基于硅藻完整性指数的辽河上游水质生物学评价

年9月对辽河上游12个采样点的着生硅藻进行了生物调查,同时测定了ρ(DO)、pH、ρ(TP)、ρ(TN)、ρ(NH₃-N)、ρ(COD_Cr)和ρ(BOD₅)等水质参数. 共检测到硅藻16属,以针杆藻属(Synedrasp.)、舟形藻属(Naviculasp.)、异极藻属(Gomphonema sp.)、桥弯藻属(Cymbella sp.)为优势种. 根据硅藻香农多样性指数确定了5个相对清洁采样点和7个受污染采样点,对10个硅藻生物指数进行了辨别力分析和Pearson相关分析. 结果表明,硅藻香农多样性指数、敏感性硅藻百分比和IDP硅藻指数最适合辽河上游的水质生物学评价. 采用5、3、1生物指数记分法统一量纲后,获得变化范围在3～15的D-IBI(硅藻完整性指数). 利用四分法划分辽河流域水质级别的标准,13～15为较好,10～12为一般,7～9为较差,3～6为差,并对12个采样点进行了重新评价,评价结果与水质参数的评价结果一致. 总体看来,该D-IBI基本适宜于评价辽河上游的水质状况. 收稿日期:┣┣(中)收稿日期┫┫2011-12-08修订日期:2012-03-08┣┣(中)修回日期┫┫基金项目:┣┣(中)基金项目┫┫国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07528-002)作者简介:┣┣(中)作者简介┫┫李国忱(1985-),男,辽宁阜新人,liguochen1001@126.com.*责任作者,┣┣(中)通信作者┫┫ 刘录三(1975-),男,山东莒县人,副研究员,博士,主要从事水生生物多样性、生态系统健康评价方面研究,liuls@craes.org.cn      

The development,use, and misuse of biocriteria with an emphasis on the index of biotic integrity

Biocriteria can provide valuable tools for determining use attainment and detecting impairment. Unfortunately, however, biocriteria are sometimes hastily developed, and the underlying metrics either not calibrated properly or not calibrated at all. In this paper, the process of developing biocriteria is reviewed and problems in three basic areas are identified; field collections, metric development, and data analysis. With regard to field sampling, it was found that a greater degree of standardization is needed because variability increases when each investigator is left to choose what gear to sample with, when to sample, and with what intensity.To improve metric performance, several recommendations were made: (1) expectations and scoring for each metric should be based solely on field data; (2) states should not take scoring criteria developed in other states and assume that they apply in their state, unless they have overlapping ecoregions; (3) the slope of the of the 95th percentile line should be determined statistically, rather than by eye; (4) the minimum data set needed to develop defensible metrics needs to be investigated; (5) metric scoring should be based only on data from ‘least impacted’ sites; and (6) metrics that are overly redundant should be eliminated from multi-metric indices. Finally, it was found that accuracy and precision have not been adequately addressed. Round-robin testing should be used to establish the variance of each sampling method.     

应用生物完整性指数评价我国河流的生态健康

河流生态健康评价是开展流域水生态健康评估和管理的重要技术基础,生物完整性是评估流域生态完整性的重要构成指标.基于生物群落特征参数的多参数指数（MMI）和预测模型的样点物种组成观测值与期望值比值的O/E指数（O,观测值;E,期望值）,是应用最广泛的评价生物完整性的两个重要指数;美国和欧盟等都已建立完善的基于生物完整性指数评价水生态健康的国家和地方规范.本文综述了MMI和O/E指数的基本概念和构建方法,比较了两者的共同点和优缺点;回顾了两者的发展简史和国内外的应用现状,分析了目前我国对MMI和O/E指数研究与应用的现状和不足,并提出了国内未来研究和应用MMI与O/E指数的建议.     

底栖生物完整性指数的构建及生物基准的确定

基于2009～2013年7个航次渤海湾天津段的大型底栖动物和水质、沉积物环境数据,结合国内外已有的研究结果,首次尝试采用AZTI海洋生物指数以及水质和沉积物质量确定参考点,同时采取标准化方法筛选生物指标,确定各指标的阈值分级标准,从而构建出生物完整性指数.取参考点生物完整性指数值的90%分位数作为基准值,得出该海域生物基准值为5.适用性验证结果表明,生物完整性指数能够较好地指示研究区受干扰的生态质量状况,较为敏感地响应营养盐及重金属压力,也适用于评价该区域的底栖生态质量状况.因此,采用生物完整性指数法来确定生物基准是合理可行的.     

Human impact on current environmental state in Chinese lakes

Anthropogenic and natural disturbance to inland aquatic ecosystems displays a notable spatial difference, yet data to measure these differences are scarce. This study encompasses 217 lakes distributed over five lake regions of China and elucidates the environmental factors determining the spatial variability of the water quality and trophic status. A significant correlation between human modification index in surrounding terrestrial systems (HMT) and trophic status of lake ecosystems (TSI) was found, and the regression slope in each region was similar except in the Qinghai-Tibet Plateau region. It was further noted that the pattern of environmental factor network (EF network) differed among freshwater and saline lakes. The EF network was complex for freshwater lakes in less human-influenced areas, but intensive man-made influence disrupted most relationships except for those between total nitrogen, total phosphorus, chlorophyll-a, and water turbidity. As for regions including saline lakes, correlations among water salinity and organic forms of carbon and nitrogen were apparent. Our results suggest that HMT and EF network can be useful indicators of the ecological integrity of local lake ecosystems, and integrating spatial information on a large scale provides conservation planners the option for evaluating the potential risk on inland aquatic systems.     

我国水生态系统完整性研究的重大意义、现状、挑战与主要任务

水生态系统完整性研究是当今国际热点,维护水生态系统健康与稳定已成为世界各国水生态系统保护的目标、方向和管理策略. “十三五”以来,我国地表水环境质量改善效果显著,但部分流域或局部水生态退化问题成为突出短板,强调水生态系统整体保护、促进水生态环境质量全面改善、提高生态系统自我修复能力将是未来我国水生态环境保护的重点任务. 本文详细剖析了典型流域水生态系统保护现状和需求,阐述了我国开展水生态系统完整性研究的重大意义,系统总结了完整性研究国际进展和应用实践,深入分析了当前我国完整性研究面临的主要挑战,提出了未来发展思路与重点任务. 加快研发完整性监测与评价新技术,建立物理、化学和水生生物多要素统筹的完整性评价指标体系,创新发展多尺度完整性评价理论,持续开展典型流域完整性状况评估,摸清水生态家底及演变趋势;突破完整性退化诊断与修复调控新技术,厘清退化机制及驱动因子,阐明气候变化与人类活动复杂压力下退化水生态系统修复路径和调控策略,提升水生态系统保护修复的科学性,加快推动我国水生态环境管理制度迈上新台阶,为恢复和维持重点流域水生态系统原真性和完整性提供科技支撑.      

不同大型底栖动物快速生物评价指数对河流水质指示比较

大型底栖动物是河流健康评价中最常用的生物类群,鉴于在大区域/流域进行大量生物样品采集与生物评价时需要消耗大量的野外调查时间、实验室内鉴定时间等时间成本的问题,基于浑太河流域98个采样点的大型底栖动物数据(如物种、丰度、敏感值等)和环境因子〔ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)、ρ(TN)、EC(电导率)等〕,选择比较常用的5种大型底栖动物快速生物评价指数〔SIGNAL指数(stream invertebrate grade number-average level)、EPT-Fa指数(Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera)、BMWP指数(biological monitoring working party)、ASPT指数(average score per taxon)和BP指数(Berger-Parker index)〕和1项生物完整性指数(benthic index of biotic integrity,B-IBI)进行比较. 通过Spearman秩相关性分析、主成分分析、线性拟合回归分析等方法比较6种生物评价指数的相关性,构建水环境污染梯度,识别出主要的水环境影响因子,并探讨5种大型底栖动物快速生物评价指数对主要水环境影响因子指示程度的差异性. 结果表明:①5种快速生物评价指数以及B-IBI指数之间均呈两两显著相关(|R|为0.35~0.94, P<0.01),说明它们在评估河流健康状况时具有较高的一致性. ②主成分分析结果显示,轴1的解释率为59.14%,可以有效表征主要的压力梯度,并且5种快速生物评价指数与轴1的线性拟合度均较高(R2为0.23~0.31, P<0.01). ③各快速生物评价指数与不同水质指标的线性拟合结果差异性较高,其中BMWP、EPT-Fa、SIGNAL和ASPT指数对ρ(COD_Mn)的线性拟合度均较高,BMWP指数对ρ(COD_Mn) (R2=0.47, P＜0.01)、ρ(NH₃-N) (R2=0.31, P＜0.01)、ρ(TN) (R2=0.27, P＜0.01)的线性拟合度较高,BP指数对ρ(BOD₅) (R2=0.22, P＜0.01)、EC (R2=0.24, P＜0.01)的线性拟合度较高. ④BMWP指数与B-IBI指数的相关性最为显著,并且二者对水质健康评价的结果最为接近;在浑太河流域河流水质状况评估中,BMWP指数应当作为首选快速生物评价指数.      

流域土地利用变化的水生态响应研究

流域土地利用变化造成水体物理、化学条件变化,并对诸多水生生物产生影响,进而破坏水系的生态系统结构和功能.研究显示:① 流域土地利用变化将引起水文、底质、生境改变等物理响应,以及水体营养盐、细菌、有毒有害物含量、溶解氧变化等化学响应,分布式水文模型成为研究物理和化学响应的重要工具;② 流域土地利用变化的生物响应表现为水生生物与自然用地类型呈正相关,而与农业用地、城镇用地呈负相关,并且存在明显的尺度效应,统计学分析是主要的研究方法;③ 大尺度的土地利用变化在水文过程下造成河段尺度上的外源物质输入、水文条件、底质结构等物理化学因子变化,是影响水生生物生境的直接原因.存在主要问题:① 流域土地利用变化的生物响应关系机制尚不明晰;② 流域土地利用变化的生物响应是通过物理响应、化学响应来间接作用的,但三者之间的非线性关系十分复杂;③ 水生生物对环境因子变化的敏感性和适用性存在较大差异.因此,未来研究应关注流域水文过程驱动下的物质迁移转化过程及由此带来的物理、化学和生物响应以及三者之间的关系,加强流域水文规律总结和参数率定,构建符合流域特征的参数数据库,并着力构建以保护水生态系统结构与功能为核心的流域山水林田湖系统综合管控模式.      

海上突发环境事件生态系统服务损失评估进展

评估海上突发环境事件对生态系统服务造成的损失,对落实生态损害赔偿制度、保证生态系统服务与功能正常发挥具有重要意义.基于生态系统服务的定义,明确了生态系统服务损失的内涵,是除直接经济损失外,生态系统产生的供给、调节、文化和支持等公益服务的损失.阐述了国内外关于海洋生态系统服务损失评估的研究现状及实践,重点介绍了美国自然资源损害评估（NRDA）体系中生境等价分析法和资源等价分析法的基本假设与主要步骤,通过等价分析法确定生态恢复工程的规模,并结合生态系统服务价值评估的研究成果确定损失.我国学者借鉴NRDA体系等开展了大量研究,提出环境损害鉴定评估、溢油生态损害评估等方法,并在"塔斯曼海"号溢油、蓬莱19-3油田溢油等典型案例中进行应用及优化,比较了不同评估方法差异及影响因素.评估损失必须首先确定事件对海洋生态的影响范围与影响程度、受体类型及敏感度等关键因子,可采用现场监测、遥感及扩散模型等方法确定影响范围与程度,在实践中一般需要综合应用、互相补充.从管理和技术层面,分析了我国海上突发环境事件生态系统服务损失评估研究现状与应急管理需求的差距,在此基础上建议:①建立健全法律体系,细化生态损害评估的责任、内容和要求,明确将生态系统服务损失纳入生态损害赔偿;②构建技术评估体系,根据化学品性质、生态系统类别及特征等,分类出台一系列技术标准;③建议在遥感遥测技术、化学品泄漏数值模型等方面进一步开展研究,提高准确度和时效性.      

不同尺度下蒸散量测算方法的应用及展望

在水资源日益稀缺的背景下,蒸散作为陆地水循环的重要组成部分,对水资源管理和农业灌溉方案的制定都起着决定性作用。在全球尺度上,蒸散量整体呈现出了明显的随时间增加趋势,但区域尺度及流域尺度的蒸散变化则呈现出较大的不确定性,并且在一些下垫面比较复杂的地区,如喀斯特小流域,蒸散作为流域水循环的重要组成部分往往难以准确测定,所以更需要因地制宜地选择蒸散量测算方法。基于此,本文以各种方法的研究尺度为切入点,将当前被广泛接受的蒸散研究方法分为小尺度方法,即针对单体植株和适用于田块尺度的蒸散研究方法,包括树干液流法、零通量面法、风调室法、蒸渗仪法以及土壤-植被-大气连续体(SPAC)水分传输综合模拟法;百米尺度方法,包括波文比法和涡动相关法;公里尺度方法,主要包括闪烁仪法;流域及区域尺度方法,包括水量平衡法和空间遥感法。概述了各个方法的应用范围、特点以及局限性,列举了前人工作中各种方法之间的对比验证,着重分析了闪烁仪方法在复杂下垫面的应用前景,以便在不同研究条件和研究尺度下能选择最佳的蒸散量测算方法,并对未来蒸散研究进行了展望。     

人工纳米颗粒在水体中的行为及其对浮游植物的影响

人工纳米颗粒(engineered nanoparticles,ENPs)因其特殊的尺寸效应及良好的光学、磁学等性质,已被广泛应用于医药、生物成像以及工业产品等领域.在生产、使用和排放的过程中,ENPs通过不同途径不可避免地进入水体,因此ENPs在水体中的行为和生物安全性也引起了人们的极大关注.在水生生态系统中,浮游植物作为初级生产者,为自身以及其他营养级生物提供营养物质、能量和氧气,因此受到ENPs的影响是难以估算的.近年来已有大量的研究证实ENPs对生物有毒性效应,但ENPs进入浮游植物体内的机制以及ENPs在浮游植物体内的生物运输和转化的报道较少,并且这方面的机制仍不甚明确.本文重点介绍了纳米材料进入水体的途径,在水体中的行为以及对浮游植物的生物效应的最新研究进展,但这方面的机制研究需要进一步深入.     

淡水沉积物中重金属生物有效性的研究进展

淡水重金属污染已成为全球关注的热点环境问题之一。沉积物作为重金属的重要储库与污染内源,可对水环境质量及水生态系统产生严重危害。生物有效性是评价重金属生物可利用性及其毒性效应的关键指标,研究淡水沉积物中重金属的生物有效性与调控机制,有助于阐明重金属的污染机理及其生态环境效应,可为重金属的污染防治提供科技支撑。本文回溯了沉积物重金属生物有效性的定义内涵、发展历史,重点介绍了重金属生物有效性评价的主要方法、适用性及其优缺点,归纳了影响重金属生物有效性的主要因素与内在机制,概述了目前国内外典型河流、湖泊和水库等淡水水体沉积物中相关研究的最新进展。本文进一步指出,在今后研究中亟需整合现有分析方法,形成统一的沉积物重金属生物有效性评价指标与方法体系,并开展权威实验室比对研究。同时,应考虑不同淡水生态系统的区域差异性,采用生物监测方法与原位被动采样技术相结合,将生物配位体模型纳入重金属的生态毒理效应研究中。最终,依据不同淡水环境的特性,尽快建立相应的沉积物重金属质量基准,加强重金属环境污染的科学管理。     

湖泊生态环境需水量计算方法研究

中国北方干旱和半干旱地区湖泊面临不断干枯、萎缩和水质污染严重的局面。水资源的不合理配置和使用,造成资源性缺水和水质性缺水;维护湖泊和水库的合理水位及其水体的自净能力已经成为淡水资源科学配置和永续利用的基本保证。确定和保证湖泊生态系统必需的最小水量是解决问题的关键和前提,计算湖泊最小生态环境需水量的方法有:①水量平衡法;②换水周期法;③最小水位法;④功能法。研究结果表明:对于受损严重的湖泊,功能法无论从理论基础、计算原则和计算步骤,还是从需水量的分类和组成,都比较准确地反映了湖泊生态系统的健康现状和湖泊生态系统需水量之间的相互关系,可以为防止湖泊生态系统日益恶化的趋势和生态恢复提供技术支持。针对不同类型湖泊、生态环境特性和生态系统管理目标可以选择不同的计算方法,在确定了湖泊最小生态环境需水量和生态环境建设实施方案,北方地区湖泊生态系统将进入科学管理和生态恢复阶段。     

Aquatic ecosystem protection and restoration: advances in methods for assessment and evaluation

Many methods and criteria are available to assess aquatic ecosystems, and this review focuses on a set that demonstrates advancements from community analyses to methods spanning large spatial and temporal scales. Basic methods have been extended by incorporating taxa sensitivity to different forms of stress, adding measures linked to system function, synthesizing multiple faunal groups, integrating biological and physical attributes, spanning large spatial scales, and enabling simulations through time. These tools can be customized to meet the needs of a particular assessment and ecosystem. Two case studies are presented to show how new methods were applied at the ecosystem scale for achieving practical management goals. One case used an assessment of biotic structure to demonstrate how enhanced river flows can improve habitat conditions and restore a diverse fish fauna reflective of a healthy riverine ecosystem. In the second case, multitaxonomic integrity indicators were successful in distinguishing lake ecosystems that were disturbed, healthy, and in the process of restoration. Most methods strive to address the concept of biological integrity and assessment effectiveness often can be impeded by the lack of more specific ecosystem management objectives. Scientific and policy explorations are needed to define new ways for designating a healthy system so as to allow specification of precise quality criteria that will promote further development of ecosystem analysis tools.     

开关表面活性剂对土壤及地下水中多环芳烃污染的增效修复研究进展

开关表面活性剂在环境中主要应用于处理土壤及地下水系统中疏水性有机污染物,污染物多环芳烃(PAHs)是目前其应用研究的热点. 本文详细阐述了开关表面活性剂对土壤及地下水中PAHs污染的可逆增效机理,增效机理基于开关表面活性剂胶束形态的改变;汇总了常用于土壤及地下水PAHs污染修复的三类开关型表面活性剂,通过比较光开关型、CO₂/N₂开关型和氧化还原开关型在开关前后的表面活性理化指标来解释其微观调控特征,认为微观调控基于其响应基团发生化学反应;重点总结了这三类开关表面活性剂在改变表面张力的可逆性与对PAHs增溶的可逆性上具备的优缺点;阐述了开关表面活性剂在实际应用中可能受很多外界因素的影响,并重点关注温度、pH、无机离子和土壤矿物对其的影响. 今后需通过一定规模的野外场地试验,探究多种环境因素动态耦合对开关表面活性剂增溶PAHs的影响机制,厘清在环境因素动态耦合下不同调控方式与分离效率之间的关系,为筛选适合不同环境的开关表面活性剂提供理论数据支撑.      

Considerations regarding development of index of biotic integrity metrics for large rivers

The index of biotic integrity (IBI) is the most widely used multi-metric index to assess the biological health of fish communities. Numerous state-specific or basin-specific versions of the IBI have been developed for wadeable streams. However, progress has been considerably slower with regard to developing IBIs for large rivers. Sampling in large rivers presents a number of unique problems, many of which result from the size of the waterbody to be sampled. Topics covered in this paper include several related to field sampling such as electrofishing output requirements, day vs night sampling effectiveness, effectiveness of various gears and overlap among them, the lack of reference sites in large rivers, seasonal movements of fishes, variables affecting sampling efficiency, sampling effort, and QA/QC. Also discussed are several topics related to data analysis such as data variability, influence of YOY fishes on catch results, minimum size of the data set, metric calibration, proper characterization of trophic guilds, and establishment of tolerant/intolerant species. Before meaningful IBI scores can be generated, new metrics, applicable to large rivers, need to be developed. Based on the considerations discussed in this paper, it is recommended that large rivers be sampled by a combination of seining and electrofishing, with the electrofishing being conducted at night and with an effort of ≥500 m.     

城市人工构筑物的多尺度生态影响

人工构筑物是城市生态系统的重要组成部分,是人-自然耦合关系的基本作用单元。自然要素中的水、土、气、生通过人工构筑物这一基本单元作用或影响人的生存、健康与发展,而人通过构筑物作用或影响自然中的水、土、气、生,进一步进化成人为主导、构筑物为基础、自然要素为条件的城市生态系统。论文综述了近年来人工构筑物多尺度生态影响的研究进展,评述了人工构筑物对土壤（水）、大气、生物生态影响的前沿动态,提出了各研究分支的关注重点及要解决的关键问题,分析了人工构筑物生态学研究的方法学问题与挑战,展望了未来该领域的基本发展走向。论文认为,构筑物生态影响涉及城乡水、土、气、生及人的健康等不同方面,现有的相关研究分散而局部,且受技术方法局限,分析结果存在很大的不确定性,研究面临巨大的转型挑战。未来构筑物生态学研究需要多学科、多尺度、多层次的系统化方法与技术的推动,城乡生态观测与实验技术的发展、多源数据处理技术以及智能计算方法的创新是该领域取得重大发展的基础与条件。     

稻田生态系统气体调节功能及其价值

论文以2002年在上海五四农场稻田生态系统田间实验为基础,运用造林成本法、碳税法和工业制氧法对稻田生态系统气体调节功能及其价值进行研究。研究表明:①稻田生态系统O2释放物理量变化范围为16518～38517kg·hm-2,其价值量也有相同的变化趋势,变化范围是6217～11873元·hm-2;②稻田生态系统对温室气体(CO2、N2O和CH4)调节基本上起着抑制作用,而不是促进作用,在水稻生育期内,稻田温室气体调节物理量的变化范围为-997～2787kgCO2-C·hm-2,价值量变化范围为-751～2098元·hm-2;③稻田生态系统气体调节功能的综合价值变化范围为5467～12842元·hm-2。可见,除了粮食生产和提供秸秆外,农田生态系统还为人类社会提供包括气体调节、养分转化、供观赏的景观等在内的服务功能,共同为人类福利服务。     

两种不同DEM处理方法提取的水系比较

水系不但是重要的自然地理要素,而且对防洪减灾、资源开发等有着重要意义。基于DEM的坡面径流法是最为常用的水系提取方法,其提取精度直接取决于DEM中洼地的处理方法。为了比较不同DEM处理方法对水系提取精度的影响,本文以江西省潦河流域为例,利用基于DEM数据的J&D算法及基于辅助数据的AGREE方法来处理实验区DEM,然后利用坡面径流法提取水系。结果表明,经两种方法后均可以提取出连续的水系,且提取水系的等级、数量及长度相差不大;在提取精度上,在受人类活动影响较小的山地丘陵地区两种方法提取的水系比较吻合,而在平坦地区或受人类活动影响较大的地区提取的水系差异较大,且AGREE方法处理后提取的水系精度较高。     

地表环境汞污染的生物修复技术及展望

汞（Hg）及其化合物是一类重要的全球污染物，环境中高浓度的汞会对生态系统和人类健康造成严重危害。《关于汞的水俣公约》正式生效后，汞生产量、使用量和排放量将得到有效控制。然而历史排放汞导致的污染问题依然会对自然环境造成长期的生态风险，因此在减排的同时也亟需开发、发展有效治理汞污染的方法。本文总结了汞污染生物修复的技术及应用原理，分析了基于生物修复原理运用合成生物学手段改造生物将其运用到汞污染修复的优势和潜力，最后探讨了汞污染合成生物学修复应重点关注的问题和前沿研究方向。