湖泊水質凈化服務評估方法研究進展

程敏 江波 張麗云 歐陽志云

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

湖泊水質凈化服務評估方法研究進展

程敏 江波 張麗云 歐陽志云

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

云南大觀池（紫希 攝）

湖泊水質凈化服務是指湖底沉積物、植物、微生物通過生物物理化學作用，對污染物進行吸附、吸收、移出和固定，通過凈化水質和改善生態環境為受益者提供的效益。國內外關于水質凈化服務的研究雖日趨完善，但鮮有研究定量揭示生態系統過程對生態系統服務的影響，現有研究在管理決策中的應用仍有一定的局限性。在對水質凈化服務形成機理和價值評估方法進行綜述的基礎上，提出了基于物質量和價值量評價的基本模式和框架，為湖泊生態系統監測和生態系統服務評價提供了重要的理論支撐。

湖泊；水質凈化服務；物質量評價；價值量評價

湖泊生態系統因其獨特的水文條件和生態組成為人類提供多項生態系統服務(Costanza?et?al,1997)。水質凈化是湖泊生態系統最重要的調節服務之一(Mitsch，1993；Blackwell?et?al，2002；Zed?ler?et?al，2005)，湖泊水質凈化服務是指湖泊生態系統通過自然生態過程及物質循環作用，對水體中的營養物質及有毒、有害物質進行吸附、沉淀、轉移(Ostroumov，2004)，通過改善湖泊水質和生態環境，保障人類生產生活用水、休閑旅游等生態系統服務，為人類提供效益。然而，人口壓力不斷增加所帶來的水污染加劇、水資源過度使用以及土地利用方式的改變，破壞了湖泊生態系統本身的水文條件和結構，嚴重削弱了湖泊水質凈化能力，對其它生態系統服務也產生了一定程度的威脅。如何更好地協調湖泊水環境變化過程中不同利益相關者之間的矛盾是湖泊水環境管理的重點和難點。生態系統服務價值評價從生態學和經濟學角度出發，揭示湖泊生態系統對人類福祉的貢獻，為生態補償標準的制定提供理論支撐，通過經濟驅動機制協調生態系統服務提供者與受益者之間的矛盾，實現生態系統服務的可持續發展。

濕地水質凈化研究始于19世紀50年代(Verhoeven，1999)，近幾十年來，隨著人們對生態系統服務功能研究的不斷深入，生態學家對濕地凈化功能及其機制也進行了詳細探索，形成了一套比較完善的生態系統服務功能的理論。國內到20世紀70年代對濕地生態系統服務功能也有了新的認識，近年來在人工濕地水質凈化功能方面的研究也取得了重要進展。國內外現有研究主要集中兩方面：①從生態學、水文學和統計學的角度開展湖泊水質污染源分析、水質時空變化趨勢分析(李榮昉等，2011)、水質綜合評價(胡小韋等，2008)及水質凈化形成機理(Wang?et?al,?2014)和土地利用變化(Bu?et?al，2014；Sarkar?et?al，2014)對湖泊水質的影響等研究，為改善湖泊水質提供理論支撐；②從經濟學的角度定量評價湖泊生態系統水質凈化服務價值，為湖泊生態補償等管理措施提供參考標準。

圖1 湖泊生態系統中氮、磷遷移轉化示意圖

表1 湖泊生態系統各類污染物來源及去除機制

1 湖泊水質凈化機理

湖泊對COD?(Chemical?oxygen?d?emand?,生化需氧量)、SS(Suspend?ed??solid?s)、N(Nitrogen,氮)、P?(Phosphorus，磷)、HMs(Heavy?metals，重金屬)、有機污染物等都具有很好的去除作用(Wang，2014)。湖泊中各類污染物來源及其對各種污染物的去除機制總結在表1中，圖1分別以氮、磷為例說明其在湖泊中的遷移轉化過程。

湖泊中磷的來源主要包括農田地表徑流和灌溉余水、生活污水和工業、養殖廢水等。污水中的磷包括溶解有機磷、溶解無機磷、顆粒有機磷和顆粒無機磷4種形式(姚鑫等，2009)。湖泊去除磷的物理作用包括沉積作用、吸附和沉淀作用、沉積物和上覆水之間的擴散交換作用(Red?d?y?et?al，1999)；生化作用包括植物、自養微生物的吸收、異養微生物對植物枯枝和土壤有機磷的礦化作用等(G?chter?et?al，1993)。

2 湖泊水質凈化服務評估方法

湖泊水質凈化服務功能評估主要是利用監測數據，根據徑流中物質構成和濃度變化，選取適當的測量指標及評價方法對其水質凈化服務進行定量化評估。常用的測量指標包括總氮(TN,?Total?Nitrogen)、總磷(TP,?Total?Phosphorus)、COD?、HMs等。

湖泊主要利用發生植物—土壤—微生物這一復合生態系統之間的物理、生物、化學等一系列反應達到對污染物的去除。根據物質守恒定律及生態系統服務功能評估方法，可以從生態功能量和生態經濟價值量兩個角度評估水質凈化服務。功能量用湖泊所表現的污染物凈化量來表達，其優點是直觀，可以給人明確具體的印象，但不同污染物由于計量單位不同，凈化量難以加和。因此，為獲得湖泊水質凈化服務的價值，需要借助價格將不同污染物的凈化量轉化為貨幣單位后進行加總。因此，水質凈化服務評估主要有3個步驟：

1)?核算湖泊對各種污染物的凈化量。水文、水質監測、氣象監測以及環境監測網絡等可以為凈化量的核算提供基礎數據和參數。

2)?確定凈化各類污染物的價格。替代市場法和模擬市場法是使用較為廣泛的兩種定價方法，前者以“影子價格”和消費者剩余來表達凈化服務功能的價格和經濟價值，具體定價方法主要包括市場價值法、影子工程法、生產成本法等；模擬市場法可以支付意愿和凈支付意愿來表達水質凈化服務的經濟價值。

3)?基于以上兩步驟，核算水質凈化服務功能的總經濟價值。

2.1 湖泊凈化服務功能量的核算方法

2.1.1 快速評估法 即利用水質、水文等監測數據等對水質凈化服務進行評估。Kishe等(2003)根據Victoria湖2000年3-8月沉積層的監測數據，分析了Cd?、Cr、Cu、Pb、Hg和Zn等在沉積層的濃度及分布規律，但并未進一步計算其生態經濟價值。Barlas等(2005)根據Uluabat湖2001年11月-2002年9月份的監測資料，分析了水層和沉積層中Fe、Mn、Cu、Zn、Cr、Pb、Ni的含量，并與其它8個湖泊中重金屬含量進行了比較。Vagnetti等(2003)從物理、化學、生物過程等方面，基于實測資料和歷史資料，定量分析了不同底質下河流對氮、磷、重金屬等多種污染物的凈化量。莊大昌等(2004)、何介南等(2008)分別利用洞庭湖2004年、2008年水文、水質監測數據，估算了洞庭湖水質凈化價值及對主要污染物的凈化量，但由于研究時空尺度、統計資料來源、指標選取等方面的差異，研究結果差異較大。陳小鋒等(2012)、翟淑華等(2014)分別根據監測數據分析了太湖對TN、TP的凈化率，但未對生態經濟價值量進行計算。而杜婷婷等(2012)利用統計數據及生產成本法估算出太湖凈化氮、磷總價值為0.34億元。

該方法比較簡單，也存在許多不足之處，如指標的選擇及指標賦值的主觀性、評價結果不具可比性等，且數據的可獲得性往往會受到限制。

2.1.2 控制實驗法?即通過實驗模擬湖泊水質凈化過程，根據獲得的數據進行水質凈化功能評估。Zhu等(2012)通過兩年的控制實驗，對太湖去除氮、磷效率年際間的變化，收獲對氮、磷去除率的影響以及不同植被去除氮、磷效率的差異進行了研究，結果表明：太湖第一年對總氮、氨態氮、硝酸鹽及總磷、溶解磷、磷酸鹽的去除效率高于第二年；收獲大型水生植物的地上部分對污染物凈化具有重要的促進作用；氮去除效率與入水口氮濃度具有正相關關系；闊葉香蒲和東方香蒲混合種植有助于對氮、磷的凈化。Jansson等(1998)從大量案例中得出污染物負荷—截留量之間的直線關系，用來量化Baltic海的氮截留量，并基于GIS空間分析功能，估算了來自大氣沉降及人類活動的氮量，此方法為量化面源污染產生的氮提供了很好的借鑒。Schind?ler等(1980)通過實驗分析得出某淡水湖對重金屬的去除效率均符合對數線性規律的結論。

模擬實驗具有一定的局限性，如局部研究不能代表整個湖泊生態系統的凈化能力、未考慮周邊非點源污染等，導致評估結果往往與實際情況具有一定的偏差。

2.1.3 污染物去除模型 湖泊對污染物的凈化是十分復雜的過程，數學模型不僅可以簡化凈化過程，而且模擬結果的準確性較高。水質分析模擬程序(WASP,?Water?Quality?Analysis?Simulation?Program)是USACE于1986年推出的目前比較成熟的水質評價模型，該模型包括水動力學程序D?YNHYD?和水質程序WASP?(Toro?et?al，1983)，可模擬湖泊、河流、水庫等水體中常規污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、營養物質以及海藻污染)和有毒污染物質(包括有機化學物質、金屬和沉積物)的遷移轉化規律(李煒，1999)。該模型自提出以來，已在國內外得到了廣泛的應用。Wool等(2006)?、Thomann等(1983)分別對美國東部特拉華港口揮發性有機物及東部托馬可河的富營養化進行了模擬。國內有研究對其進行了借鑒，并進行適當修改，建立了水質—水量耦合模型，用于扎龍濕地水質凈化功能及污染物承載能力的模擬分析和定量評估(Li?et?al，2012)。由于該模型對生態系統中生物組分的考慮不充分，因此僅適用于生態系統結構簡單、特別是受有毒物質影響顯著的湖泊。環境流體動態代碼(EFD?C，Environmental?Fluid??D?ynamics?Cod?e)由John?Hamrick開發，可用于模擬來自非點源的污染物、有機物遷移、歸趨等，可用于分析包括氨氮、總磷、COD?及藻類等在內的22種污染物的濃度變化(Hamrick,?1996)。Thomas?James等(1995)建立了Okeechobee湖泊富營養化模型，利用1985-1986年的湖泊監測數據對該模型進行了校正，用于模擬1973-1993年間該湖泊中氮、磷及葉綠素a的含量。D?ahl等(2006)建立了LEED?S模型，用于模擬Vanern湖中磷和懸浮顆粒的含量，該模型由兩部分組成：一部分用于模擬由漁業養殖造成的富營養化的磷的含量；另一部分用于模擬湖泊中懸浮顆粒的含量。

表2 三種評價方法總結表

國內對該方面的研究起步較晚，但近幾年來也取得了較大進展。濮培民等(2005)建立了湖泊污染物質動力學方程，并根據我國湖泊和美國Okeechobee湖資料確定了控制藻類爆發的總磷、總氮閾值。魏巍等(2009)根據大沽河近20年的監測數據，結合凈化試驗，應用回歸分析法建立了大沽河水體凈化模型，并研究了常規流量下大沽河的水體自凈規律。李秀珍(2002)等在對遼河三角洲濕地凈化系統分析的基礎上，建立了相應的概念模型，并依靠野外實驗數據，為濕地的養分去除功能建立了空間模型并進行模擬，得出了比較精確的截留效果。

目前，隨著計算機技術和科學技術的不斷發展，地理信息系統(GIS)及人工神經網絡(ANNs)理論與方法作為模擬的輔助手段被引入到水質模型中，這不僅使數據處理變得簡單，還能對計算結果進行空間分析，通過簡化的模型獲得更多有價值的信息，從而輔助決策。

表2對以上3種湖泊凈化服務評估方法的部分成果進行了總結歸納。

2.2 湖泊水質凈化服務價值量評價

湖泊凈化服務生態經濟價值的計算方法比較少，目前使用比較多的包括影子工程法、支出費用成本法以及成果參照法等。當某些環境效益和服務沒有直接的市場可以買賣交易，但這些效益或服務的替代品有一定的市場和價格，則可采用影子工程法，通過估算其替代品的花費來確定某些環境效益或服務的價值，文中湖泊水質凈化的價值以替代該功能而建設污水處理廠的成本來計算(Pan?et?al，2002)。該方法比較直觀，通過替代過程造價直接反映價值，但各地生產力水平發展不均衡，所得結果不能反映真實的價值。費用支出法以當地污水處理廠處理某種污染物的單價來表示湖泊對某種污染物凈化的價值量。

成果參照法又稱為效益轉移法，是指運用各種方法已經獲得的實證研究結果，通過適當的調整后，轉移到研究區域，從而得到該區域自然生態環境的價值(趙玲等，2011)。目前，很多學者將濕地降解污染物單位面積價值4?177?US$/（hm2·a）(Costanza?et?al，1997)作為評價標準(崔麗娟，2004)；或根據國家或當地污水處理的成本價格作為計算標準(吳玲玲等，2003)。效益轉化法在節省人力、物力和財力等方面具有優勢，已成為自然生態環境價值評估的重要方法之一，但我國對這方面的研究起步較晚，由于缺乏系統的方法研究，還沒有統一的標準和規范，很容易導致評估結果不準確。且針對成果參照法評價結果進行的有效性檢驗顯示，不同國家、地區間的經濟發展水平及地理位置的差異，效益轉移的有效性較差。

3 小結

湖泊本身的屬性及特征決定了其具有強大的水質凈化功能。本文對湖泊水質凈化機理進行了詳細介紹，湖泊生態系統水質凈化服務產生于水生植物—沉積層—微生物之間的相互作用，并受多種因素影響。對水質凈化服務進行評估，不僅有助于人們對生態系統服務功能重要性的認識，而且能為湖泊生態補償措施及決策的制定提供一定的理論支持。

隨著環境問題的日益突出，水質凈化服務的研究仍有很大的發展空間。目前，國內外對湖泊水質凈化機理的研究已取得一定進展，但科學的評估理論、合理評估指標的選取及評價方法的構建還需進一步完善。自然因素及人類活動等都會對水質凈化服務產生影響，分析這些因素對湖泊水質凈化服務帶來的影響，從動態的角度認識湖泊水質凈化能力的變化，不僅能為湖泊水質凈化能力的評估提供數據支持，也能為生態系統服務之間權衡關系的分析及湖泊資源管理和合理開發利用提供科學依據。

陳小鋒，揣小明，曾巾，等．2 0 1 2．太湖氮素出入湖通量與自凈能力研究[J]．環境科學，3(7)：2309-2314

崔麗娟．2004．鄱陽湖濕地生態系統服務功能價值評估研究[J]．生態學雜志，3(4)：47-51

杜婷婷，羅維，李中和，等．2012．湖泊生態系統服務功能價值評估：太湖為例．[J]中國人口．資源與環境，(22)：208-211

何介南，康文星．2008．洞庭湖濕地對污染物的凈化功能與價值[J]．中南林業科技大學學報，28(2)：24-28

胡小韋，海米提·依米提，伊元榮，等．2008．博斯騰湖水質綜合評價因子分析方法[J]．干旱區資源與環境，22(1)：79-83

姜翠玲，崔廣柏．2002．濕地對農業非點源污染的去除效應[J]．農業環境保護，1(50)：471-473

李榮昉，張穎．2011．鄱陽湖水質時空變化及其影響因素分析[J]．水資源保護，27(6)：9-13

李煒．1999．環境水力學進展[M]．武漢：武漢水利電力大學出版社

李秀珍，肖篤寧，胡遠滿，等．2 0 0 2．濕地養分截留功能的空間模擬Ⅰ．模型的概念和方法[J]．生態學報，22(3)：300-310

劉慶，謝文軍，游俊娥，等．2 0 1 3．濕地沉積物重金屬環境化學行為研究進展[J]．土壤，45(1)：8-16

濮培民，李正魁，王國祥．2005．提高水體凈化能力控制湖泊富營養化[J]．生態學報，25(10)：2757-2763

秦伯強，范成新．2002．大型淺水湖泊內源營養鹽釋放的概念性模式探討[J]．中國環境科學，22(2)：150-153

宋玉芝，秦伯強，楊龍元，等．2 0 0 5．大氣濕沉降向太湖水生生態系統輸送氮的初步估算[J]．湖泊科學，17(30)：226-230

魏巍，王學昌，于鵬，等．2 0 0 9．基于回歸分析的河流水體凈化能力研究：以大沽河為例[J]．海洋湖沼通報(3)：1-8

吳玲玲，陸健健，童春富，等．2 0 0 3．長江口濕地生態系統服務功能價值的評估[J]．長江流域資源與環境，12(5)：411-416

姚鑫，楊桂山．2009．自然濕地水質凈化研究進展[J]．地理科學進展，28(5)：825-832

曾巾，楊柳燕，肖琳，等．2 0 0 7．湖泊氮素生物地球化學循環及微生物的作用[J]．湖泊科學，19(4)：382-389

翟淑華，韓濤，陳方．2014．基于質量平衡的太湖氮、磷自凈能力計算[J]．湖泊科學，26(2)：185-190

趙玲，王爾大．2011．基于Meta分析的自然資源效益轉移方法的實證研究．資源科學，33(1)：31-40

莊大昌．2 0 0 4．洞庭湖濕地生態系統服務功能價值評估[J]．經濟地理，24(3)：391-394，432

Aksoy A, D emirezen D , D uman F. 2005. Bioaccumulation, detection and analyses of heavy metal pollution in Sultan Marsh and its environment[J]. Water, air, and soil pollution, 164(1/4): 241-255

Barlas N, Akbulut N,M. 2005. Assessment of heavy metal resid ues in the sed iment and water samples of uluabat lake, turkey[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 74(2): 286-293

Blackwell M S, Hogan D V, Maltby E.2002. Wetland s as regulators of pollutant transport[M]. Agriculture, Hyd rology and Water Quality: 321

Bu H, Meng W, Zhang Y,et al.2014. Relationships between land use patterns and water quality in the Taizi River basin, China[J]. Ecological Ind icators, 41: 187-197

Costanza R, D 'Arge R, Groot R D e. et al.1997.The value of the world 's ecosystem services and natural capital[J]. Nature, 387(6630):253-260

D ahl M, Wilson D I, H?kanson L.2006. A combined suspend ed particle and phosphorus water quality mod el: Application to Lake V?nern[J]. Ecological Mod elling, 190(1/2): 55-71

D enny P, Bailey R, Tukahirwa E et al.1995. Heavy metal contamination of Lake George (Ugand a) and its wetland s[J]. Hyd robiologia,297(3): 229-239

Ewers U, Schlipkoter H W.1991.Intake, d istribution, and excretion of metals and metal compound s in humans and animals[M]∥ Merian E. Metals and Their Compound s in the Environment; Occurrence, Analysis and Biological Relevance. VCH Weiheim:571-583

Flemming C A, Trevors.1989. Copper toxicity and chemistry in the environment: A review[J]. Water, Air, and Soil Pollution, 44(1/2): 143-158

G?chter R, Meyer J S.1993.The role of microorganisms in mobilization and fixation of phosphorus in sed iments[M]. Proceed ings of the Third International Wo r k s h o p o n P h o s p h o r u s i n Sed iments:103-121

Hamrick.J M 1996. User's manual for the environmental fluid d ynamics computer cod e[M]. D epartment of Physical Sciences, School of Marine Science, Virginia Institute of Marine Science, College of William and Mary

James R T, Bierman V J. 1995. A preliminary mod eling analysis of water-quality in lake okeechobee, florid a - calibration results[J]. Water Research, 29(12):2755-2766

Kishe M A, Machiwa J F.2003.D istribution of heavy metals in sed iments of Mwanza Gulf of Lake Victoria, Tanzania[J]. Environ Int , 28(7): 619-625

Li H, Zhang G, Sun G.2012.Simulation and evaluation of the water purification function of Zhalong Wetland based on a combined water quantity-quality mod el[J]. Science China Technological Sciences,55(7):1973-1981

Mitsch W J G. 1993. Wetland s[M]. Van Nostrand Reinhold

Morin J, John M.1999.Ammonium release from resuspend ed sed iments in the Laguna Mad re estuary[J]. Marine Chemistry,65(1): 97-110

Ostroumov. 2004. On the biotic selfpurification of aquatic ecosystems, Elements of the theory[J]. D oklad y Biological Sciences, 39(6):206-211

Pan W , Tang T, D eng H,et al.2002 Lake ecosystem services and their valuation-a case stud y of Baoan Lake in Hubei province[J]. The Journal of Applied Ecology, 10(13): 1315-1318

Red d y K R, Kad lec R H, Flaig E,et al. 1999.Phosphorus retention in streams and wetland s: A review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology,29(1): 83-146

Sarkar S, Miller S A. 2014.Water quality impacts of converting intensivelymanaged agricultural land s to switchgrass[J]. Biomass and Bioenergy. 68: 32-43

Schind ler D W R H.1980.Effects of Acid ication on Mobilization of Heavy Metals and Rad ionuclid es from the Sed iments of a Freshwater Lake[J]. Canad ian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,(37):373-377

Sekomo C B, Nkuranga E, Rousseau D P L et al.2011. Fate of heavy metals in an urban natural wetland : The nyabugogo swamp (Rwand a) [J]. Water, Air, & Soil Pollution, 214(1/4): 321-333

Toro D M D i, Fitzpatrick J J, Thomann.R V 1983.D ocumentation for water quality analysis simulation program (WASP) and mod el verification program (MVP) [M]

Vagnetti R, Miana P, Fabris M, et al.2003. Self-purification ability of a resurgence stream[J]. Chemosphere, 52(10): 1781-1795

Verhoeven J T A M.1999. Wetland s for wastewater treatment: Opportunities and limitations[J]. Ecological Engineering,12(1):5-12

Wang L K, Yang C T,A ipd . et al.2014. Wetland s for wastewater treatment and water reuse[M]. Humana Press: 643-680 Wool T A, Ambrose R B, Martin J L, et al. 2006.Water quality analysis simulation program (WASP). User's Manual, Version, 6

Zed ler J B, Kercher S.2005.Wetland resources: Status, trend s, ecosystem services, and restorability[J]. Annu. Rev. Environ. Resour,30:39-74

Zhu J, Hu W, Hu L,et al.2012.Variation in the efficiency of nutrient removal in a Pilot-Scale natural wetland [J]. Wetland s,32(2):311-319

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

國家林業公益性行業科研專項(201204201)

程敏(1987-)，女，博士研究生，主要從事濕地生態系統服務價值評價方面的研究。E-mail：cmin611@163.com

歐陽志云(1962-),男，研究員，博士生導師。E-mail：zyou yang@rcees.ac.cn