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《湖泊营养物基准制定的压力-响应模型及案例研》可供从事湖泊科学、水质基准、水质标准、环境科学与工程、环境管理和生态学等各个学科的科研和管理人员阅读,也可作为环境科学与工程、生态学等专业研究生的参考书。
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《湖泊营养物基准制定的压力-响应模型及案例研》是近几年湖泊营养物基准制定的压力-响应模型研究成果的总结和深化,在分析国内外最新研究成果的基础上,结合近年来该领域最新研究进展和成果,形成了适合我国湖泊特征的营养物基准制定的压力-响应模型方法,在不同区域尺度开展了案例研究,系统分析了不同压力-响应模型的优缺点和适用范围,提出了我国不同湖泊生态区的营养物基准阈值范围。《湖泊营养物基准制定的压力-响应模型及案例研》反映了国内外湖泊营养物基准的最新研究动向,是营养物基准相关学科及环境保护部门进行水体富营养化控制、制定营养物基准的参考性资。
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目录前言第一章压力-响应模型概况 11.1压力-响应模型的概念 91.2压力-响应概念模型的构建 31.3数据的收集和分类 61.3.1变量选择-61.3.2数据收集-81.3.3数据探索-91.3.4数据分类 101.4建立压力-响应模型的方法 141.4.1线性回归模型 151.4.2分类回归树模型 151.4.3拐点分析法 161.4.4贝叶斯层次回归模型 161.5压力-响应关系模型的评价 171.5.1评价模型的准确性 171.5.2评价模型的精确度 181.5.3需要考虑的实施问题 191.6小结 19参考文献 20第二章线性回归模型法建立湖泊营养物基准 232.1引言 232.2简单线性回归模型 232.2.1数据集分析 242.2.2简单线性回归的假设 252.2.3候选基准的推断 282.2.4简单线性回归模型确定东部平原湖区不同类型湖泊的营养物基准 322.3多元线性回归模型 452.3.1多元线性回归模型概述 452.3.2多元线性回归模型硝定东部湖泊生态区不同类型湖泊的营养物基准 462.4土地利用类型与营养物关系模型 472.4.1土地利用类型与营养物关系 472.4.2土地利用类型与营养物关系推断云贵湖泊生态区营养物基准的案例研究 482.5小结 57参考文献 57第三章基于线性回归模型建立我国湖泊营养物基准 613.1引言 613.2营养物生态分区 623.2.1生态分区方法 623.2.2湖泊营养物生态区 673.3数据来源和数据质量控制 703.4我国湖泊富营养化状态及发展趋势 713.5生态分区湖泊营养物效应 713.6生态分区湖泊营养物基准的建立 743.7讨论 863.8小结 87参考文献 88第四章分类回归树模型建立湖泊营养物基准 914.1引言 914.2分类回归树模型 914.2.1树的构建及基尼系数 924.2.2树的停止 944.2.3分类回归树的剪枝 944.2.4最优树的选择 964.3分类回归树模型确定云贵湖泊生态区营养物基准的案例研究 964.3.1数据的来源和教据质量控制 964.3.2分类回归树模型确定云贵湖泊生态区营养物基准 974.3.3讨论 994.4分类回归树模型确定全国湖泊营养物基准的案例研究 994.4.1数据的来源和数据质量控制 994.4.2分类回归树模型确定生态区湖泊营养物基准 1004.4.3讨论 - 1054.5小结 105参考文献 105附录4.1分类回归树模型实现的R语言代码 106第五章拐点分析法建立湖泊营养物基准 1085.1 引言 1085.2拐点分析法 1095.2.1非参数拐点分析法 1095.2.2贝叶斯拐点分析法 1105.3拐点分析法建立湖泊营养物基准的案例研究 1135.4 小结 120参考文献 121附录5.1非参数拐点分析实现的R语言代码 122附录5.2贝叶斯拐点分析法实现的matlab代码 123第六章贝叶斯线性回归模型建立湖泊营养物基准 1266.1 引言 1266.2贝叶斯层次回归模型法 1276.2.1贝叶斯层次线性模型 1276.2.2贝叶斯非层次线性模型 1286.2.3计算和模型比较 1296.2.4后验模拟 1316.2.5贝叶斯层次回归模型的WrnBUGS实现 1316.3贝叶斯层次回归模型确定营养物基准的案例研究 1316.3.1数据来源及质量控制 1316.3.2贝叶斯层次线性回归模型应用于全国湖泊生态区 1326. 3. 3贝叶斯层次线性回归模型确定云贵湖泊生态区不同类型湖泊营养物基准 1516.3.4贝叶斯层次回归模型确定中东部湖泊生态区营养物基准 1616.4贝叶斯线性回归模型适用性分析 1706.5不同方法的综合比较 1716.6不同方法得到基准阈值或基准范围的比较 173参考文献 174附录6.1贝叶斯层次线性回归模型实现的Winbugs代码 174彩图
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第一章 压力-响应模型概况 我国湖泊众多、区域多样性显著且广泛面临着不同程度富营养化的威胁。目前,用于湖泊保护和富营养化控制的水质质量标准是2002年制定的《地表水环境质量标准》GB 3838-2002,涉及营养物的标准值的确定缺乏相应的数据支撑和营养物基准支撑,更没有考虑区域差异性。建立科学的区域湖泊营养物基准已经成为环境管理机构的一个重要任务,因为这些基准可以用于评价人类活动对水生态系统的影响,保护水质和水生物完整性并发展相应的管理决策 Hawkins et a1．,2010。因此,需要制定区域湖泊营养物基准来更好地反映中国湖泊区域环境的差异并满足当前湖泊管理的需求。 我国于2008年开始实施区域营养物基准制定计划并进行了湖泊生态区划及其营养物基准的拟定工作。将美国环境保护局US EPA推荐的参照湖泊法、湖泊群体分布法、三分法、模型推断法等方法US EPA,2000a,2000b进行了案例研究,分析这些方法制定中国湖泊营养物基准的可行性。这些方法比较适合对那些能够获得参照湖泊的区域制定营养物基准。由于我国湖泊的生态系统不同程度地受到工业化、城镇化及农业活动等人类活动的影响,大多数湖洎生态区不能找到不受人类活动影响或受人类活动影响较小的参照湖泊,因此这些方法不适合制定我国湖泊的营养物基准。同时,这些方法在制定基准时也没有考虑水体功能（指定用途）对营养物基准的影响。因此,亟须探索一种适于我国营养物基准制定的方法。 湖泊中的氮磷等营养物在浓度较低时不会对水生生物和人体产生毒害作用。利用简单的实验室模拟研究代表化学污染物毒性效应来推断数值化基准的方法限制了湖泊营养物基准的发展I_amon and Qian,2008。过量的营养物会刺激浮游藻类的不良增长,导致氧气的耗竭,光透过性的降低、生物多样性的减少和藻毒素的产生,最终干扰水生生物的正常生长、娱乐和饮用水供应功能。因此,基于对野外观察数据的分析,发展了代表氮磷营养物浓度与初级生产力关系的压力一响应模型US EPA,2010。根据给定的藻类生物量基准,压力一响应模型适用于推断受人类活动影响较严重湖泊的营养物基准以保护水体的指定用途。叶绿素aChl a浓度与藻类生物量密切相关,可以作为利用指定水体使用功能制定营养物基准时,联系营养物浓度的重要变量。支撑饮用水供应功能的湖泊营养物基准会受到与藻类水华相关的不断增加的藻毒素和右机碳的影响。因此,在使用压力一响应模型推断饮用水供应功能对应的氮磷基准之前需要确定Chl a响应变量的目标值（或基准值）。US EPA采用压力一响应模型推断得到了支持指定水体使用功能的数值化氮、磷基准。迄今为止,压力一响应模型在我国并没有广泛用于湖泊营养物基准的制定。因此,国内的研究者有必要应用当前可利用的压力一响应模型确定我国湖泊营养物基准并进行分区湖泊营养物基准的制定工作,尤其是对反映湖泊流域特征并受人类活动影响严重的湖泊区域。1.1压力一响应模型的概念 压力一响应模型是利用湖泊大量现有的可利用数据,分析压力指标与初级生产力之间重要的响应关系,依据给定的与水体使用功能存在直接或间接关系的生物响应变量的阈值,推断得到营养物基准浓度的一种方法US EPA,2010。其中,总磷TP和总氮TN等是主要的压力变量,叶绿素aChl a通常可作为重要的响应变量。该模型能够定量地描述藻类生物量与水体营养物之间的响应关系,尤其适用于受到人类活动影响湖泊的营养物基准值的制定。同时,压力一响应模型通过Chl a这一变量将营养物浓度和水体的使用功能联系起来,能够制定不同功能水体的营养物基准Huo et a1．,2013。 采用压力一响应模型确定不同湖泊生态区营养物基准面临着以下几个方面的挑战：①建立或获得Chl a与反映永体使用功能的重要因素之间的相关关系是需要解决的关键问题。为了利用压力一响应模型确定营养物基准值,不同湖泊生态区不同水体使用功能对应的Chl a的基准值需要首先确定。同时,为具有指定水体用途的湖泊定义Chl a基准时,需要清楚之前确定的因果关系最终可能会影响湖泊指定用途的程度。②藻类对营养物响应的敏感程度在不同湖泊类型存在显著的差异性。压力一响应模型易于受到某些环境因子的干扰,如物种的生物地理学特性、湖泊的流域面积、水体的盐度及色度等。因此,在模型建立的时候,应该考虑这些因素对压力一响应关系的影响。③不同湖泊的营养物响应类型（N响应型还是P响应型）是很难确定的。在许多淡水湖泊,磷是主要的限制型营养物,但是,越来越多的研究表明氮以及氮与磷的结合在某些湖泊也是非常重要的。④浅水湖泊具有较高浓度的悬浮颗粒物,应该区分藻类浊度和非藻类浊度对建立压力一响应模型产生的影响。例如,我国长江中下游的湖泊多为浅水湖,由于人类活动及风等外部因素的干扰,这些浅水湖含有较高的悬浮颗粒物。因此,该地区营养物与藻类之间建立的压力一响应模型在很大程度上会受到非藻类浊度的影响。虽然压力一响应模型在美国湖泊已经得到了较为成劝的应用,但是对美国湖泊得到的N、P与Chl a之间的关系以及Chl a与指定水体功能之间的关系能否适用于我国仍然是不清楚的。N、P和Chl a浓度参数的制定及不同湖泊类型和区域水体指定用途的可达性将是决定压力一响应模型在我国适用性的关键不同分区湖泊营养物基准的确定对科学合理地制定水质标准具有重要意义。我国已经意识到发展数值化营养物基准来保护湖泊指定用途以避免富营养化威胁的重要性。因此,在考虑生态区域化差异的基础上,制定了适合于国家全部地形及气候区域的营养物基准以提高和保护水质。压力一响应模型将为我国湖泊营养物基准的制定提供一个技术上科学合理的方法基础。需要考虑可能影响Chl a对营养物响应敏感性的复杂的环境因素以提高建立的压力一响应模型的准确性。1.2 压力一响应概念模型的构建 概念模型主要用来表示氮磷浓度变化、生物效应及水体指定功能之间已知的相关关系。这些概念模型不仅为氮和磷在水生态系统的效应的相关知识提供了交流的方式,而且为后续的分析研究提供了有力的技术支撑。概念模型图是反映水生态系统中人类活动、压力变量（如氮磷污染）、生物响应及指定水体功能之间相互作用关系的视觉再现（图1-1）US EPA,2010。模型图及其相关的叙述性描述对压力一响应关系的建立起非常重要的作用,它们能够描述公认的科学知识并有助于压力一响应关系模型的发展。图1 1 湖泊系统压力响应关系概念图US EPA,2010 湖泊概念模型主要涉及湖泊的富营养化过程,该过程随着氮磷营养物的增加引起了湖泊系统中初级生产力水平的显著增加 Novotnv,2003。这里指的富营养化主要是指人为富营养化,即由于人类活动改变了氮磷的输入、输出及循环速率,加速了初级生产力的增加并最终导致了一系列的水质问题 Carlson,1977；Chapra,1997；Smith et a1．,1999；Smith et a1．,2006。湖泊概念模型图显示了人类活动与氮磷负荷增加、浓度上升及影响指定用途的其他压力指标之间的关系。推断数值化基准的重要路径与氮磷营养物以及光、温度的增加导致初级生产力的增加有关I_ee et a1．,1978; Smith,1998。初级生产力的增加提高了有机碳的含量,不断增加的呼吸作用反过来降低了溶解氧的浓度。溶解氧的降低影响了水生生物的健康及物种组成。虽然在大多数湖泊系统中富营养化是主要的过程,但是它的重要性、价值和影响在不同的区域或同一区域的不同监测点是不同的。 人类活动引起氮磷负荷增加及相应水体浓度上升的污染源可以分为点源污染、城市非点源污染和农业非点源污染。点源污染是有固定排放点的任意污染源,主要包括域市污水、工业废水和规模化畜禽养殖废水。这些废水的来源和处理程度存在很大差异,因此输入到湖泊水体的氮磷的数量和形态也不同Dunne and Leopold,1978。点源排放也会向湖体引入不同来源和处理程度的有毒污染物。 非点源污染没有固定污染的排放点。城市非点源污染是指城市降雨径流淋洗与冲刷大气和汇水面各种污染物引起的受纳水体的污染,是城市水环境污染的重要因素。降雨是城市非点源污染形成的动力因素,而降雨形成的径流是非点源污染物迁移的载体。因此,狭义上的城市非点源污染即指城市降雨径流污染,它是城市非点源污染的最主要形式。富含营养物土壤的侵蚀在城市地区也很常见,这种侵蚀会增加水体中氮磷营养物及悬浮颗粒物的浓度。 农业非点源污染是指在农业生产活动中,农田中的土壤颗粒、氮、磷、农药及其他有机物或无机物,在降水或灌溉过程中通过农田地表径流、农田排水及地下渗漏,使大量污染物进入水体而造成的水环境污染。主要包括土壤流失、化肥污染、农药污染、畜禽养殖污染及其他农业生产过程中造成的非点源污染。与农业活动相关的土壤扰动而引起的侵蚀也会引起营养物负荷的增加Dunne and I_eopold,1978；Carpenter et al-,1998。这些活动在增加营养物浓度的同时也伴随着悬浮颗粒物浓度的增加,同时会引入一些有毒的物质（如农药）威胁水生生物的生长。 除了以上人为营养物的输入,一些系统中潜在的地质及自然植被也会影响氮磷背景浓度。例如,许多地区的土壤和岩石本身具有很高的氮磷含量,这会增加其对营养物负荷的贡献量Omernik et a1．,2000。自然有机物碎屑也会增加其对氮负荷的贡献量。 氮磷主要以三种形式存在：溶解有机态氮磷、溶解无机态氮磷和颗粒态氮磷Chapra,1997。这些化合物的形态之间可以频繁地循环,在溶解态和颗粒态之间转化并反应。只有溶解有机态和无机态氮磷能够被微生物及初级生产者吸收利用,这种吸收能力和利用效率的差异随物种及环境条件的变化而变化。 溶解性活性磷（如POi）是最容易被植物和藻类吸收的磷形态 Correll,1998。尽管溶解性正磷酸盐的浓度可以直接测定,但它在环境中很容易被植物吸收或转化为其他形态,因此对溶解性正磷酸盐的测定或许不能够精确地表征有效性磷的含量。通常将TP作为系统中有效性磷的指示性指标。对磷负荷的评估同时需要考虑湖泊的水力停留时间及磷的固定率以准确拟合观察到的Chl a浓度Vollenweider,1976。以无机氮形式存在的氨氮和硝态氮是最先被植物和藻类利用的氮的形态。与正磷酸盐类似,在大多数采样过程中很难对氨氮和硝态氮进行充分测定。因此,通常采用总氮来表示系统中氮元素的含量以及氮与初级生产力之间的关系。 除了点源和非点源污染会导致氮磷浓度的增加,其他因素（如停留时间、湖泊深度和分层等）也会对氮磷浓度产生影响 Vollenweider,1968; Dake and Harle-man,1969；Gorham and Bovce,1989。停留时间是指水或物质颗粒在湖泊系统中酌平均停留时间。停留时间越短,湖泊的冲刷率越大,营养物离开湖泊的速度越快。湖泊深度会影响湖泊内部营养物的循环或负荷。较浅的湖泊具有较大的营养物循环潜力,因为从较浅的底泥中释放或汇集的氮、磷更容易与上覆水混合。这一过程会随着某一深度缺氧的产生而加重,并增加磷的再矿化程度。分层是一种物理过程,根据不同的水体密度,湖泊分为不同的层次。在分层的湖泊中,上层被称为变温层；中间层被称为跃温层；底层被称为均温层。跃温层是水温和水密度变化最快的一层,并将变温层与均温层分开。除了春季和秋季（湖泊系统处于完全混合状态）之外,冷、温的湖泊系统通常情况下处于分层状态。在冬季无冰覆盖的区域,整个冬季湖泊都处于混合状态而仅在夏季分层。在分层的状态下,下层滞水带溶解氧的消耗会导致湖泊处于缺氧状态。 以上湖泊特征是相互作用相互影响的。湖泊深度会影响停留时间和湖水温度。在通常情况下,深水湖有较长的停留时间和较低的平均温度。分层现象也容易受湖泊深度、换水周期及水温的影响Dake and Harlem
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