羅 玉,譚志衛(wèi),王志蕓,孟祥琪
(1. 云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650034;2. 云南高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650034;3. 昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500;4. 云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心,云南 昆明 650228)
湖泊富營養(yǎng)化是湖泊水體在人類活動(dòng)和自然環(huán)境因素的共同影響下,營養(yǎng)物大量輸入湖體,使湖泊水體逐步由生產(chǎn)力水平較低的貧營養(yǎng)狀態(tài)向富營養(yǎng)狀態(tài)變化的一種現(xiàn)象[1]。目前,全球范圍內(nèi)湖泊污染和富營養(yǎng)化程度逐漸加劇已成為了制約部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要因素,引起了全世界的高度重視。然而,目前關(guān)注最多的問題是如何控制污染物和營養(yǎng)元素的排放以及對已造成的污染進(jìn)行治理,對于防范于未然的水環(huán)境基準(zhǔn)研究卻尚處于初期階段。湖泊水環(huán)境基準(zhǔn)是對湖泊的現(xiàn)狀以及污染狀態(tài)進(jìn)行評估、預(yù)防、控制和管理的科學(xué)基礎(chǔ),建立相關(guān)基準(zhǔn),對于湖泊水環(huán)境的污染預(yù)防和保護(hù)治理起到重要作用。湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)是基于營養(yǎng)物在湖泊中產(chǎn)生了危及水體正常功能的生態(tài)效應(yīng)而提出的,該基準(zhǔn)可以用來評估湖泊營養(yǎng)化程度、預(yù)防和治理湖泊富營養(yǎng)化問題[2]。水體中氮、磷濃度是判斷水體富營養(yǎng)程度的主要指標(biāo),制定相應(yīng)的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)或控制標(biāo)準(zhǔn),將有利于控制湖泊水體中氮、磷濃度水平,為湖泊富營養(yǎng)化治理提供理論依據(jù)[3]。由于水環(huán)境基準(zhǔn)是在不同國家、不同區(qū)域的自然背景和水環(huán)境質(zhì)量演變的基礎(chǔ)上建立起來的,具有明顯的區(qū)域性特點(diǎn),因此各個(gè)區(qū)域的水環(huán)境基準(zhǔn)特征也因地而異。
湖泊富營養(yǎng)化是我國水環(huán)境面臨的嚴(yán)峻問題之一,其產(chǎn)生和發(fā)展與人類活動(dòng)和水體的自然特性有著密切聯(lián)系。面對我國湖泊富營養(yǎng)化程度日益加劇的現(xiàn)狀,全國各級政府高度重視,并在十九屆五中全會(huì)上提出要加強(qiáng)重要湖泊濕地生態(tài)保護(hù)治理和湖泊營養(yǎng)物控制、治理等方面的綜合研究的要求。我國幅員遼闊,南北跨緯度近50 度,東西跨經(jīng)度60 多度,地形地貌復(fù)雜多變,氣溫降水組合多樣,形成了多種多樣的氣候,這使得不同區(qū)域湖泊的富營養(yǎng)化成因、類型和演變過程存在顯著差異,同時(shí)其營養(yǎng)化的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性等方面也存在較大差異,致使我國湖泊的營養(yǎng)物水平具有顯著的差異性[4-6]。針對我國湖泊眾多、分布廣泛、地域差異明顯的特性,采用單一通用的營養(yǎng)物基準(zhǔn)無法滿足不同區(qū)域的湖泊治理的科學(xué)性需求,容易造成保護(hù)不夠或保護(hù)過度的現(xiàn)象,不能有效解決不同區(qū)域湖泊富營養(yǎng)化問題[7-8]。因此,制定具有針對性的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn),將更加有利于實(shí)行更嚴(yán)格的湖泊流域環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)管理,建立更具科學(xué)性的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),使污染防治由被動(dòng)變主動(dòng),滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的緊迫要求。
控制湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵在于控制水體中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。目前,一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已開展了湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定工作。美國在制定湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)中,創(chuàng)建了數(shù)據(jù)庫,根據(jù)營養(yǎng)物特征對湖泊進(jìn)行分類和生態(tài)分區(qū),對各生態(tài)分區(qū)篩選備選變量和指標(biāo)進(jìn)行分析,建立參照狀態(tài),再通過專家評價(jià)、對下游影響和保護(hù)特定用途等因素,確定湖泊分區(qū)下的營養(yǎng)物基準(zhǔn)[9]。依據(jù)這一過程,我國于1998 年制定了區(qū)域湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)國家戰(zhàn)略,隨后分別在2000 年4 月、2001 年10 月、2006 年7 月和2006 年12 月編制完成了湖泊(水庫)、河口海岸、濕地和河流營養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南,并率先制定了基于一級湖泊生態(tài)分區(qū)下的營養(yǎng)物基準(zhǔn),隨后各地方政府根據(jù)技術(shù)指南陸續(xù)開展本區(qū)域營養(yǎng)物基準(zhǔn)工作[9-13]。2000 年歐洲頒布了《水框架指南》(WFD),開始研究營養(yǎng)物基準(zhǔn)[14]。我國現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB3838—2002》是目前唯一能控制湖泊水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),但這些指標(biāo)的設(shè)置未能同時(shí)考慮到湖泊水生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的安全性,對于湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的區(qū)域性特點(diǎn)更是無從體現(xiàn)。因此,我國于2017 年發(fā)布了《湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定技術(shù)指南:HJ 838—2017》,規(guī)定了基準(zhǔn)制定的程序、方法與技術(shù)要求,并于2020 年發(fā)布了我國首個(gè)湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)《湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)—中東部湖區(qū)(總磷、總氮、葉綠素a)》,該基準(zhǔn)將我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)按中東部湖區(qū)、云貴湖區(qū)、東北湖區(qū)、內(nèi)蒙湖區(qū)、新疆湖區(qū)、青藏湖區(qū)和東南湖區(qū)7 個(gè)分區(qū)進(jìn)行制定,充分顯示了湖區(qū)富營養(yǎng)化的區(qū)域性差異[15]。
在制定湖泊富營養(yǎng)基準(zhǔn)的過程中,確定生態(tài)分區(qū)下營養(yǎng)物指標(biāo)和湖泊參照狀態(tài)是關(guān)鍵[16]。參照狀態(tài)是指受影響最小的狀態(tài)或認(rèn)為可達(dá)到的最佳狀態(tài),若無參照狀態(tài)則很難得出湖泊現(xiàn)狀及未來潛在變化受人類影響的程度[17]。
近幾年,國內(nèi)學(xué)者對湖泊參照狀態(tài)確定的研究多使用湖泊群體分布法、三分法、回歸分析法和古湖沼學(xué)重建等方法[14]。陳奇等[18]采用上述前3 種方法建立了巢湖的營養(yǎng)物參照狀態(tài);張亞麗[19]采用上述前2 種方法建立了蒙新高原湖區(qū)營養(yǎng)物參照狀態(tài);汪靚等[20]針對中國東部淺水湖泊進(jìn)行研究,提出了一種基于非參數(shù)方法的湖泊參照狀態(tài)確定的新方法;李小平等[21]采用古湖沼學(xué)重建法建立了淀山湖的營養(yǎng)物參照狀態(tài)。
云南地處云貴高原,屬于云貴湖區(qū)。云南境內(nèi)湖泊眾多,湖泊面積大于1 km2的湖泊有20 多個(gè),而湖面積在30 km2以上共有9 個(gè),分別是滇池、陽宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、洱海、瀘沽湖、程海和異龍湖,并稱為云南省九大高原湖泊。云南省九大高原湖泊區(qū)域具有鮮明的區(qū)域特征,其水污染、自然地理、氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征等與國內(nèi)其他區(qū)域具有顯著差異。這些因素直接或間接地影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程,生物吸收和富集,從而使得該區(qū)域內(nèi)湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)較其他區(qū)域不同。
從自然地理上來講,云南九大高原湖泊位于云貴高原,多屬于斷裂構(gòu)造和陷落沖擊形成的湖泊,海拔高度在1 500~3 000 m 之間[22],主要分布在滇西橫斷山脈東側(cè)高原(洱海、程和瀘沽湖)和滇中昆明凹陷地區(qū)(滇池、撫仙湖、瀘沽湖、星云湖和異龍湖)2 個(gè)片區(qū),形態(tài)呈西部為南北向(如洱海),在滇南則轉(zhuǎn)為東西向(如異龍湖),環(huán)繞昆明凹地呈類山字褶皺(如滇池)的分布趨勢,這與云南高原的褶皺具有相同的特點(diǎn)[23]。撫仙湖和瀘沽湖最大水深處均超過100 m,屬于深水貧營養(yǎng)湖;陽宗海岸線平直、湖盆坡度較大;滇池、星云湖和程海均為湖盆平緩、岸線彎曲,湖底有機(jī)質(zhì)淤積較厚,水深在25 m 以內(nèi)的淺水湖泊,其中滇池和星云湖水深在10 m 以內(nèi);異龍湖屬于寬淺型的溶蝕湖;洱海是由于蒼山上升而形成的沉降低地,水深達(dá)20 m,從形態(tài)上接近淺水湖泊[23]。
云南九大高原湖泊均位于我國六大水系及其支流的源頭,湖泊匯水面積較小,入湖支流眾多而出湖河道很少,湖泊來水主要依靠地表水和地下水補(bǔ)給,換水周期長,水資源較為匱乏,受污染后自凈和治理周期長、治理難度大。除撫仙湖和星云湖在地理位置上聯(lián)通外,其余7 個(gè)湖泊在地理位置上分布距離較大,地理隔絕使各湖泊內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)特異化程度高,同時(shí)也使湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性,湖泊生態(tài)系統(tǒng)一旦破壞修復(fù)難度大。
云南九大高原湖泊所在地區(qū)緯度在21°8′~29°15′之間,屬印度洋季風(fēng)氣候區(qū),云南九大高原湖泊屬于不冰凍的湖區(qū)。云南地區(qū)地勢整體呈西北高東南低,地勢和緯度影響相疊加,氣溫總體呈北低南高的分布,同時(shí)東部地區(qū)易受北方冷空氣影響,同等情況下氣溫較西部低。綜合緯度、海拔和地勢等影響,云南九大高原湖泊所處區(qū)域主要分為四季分明區(qū)、無夏區(qū)、無冬區(qū)和常春區(qū)4 個(gè)氣候區(qū)域[24]。九大高原湖泊中除異龍湖位于無冬區(qū)(常年氣溫高于10 ℃),瀘沽湖和程海位于無夏區(qū)(常年氣溫低于22 ℃)外,其他湖泊均位于四季分明區(qū)[24]。
云南干濕季節(jié)分明,流域全年降雨量大致在1 000 mm 左右,5~10 月降水量約占全年的80%以上,且蒸發(fā)量大于降雨量。劉藶今等[25]對云南1961~2011 年的各年降水變化特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其年降水量總體呈逐年減少趨勢且整體上呈南多北少。洱海、滇池、陽宗海、撫仙湖、星云湖和異龍湖所在的滇中區(qū)域年降水呈逐年降水減少趨勢,而瀘沽湖和程海所在的滇西北區(qū)域年降水呈逐年增加趨勢。九大高原湖泊流域強(qiáng)降雨發(fā)生概率、持續(xù)天數(shù)和強(qiáng)度在云南整體呈逐年增加的趨勢[26]。
云南地區(qū)太陽輻射較中東部地區(qū)都高,麗江、昆明的太陽總輻射分別為6 232 和5 503 MJ/m2,較中東部地區(qū)的濟(jì)南(5 105 MJ/m2)和武漢(4 640 MJ/m2)高出398~1 591 MJ/m2。張萬誠等[27]研究,表明九大高原湖泊流域年日照時(shí)數(shù)程海最高,在400~2 600 h 之間,滇西北的瀘沽湖、洱海和滇中南部的異龍湖均在2 200~2 400 h 之間,最低的是滇中其他湖泊在2 000~2 200 h 之間。根據(jù)王學(xué)鋒等的研究[28],九大高原湖泊流域太陽輻射強(qiáng)度最大的在程海和瀘沽湖,總輻射大于6 000 MJ/m2,其次為洱海和異龍湖,總輻射介于5 500~6 000 MJ/m2,滇池、陽宗海、星云湖、杞麓湖和撫仙湖總輻射介于5 000~5 500 MJ/m2??偟膩碚f,云南九湖區(qū)域總輻射>5 000 MJ/m2,輻射量大且具有季節(jié)性變化規(guī)律,春夏兩季集中了半成以上的輻射[28],較四季分明的中東部湖區(qū)區(qū)域或無春秋季節(jié)的東北湖區(qū)有明顯的差異性。
根據(jù)《云南省環(huán)境狀況公報(bào)》[29-34]顯示,2015~2020 年,瀘沽湖和撫仙湖水質(zhì)較穩(wěn)定,均能達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn),屬于深水貧營養(yǎng)湖;星云湖、異龍湖和杞麓湖屬于中度富營養(yǎng)湖泊,水質(zhì)均在Ⅴ類和劣于Ⅴ類之間波動(dòng),主要超標(biāo)指標(biāo)化學(xué)需氧量、總磷、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量;滇池國控點(diǎn)分為草海和外海兩個(gè),這2 個(gè)點(diǎn)的逐年水質(zhì)顯示滇池水質(zhì)在逐步改善,由中度富營養(yǎng)向輕度富營養(yǎng)轉(zhuǎn)變,主要超標(biāo)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷和高錳酸鹽指數(shù)。程海、陽宗海和洱海水質(zhì)較穩(wěn)定,未發(fā)生大的波動(dòng),程海主要超標(biāo)指標(biāo)為化學(xué)需氧量。從水體營養(yǎng)化程度來看,僅滇池草海和外海水體的營養(yǎng)化程度有明顯下降趨勢,其余湖泊的營養(yǎng)化程度變化不大,這與湖泊的水質(zhì)類別變化情況一致,見表1。
表1 2015~2020 年云南省九大高原湖泊主要水質(zhì)情況
研究發(fā)現(xiàn)與湖泊富營養(yǎng)化相關(guān)的指標(biāo)很多,包括氮、磷、有機(jī)碳、葉綠素a、透明度、溶解氧、大型植物、生物群落結(jié)構(gòu)和流域特征(土地利用)等[1,35-38],但總氮、總磷和葉綠素a是普遍認(rèn)為能夠較好反映富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)。我國已發(fā)布的《湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)—中東部湖區(qū)(總磷、總氮、葉綠素a)》湖泊就采用了這3 個(gè)指標(biāo)[15]。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道,云南九大高原湖泊中藻類對氮、磷營養(yǎng)物利用效率(葉綠素a/總氮、葉綠素a/總磷)高于國內(nèi)其他區(qū)域[4],這就使得相同氮、磷營養(yǎng)濃度的條件下,藻類更容易生長,湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的可能性更大,具有顯著的區(qū)域特征。
在我國,云南屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū),2019 年云南省GDP 僅占全國的2.34%,是上海市的60.86%,是湖北省的50.68%。在云南省境內(nèi),九大高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也相差甚遠(yuǎn),見表2。
表2 2015 年云南九大高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r
表2 可知,九大高原湖泊流域(瀘沽湖除外,由于涉及川滇兩省,故未列入計(jì)算)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,滇池流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,流域人口數(shù)量眾多且城市化水平最高,周邊企業(yè)較多。相較于經(jīng)濟(jì)發(fā)展最緩慢的程海區(qū)域,滇池流域GDP 占全省的比例是程海流域占比的76.67 倍,人口是程海流域的122.57倍,差異較大;其余幾個(gè)湖流域城鎮(zhèn)化水平均低于50%,流域內(nèi)GDP 總量較低,且人口數(shù)量與GDP 總量未成正比。
研究表明,影響湖泊水體中營養(yǎng)物質(zhì)賦存的因素包括:入湖污染負(fù)荷、地理位置、氣候環(huán)境、湖體自凈能力、流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和湖體生態(tài)環(huán)境等。這些因素的不同組合,對不同區(qū)域、不同時(shí)間段湖體中營養(yǎng)物質(zhì)的賦存濃度和形態(tài)產(chǎn)生影響。較我國東部區(qū)域,云南地處云貴高原,海拔高、日照時(shí)間長、地面接受太陽的輻射量大、紫外線強(qiáng);云南位于中國西南端,屬于印度洋季風(fēng)氣候、早晚溫差大、雨旱季分明、生物多樣性程度高、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異大,這些因素重合在一起,構(gòu)筑了一個(gè)完全不同的區(qū)域自然環(huán)境,因而對水體中富營養(yǎng)物質(zhì)的賦存情況的也有較大影響,其影響包括以下方面。
(1)云南九大高原湖泊流域自然環(huán)境特征對于湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的影響機(jī)理。云南九大高原湖泊流域?qū)儆诟吆0巍⒌途暥?、受印度季風(fēng)影響的區(qū)域,光照強(qiáng)度、氣壓、氣候條件和自然地理?xiàng)l件較其他區(qū)域不同,導(dǎo)致湖體中溶解氧、水溫、pH 以及光熱格局不一樣。同時(shí),九大高原湖泊流域環(huán)境背景值也具有各自特點(diǎn),如程海流域氟化物和pH 背景值較高、陽宗海流域砷背景值存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)、瀘沽湖流域紫外線強(qiáng),光照時(shí)間長、異龍湖流域地處熱帶地區(qū),全年高溫少雨。不同的環(huán)境因素組合起來對流域內(nèi)富營養(yǎng)化的各項(xiàng)指標(biāo)閾值也不盡相同。
(2)云南省九大高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化率的影響。云南省九大高原湖泊流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化率均低于中東部地區(qū),經(jīng)濟(jì)增長體量小,人口年均增長率低,部分地區(qū)出現(xiàn)負(fù)增長,三產(chǎn)布局正處于不斷調(diào)整優(yōu)化中,農(nóng)業(yè)面源污染仍是大部分區(qū)域的主要污染源。由于不同產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度,入湖污染物的種類和入湖污染負(fù)荷量相距甚遠(yuǎn),對湖泊水體功能與用途,水生生物和對下游社會(huì)、生態(tài)造成的影響不同,因而不能用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來判斷不同經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平對于湖泊營養(yǎng)物賦存情況的影響,亟需研究云南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平對湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的影響。
(3)水文水動(dòng)力條件的影響。云南九大高原湖泊多屬于斷裂構(gòu)造和陷落沖擊形成的湖泊,入湖河流少,水源的主要補(bǔ)給來源于降水和地下水。部分湖泊深度較大、水量大,導(dǎo)致湖泊換水周期長,而其中深水湖泊(如撫仙湖和瀘沽湖)中的溫躍層的存在,導(dǎo)致其水動(dòng)力學(xué)作用較淺水湖泊完全不同;在印度洋季風(fēng)和季節(jié)性入湖河流的影響下,湖泊的水動(dòng)力變化情況也隨季節(jié)變化而變化。以上原因都會(huì)對湖泊水文和水動(dòng)力產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響湖泊水體中營養(yǎng)物質(zhì)的降解自凈能力和分布趨勢,最終影響湖泊富營養(yǎng)化的形成。
(4)湖泊水污染特征的影響。云南地區(qū)湖泊水污染程度總體較低,2017~2020 年九湖水質(zhì)優(yōu)良率都不低于40%,且水質(zhì)未達(dá)標(biāo)的湖泊超標(biāo)指標(biāo)濃度總體呈下降趨勢,主要超標(biāo)指標(biāo)為總磷、總氮和化學(xué)需氧量。根據(jù)前期研究可知,除氮、磷外,化學(xué)需氧量對水體富營養(yǎng)化也有不可忽視的貢獻(xiàn)[39],而部分云南高原湖泊中化學(xué)需氧量超標(biāo)情況時(shí)常出現(xiàn),這就增加了影響了云南省高原湖泊的營養(yǎng)鹽基準(zhǔn)的因素。
我國在湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)方面的研究和實(shí)踐剛剛起步,而對于云南九大高原湖區(qū),缺少湖泊流域營養(yǎng)物本底調(diào)查資料、基準(zhǔn)制定技術(shù)方法及針對云南九大高原湖區(qū)特殊氣候、自然地理特征確立的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)體系,無法為云南九大高原湖泊富營養(yǎng)化的綜合預(yù)防與科學(xué)管理提供決策依據(jù)。云南高原湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)研究發(fā)展方向主要包括以下方面。
(1)開展云南九大高原湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的系統(tǒng)研究。通過歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀資料分析,明確九湖流域環(huán)境本底值的具體情況和差異性;開展野外調(diào)查、原位和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),分析不同環(huán)境因素對湖泊中營養(yǎng)物賦存狀況的影響以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,確定九大高原湖泊的參照狀態(tài)。
(2)構(gòu)建云南九大高原湖泊典型湖泊富營養(yǎng)化數(shù)據(jù)庫,提出重點(diǎn)污染物清單和營養(yǎng)物基準(zhǔn)建議值,篩選出適用于本地區(qū)評價(jià)營養(yǎng)鹽狀態(tài)的基本指標(biāo)和特殊指標(biāo)候選變量,建立云南九大高原湖泊營養(yǎng)物的基準(zhǔn)指標(biāo)體系。