过程原理和评价结果等级划分及原则

各种评价方法总结见表5。

OSPAR评价程序分为2个步骤：第一步为初始筛选程序，第二步进行全面评价。在全面评价程序中又分为3个环节：①根据通用方法，设置评价参数及其对应的区域性评价标准，此步骤所得评价结果以统一的格式上报；②将第一步所得结果进行整合，对特定区域给出初步分类结果；③对所有与归一化评价参数相关的信息进行综合评价，并给出相应的评价水平和支撑性环境条件，从而得到该区域最终的分类结果。采用“一损俱损”的评价原则，即某一类指标中如果有一项指标判定为富营养化水域/问题海域，则该类指标即为富营养化水域/问题海域。总体评价结果按表6进行判断[22]。

HELCOM最新方法中将5个核心指标划分为3类，营养盐富集类内含冬季无机氮和无机磷浓度(权重依据重要性不同有所区分)，直接效应类内含叶绿素a浓度和塞氏深度(权重依据重要性不同有所区分)，间接效应类指标为溶解氧。通过计算每类指标内核心指标评价值与目标值之间的比值，确定每类指标的等级，最后按照“一损俱损”的原则得到富营养化质量比值(ER)[24]。最终等级划分见表7。

HEAT3.0评价过程分为4个步骤：计算每个指标的富营养化质量比例(监测值与目标值的比值)；指标分类(营养盐水平、直接效应和间接效应)；每组指标的状态分类(指标之间考虑权重因素)；综合评价结果(“一损俱损”原则)。

表4 5种方法主要指标的评价标准

表5 5种评价方法总结

表6 OSPAR和HELCOM富营养化最终等级评判原则

注：“+”表示富营养化水域；“-”表示未受污染的水域。

表7 HELCOM方法最终富营养化等级划分

WFD-UK将评价要素分为3类，分别为营养盐输入、直接影响和间接影响。对于每类评价要素中的各个指标，与评价标准比较确定每类指标内各个指标的EQR，取平均值得到该类指标的EQR，最后根据3类指标的EQR，按照“一损俱损”原则确定最终的富营养化等级。

WFD-BC在进行影响评价时，首先评价生物质量要素，如果评价结果为中、差、劣，则最终状态亦为中、差、劣；如果评价结果为优、良，则需要评价物理化学要素和水动力条件以完成最终状态的评价。影响评价可依据Borja等[26-27]提出的方法进行。

ASSETS方法中分别评价压力、状态和响应3类指标：压力评价最初是通过海水区和河口区不同的无机氮浓度来计算总人为影响(OHI)指数，根据指数大小划分压力状态等级，压力评价根据敏感性和营养盐输入组合矩阵划分为低、中低、中、中高、高5个等级(图1)，状态评价根据初级症状和次级症状评价结果的组合确定(初级症状取平均、次级症状取最严重)，预期响应根据海域敏感性和未来营养盐压力的组合判定，其中敏感性根据稀释能力和冲刷潜力的组合确定。最后根据压力、状态、响应3类指标的得分按照组合矩阵划分为5个富营养化等级(High，Good，Moderate，Poor和Bad，即优、良、中、差、劣)，组合矩阵表中状态指标的权重较高[19]。

通过比较可知，欧盟OSPAR、HELCOM和WFD-UK富营养化评价方法在确定最终的富营养化等级时均采用了“一损俱损”的原则，与我国目前海水和沉积物质量评价中所采用的单因子评价方法的原理一致。而WFD-BC和ASSETS富营养化评价方法在确定最终等级时主要依据组合矩阵的逻辑原理。“一损俱损”原则可以更加严格地控制富营养化的治理，因为只要有一类指标超出目标范围即表示海域受到富营养化影响；而组合矩阵方法是赋予了症状类指标较高权重之后所得，2种方法的侧重点有所差异。

图1 ASSETS方法压力影响级别划分组合矩阵图

在等级划分方面，ASSETS、WFD-UK和HELCOM将富营养化程度划分为5个等级，分别为“优”、“良”、“中”、“差”、“劣”。其中HELCOM将等级为“中”、“差”、“劣”的水体归为富营养化水域，等级为“优”、“良”的水体归为未受污染水域。WFD-BC根据富营养化程度的不同划分为“低”、“中”、“高”3个等级，其中等级为“低”的水体与ASSETS分类中“优”和“良”的水体富营养化程度接近，等级为“高”的水体与ASSETS分类中“差”和“劣”的富营养化程度接近。OSPAR则根据水体各类指标的评判原则将水体划分为“问题海域”和“无问题海域”，其中“无问题海域”与WFD-BC等级“低”和HELCOM未受污染水域的富营养化程度接近，“问题海域”与WFD-BC等级“中”、“高”和HELCOM富营养化水域的富营养化程度接近。

6 结论

所选5种富营养化评价方法均是依据近海富营养化概念模型，选取体现营养盐压力、直接响应和间接响应的相关指标来建立评价指标体系。营养盐类指标的测定时间均选择在生物活性较低的冬季，而直接响应和间接响应等指标选择在浮游植物生长季节进行监测，分析结果更加合理客观地体现富营养化的影响。欧盟各种方法根据地区差异选择不同的生态目标作为评价标准，而ASSETS方法则采用统一的评价标准，各有优点。确定富营养化最终等级时采用“一损俱损”原则或者组合矩阵的方法而不是单纯的计算平均值，结果较为合理。

建议建立完善富营养化评价指标体系。目前我国近岸海域富营养化评价模型和方法尚停留在以营养盐为基础的第一代评价体系，无法满足近海富营养化概念模型的需要。应当借鉴国外先进的富营养化评价方法，选择反映富营养化症状的指标建立营养盐富集、直接效应、间接效应指标体系。建立科学的富营养化评价标准。海洋环境具有明显的区域特征，在监测和评价时要根据各个不同海域的背景状况，充分考虑营养盐含量的区域差异，并开展相关营养盐背景浓度研究或根据已有研究成果建立合理的富营养化评价标准。结合目前近岸海域环境监测现状，丰富拓展监测项目，完善监测频次，开展富营养化专项监测和评价，实现近岸海域富营养化评价的业务化运行，为近岸海域环境质量综合评价提供有益的补充。

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Research Progress and Comparison of Eutrophication Assessment Methods for Coastal Waters

HU Xupeng1, SHAO Junbo1, TANG Jingliang1, WANG Yiming1, CHAI Xiaoping1, ZHUANG Tonghui1, LI Junlong2

1.Zhejiang Provincial Zhoushan Marine Ecological Environmental Monitoring Station, Zhoushan 316021, China

2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

Eutrophication has been the major environmental problem which restricting the economic and social development in coastal areas. Foreign coastal eutrophication assessment methods have made great strides based on the results of scientific research and experience in recent years, while the eutrophication assessment methods used in China is still at an early stage. Characteristics of eutrophication assessment methods in the Oslo-Paris Commission, the Helsinki Convention, the EU water framework directive, the United States National Oceanic and Atmospheric Administration were summarized by literature analysis. And the application scopes, indicators, standards, data requirements, procedures and results were compared which could provide some successful experiences and references to establish eutrophication assessment method adapt to characteristics of Chinese coastal waters.

eutrophication;assessment methods;application scope;indicators

2015-01-13;

2015-02-21

国家环保公益性行业科研专项(201309008)

胡序朋(1982-)，男，山东肥城人，硕士，工程师。

李俊龙

X824

A

1002-6002(2016)01- 0035- 09