湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定技術(shù)綜述

李小輝,趙思琪,2,代嫣然,*,唐 濤,余志晟,梁 威

1 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

湖泊生態(tài)環(huán)境損害是指因干擾、破壞湖泊自然生態(tài)環(huán)境而造成的湖泊物理生境質(zhì)量、水文特征、水質(zhì)狀況等環(huán)境要素和魚類、底棲動(dòng)物、附生藻類等生物要素的不利改變,以及伴隨的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化和生態(tài)系統(tǒng)美學(xué)價(jià)值的破壞[1-3]。湖泊生態(tài)環(huán)境損害分為兩大類型,即湖泊開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)造成的長(zhǎng)期損害[4-6]以及湖泊環(huán)境突發(fā)事件[7-10]。

我國(guó)境內(nèi)湖泊眾多、類型多樣且開(kāi)發(fā)歷史悠久[11]。20世紀(jì)以來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,湖泊經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)活動(dòng)壓力不斷增大,湖泊污染事故頻繁發(fā)生,湖泊生態(tài)環(huán)境損害問(wèn)題日益嚴(yán)重[12-13],其中氮磷元素超負(fù)荷輸入所導(dǎo)致的湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化是湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭受長(zhǎng)期損害最為普遍的后果之一[14-15]。環(huán)境損害鑒定評(píng)估是指對(duì)環(huán)境損害的范圍和程度進(jìn)行鑒定與量化評(píng)估的過(guò)程[16]。其中確定切實(shí)合理的生態(tài)環(huán)境基線是對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境損害進(jìn)行科學(xué)有效評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和重要前提[17-18]。

基線也稱為生態(tài)環(huán)境基線,是指環(huán)境污染或生態(tài)破壞行為未發(fā)生時(shí),受影響區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的物理、化學(xué)或生物特性及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的狀態(tài)或水平[19]。目前常用的生態(tài)環(huán)境損害基線判定方法包括歷史數(shù)據(jù)法、參照區(qū)域法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法和模型推算法四類[20-21]。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)于淡水生態(tài)環(huán)境基線的判定工作已積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。例如,LeJeune等[22]采用參照區(qū)域法確定科達(dá)倫河流域地表水污染物基線濃度,在該研究中所選取的參考區(qū)域?yàn)樵u(píng)估區(qū)域的上游區(qū)域和附近相似區(qū)域,最終成功判定了損害范圍和具體損失賠償數(shù)額。在評(píng)估礦業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的銅等重金屬對(duì)地表水資源造成的環(huán)境損害時(shí),Mugdan等[23]將上游參考區(qū)域的物質(zhì)濃度水平作為該損害區(qū)域的基線水平。朱歡迎[24]則采用湖泊群體分布法和回歸推斷法確定了滇池草海的營(yíng)養(yǎng)元素基準(zhǔn)值。在該研究中,作者通過(guò)查閱大量歷史文獻(xiàn)確定云貴高原生態(tài)區(qū)參考湖泊并建立營(yíng)養(yǎng)鹽濃度參考狀態(tài),將其作為滇池的營(yíng)養(yǎng)鹽含量基線值,最終確定滇池草海總氮(TN)和總磷(TP)的建議基線值分別為0.177 mg/L和0.010 mg/L。隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化,如何對(duì)環(huán)境損害基線進(jìn)行判定引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。為了能夠更為科學(xué)有效地對(duì)已受損的湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行損害程度鑒定,制定出國(guó)家層面的湖泊生態(tài)環(huán)境損害判定規(guī)范程序,形成湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定技術(shù)勢(shì)在必行。

然而,目前專門針對(duì)湖泊生態(tài)基線的研究較為缺乏,且尚未形成統(tǒng)一、合理、有效的普適性湖泊生態(tài)環(huán)境基線制定方法與流程。針對(duì)以上問(wèn)題,本文總結(jié)了可用于湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定的原則、判定程序以及常用判定方法,介紹了模型推算法在湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定中的應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望。以期為后續(xù)湖泊生態(tài)環(huán)境基線的判定、湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)措施的實(shí)施、所需修復(fù)資金的預(yù)估以及損害責(zé)任方所需支付賠償金額的確定提供參考和借鑒[25-28]。

1 湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定技術(shù)

1.1 判定原則

為了準(zhǔn)確地對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境基線進(jìn)行判定,在判定過(guò)程中要遵循科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可操作性、及時(shí)性和方法優(yōu)選五大原則(表1)。

表1 湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定原則Table 1 Determination principles for eco-environmental damage baseline of lakes

1.2 判定程序

湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定工作主要包括5個(gè)步驟:(1)工作準(zhǔn)備；(2)基線指標(biāo)識(shí)別；(3)基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)收集；(4)確定基線標(biāo)準(zhǔn)；(5)編制湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定報(bào)告書(圖1)。在基線判定實(shí)踐中,可根據(jù)具體的生態(tài)環(huán)境損害事件適當(dāng)簡(jiǎn)化工作程序。必要時(shí),也可針對(duì)基線判定中的關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展專題調(diào)查研究。

圖1 湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定程序 Fig.1 Determination procedure of the lake eco-environmental baseline

1.3 基線判定方法

國(guó)際上有關(guān)環(huán)境損害鑒定評(píng)估基線的確定尚未形成統(tǒng)一規(guī)范。目前常用的湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定方法主要包括歷史數(shù)據(jù)法、參照區(qū)域法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法和模型推算法四類方法。不同判定方法均存在對(duì)應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn),詳見(jiàn)表2。

表2 湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定方法比較Table 2 Comparison of determination methods for eco-environmentaldamage baseline of lakes

2 模型推算法的應(yīng)用

相比較而言,歷史數(shù)據(jù)法、參照區(qū)域法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)法簡(jiǎn)單易行且易于操作,但有時(shí)基線判定過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)不足、無(wú)可參照區(qū)域以及標(biāo)準(zhǔn)缺乏等問(wèn)題。模型推算法雖然相對(duì)復(fù)雜,但精確度較高,正在成為基線判定的主要依據(jù)。

環(huán)境損害的受體既包括非生物環(huán)境成分,也包括環(huán)境中生存的生物成分。對(duì)于湖泊生態(tài)系統(tǒng)而言,非生物環(huán)境成分通常是指沉積物等非生物資源,生物成分指的是水生動(dòng)植物資源[37]。利用模型法判定基線時(shí),根據(jù)判定受體類型的差異以及模型的適用條件,有多種模型可供選擇(表3)。

表3 模型推算湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線常用方法Table 3 Extrapolation models for determination of eco-environmental damage baseline of lakes

3 相關(guān)應(yīng)用案例

借助各種基線判定方法,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)湖泊生態(tài)環(huán)境基線進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Dodds等[34]分別采用參考湖泊法、三分法和模型推斷法對(duì)美國(guó)堪薩斯州各湖泊和水庫(kù)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基線水平的制定。利用參考湖泊法最終確定TN基線為0.861 mg/L,TP基線為0.033 mg/L,葉綠素a基線為0.010 mg/L,透明度基線為155 cm。三分法則首先從全區(qū)域所有湖泊中選取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度水平最低的1/3湖泊組成可供分析的湖泊子群體,進(jìn)一步計(jì)算子湖泊群中各湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)的中位數(shù),進(jìn)而確定該區(qū)域湖泊營(yíng)養(yǎng)水平指示指標(biāo)的基線水平。該研究中所采用的模型推斷法是基于對(duì)該流域特征的分析進(jìn)行,通過(guò)對(duì)存在人為影響的流域特征進(jìn)行建模,進(jìn)而通過(guò)y軸截距推斷不存在人為干擾時(shí)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。經(jīng)三種方法確定的氮磷基線如表4所示。

表4 參考湖泊法、三分法和模型推斷法對(duì)美國(guó)堪薩斯州各湖泊和水庫(kù)的氮、磷基線確定結(jié)果Table 4 Total nitrogen and phosphorus baseline of lakes and reservoirs in Kansas,USA using reference lake,trichotomy and extrapolation model method

在我國(guó),不少研究者針對(duì)我國(guó)不同湖泊的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基線基準(zhǔn)也已開(kāi)展了相應(yīng)的研究。Huo等[43]采用湖泊群體分布法和三分法對(duì)我國(guó)東部平原生態(tài)區(qū)湖泊的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基線狀態(tài)進(jìn)行研究。由于我國(guó)東部平原湖泊受到人類活動(dòng)的干擾相對(duì)較大,僅采用25%為指標(biāo)數(shù)值可能出現(xiàn)基準(zhǔn)值偏高的情況,且湖泊作為動(dòng)態(tài)的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)并非一個(gè)具體的數(shù)值就能夠代表其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的基線水平[44]。因此在該研究中,作者選擇上5%—25%這一范圍作為湖泊群體分布法的基線確定標(biāo)準(zhǔn),得出我國(guó)東部平原TP基線范圍為0.014—0.043 mg/L,TN基線范圍0.360—0.785 mg/L。與此同時(shí),三分法則得出TN基線水平為0.670 mg/L,TP基線水平為0.029 mg/L。張亞麗[33]采用湖泊群體分布法初步確定了我國(guó)蒙新高原生態(tài)區(qū)湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基準(zhǔn)建議值。對(duì)于TDS(礦化度)<1 g/L的淡水湖,建議采用TN濃度0.120 mg/L,TP濃度0.005 mg/L作為基準(zhǔn)基線值；對(duì)于1 g/L50 g/L的鹽湖,建議采用TN濃度1.250 mg/L,TP濃度0.010 mg/L作為基準(zhǔn)基線值。揣小明[45]通過(guò)對(duì)新疆、內(nèi)蒙古等地的湖泊營(yíng)養(yǎng)水平及TP含量進(jìn)行分析,確定了包括呼倫湖、太湖在內(nèi)的28個(gè)湖泊的TP基準(zhǔn)濃度。在該研究中,針對(duì)歷史數(shù)據(jù)充足的呼倫湖、滇池等,作者選取其歷史數(shù)據(jù)的下25%作為其各自的TP基準(zhǔn)值；對(duì)于人為主導(dǎo)型富營(yíng)養(yǎng)化的太湖,其受到人為活動(dòng)干擾較大,作者采用中營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)卡爾森指數(shù)的臨界值反推TP基準(zhǔn)值。鄭丙輝等[46]采用歷史數(shù)據(jù)法建立了太湖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基準(zhǔn)值,并通過(guò)古湖沼學(xué)重建法對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在該研究中,作者認(rèn)為上5%位點(diǎn)設(shè)置為太湖營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基準(zhǔn)更為合適,最終研究結(jié)果顯示,通過(guò)歷史數(shù)據(jù)法所得結(jié)果為TN 0.07 mg/L、TP 0.03 mg/L。

4 展望

2016年6月,環(huán)境保護(hù)部印發(fā)的《生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估技術(shù)指南總綱》中規(guī)定了生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估的一般原則、評(píng)估程序、評(píng)估內(nèi)容和方法,這為我國(guó)生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估工作的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)[47-48]。然而,我國(guó)針對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估技術(shù)仍不完善,作為環(huán)境損害鑒定評(píng)估的重要依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)[49-50],湖泊生態(tài)環(huán)境基線缺少統(tǒng)一的、具有高度普適性的制定方法與流程。因此,需針對(duì)以下幾個(gè)方向進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)工作:

(1)加強(qiáng)我國(guó)湖泊水體的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作,積累關(guān)鍵數(shù)據(jù),構(gòu)建一體化的湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)可以獲取基線判定環(huán)節(jié)所需的歷史數(shù)據(jù),是鑒定評(píng)估中的核心內(nèi)容,生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的科學(xué)性直接影響到環(huán)境損害鑒定評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性[51-52]。因此,對(duì)湖泊進(jìn)行長(zhǎng)期的生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測(cè),獲取大量數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)開(kāi)展的湖泊生態(tài)環(huán)境基線判定工作具有重要的促進(jìn)作用。

(2)建立基于不同湖泊、不同生態(tài)環(huán)境損害類型的基線判定標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估與方法技術(shù)體系,著力構(gòu)建湖泊生態(tài)環(huán)境損害基線判定方法和基線數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。在對(duì)具體湖泊進(jìn)行基線判定時(shí),應(yīng)綜合考慮評(píng)估區(qū)域的功能區(qū)劃和特異性,根據(jù)實(shí)際情況選擇科學(xué)合理的方法,推導(dǎo)基線水平[53-54],逐步搭建起我國(guó)湖泊環(huán)境損害鑒定評(píng)估業(yè)務(wù)化平臺(tái),為國(guó)家解決環(huán)境問(wèn)題提供科學(xué)技術(shù)與平臺(tái)支撐[18]。

(3)進(jìn)一步完善我國(guó)湖泊環(huán)境損害鑒定評(píng)估技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在借鑒、總結(jié)國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)環(huán)境損害鑒定評(píng)估方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,不斷完善符合我國(guó)國(guó)情的湖泊環(huán)境損害鑒定監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范[55],以更好地為環(huán)境管理服務(wù)。