生态监测与评价

第一章绪论环境监测（environmentalmonitoring）是对外界空气、水、土壤、食物等材料进行测定分析、定量评价环境污染的程度。生态监测是利用各种技术测定和分析生命系统各层次对自然或人为作用的反应或反馈效应的综合表征来判断和评价这些干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律，为环境质量的评估、调控和环境管理提供科学依据。生态监测指标体系主要指一系列能敏感清晰地反映生态系统基本特征及生态环境变化趋势的并相互印证的项目。浮游生物（plankton）是指悬浮在水体中的生物，多数体型小，游泳能力弱或完全没有游泳能力，过随波逐流的生活。着生生物（Periphyton）指生长在浸没于水中的各种基质表面上的微型生物群落。PFU法是指用聚氨酯泡沫塑料块采集水域中微型生物和测定其群集速度来监测水环境质量状况的一种方法。底栖动物：栖息在水体底部淤泥内、石块或石砾表面及其间隙中,以及附着在水生植物之间的肉眼可见的水生无脊椎动物。指示生物指对水体污染变化反应敏感的生物。生物指数用来反映生物种群和群落结构的变化，以评价环境质量，从而简化了污水生物系统，而且所得结果有了定量概念，便于比较和应用。细菌总数是指1mL水样在营养琼脂培养基中，于37℃培养24h后，所生长细菌菌落的总数。总大肠菌群是指那些能在37℃48h之内发酵乳糖产酸产气的、需氧及兼性厌氧的革兰阴性的无芽孢杆菌。如果是使用滤膜法，则总大肠菌群可重新定义为：所有能在含乳糖的远藤培养基上，于37℃培养24h之内生长出带有金属光泽暗色菌落的、需氧和兼性厌氧的革兰阴性无芽孢杆菌。粪大肠菌群在44.5℃温度下能生长并发酵乳糖产酸产气的大肠菌群称为粪大肠菌群。土壤环境容量从生态学观点出发，认为在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所能承纳污染物的最大数量。受害阈值：污染气体使植物产生受害症状的最低浓度称为临界浓度；在临界浓度时，使植物产生受害症状的最短时间称为临界时间。受害阈值就是由这两个因素构成的。指示植物把能够反映环境中污染信息的植物称为指示植物。（二）生态监测的范畴1、从环境角度看2、从污染源角度看3、从监测手段看包括：生物材料检测、指示生物的研究和生物监测器的应用、群落结构调查、生物污染源检测和生物测试。二、生态监测的任务1、监查2、监视，3、监控三、生态监测的特点①能综合地反映环境质量状况②具有长期性监测的功能。③具有多功能性。④监测灵敏度高。⑤经济性。四、生态监测的基本要求1、样本容量应满足统计学要求2、要定期、定点连续观测3、综合分析：对监测结果要依据生态学的基本原理做综合分析。4、要有扎实的专业知识和严谨的科学态度五、生态监测的局限性1、易受各种环境因素的影响2、可能受到监测生物生长发育状况的影响3、费时且难确定环境污染物的实际浓度六、生态监测的主要方法：生态学方法、生理生化方法、毒理学与遗传毒理学方法、生物化学成分分析法。八、生态监测指标体系的选择选择与确定生态监测指标体系应遵循以下原则：代表性、敏感性、综合性、可行性、简易化、可比性、灵活性、经济性、阶段性、协调性优先监测指标的确定原则是：当前受外力影响最大、可能改变最快的指标；反映生态系统的生命支持能力的关键性指标；有综合代表意义的指标。第二章水污染的生物群落监测（一）水生物监测断面布设的原则1、代表性2、与水化学监测断面布设的一致性3、要考虑水环境的整体性4、断面布设的经济性5、断面布设的连续性二、浮游生物的测定在淡水中，浮游植物主要是藻类，它们以单细胞、群体或丝状体的形式出现。浮游动物主要包括原生生物、轮虫、枝角类和桡足类。（一）采样1、采样工具（1）浮游生物网：定性网、定量网（2）采水器常用的有：①瓶式采水器②水生-81型有机玻璃采水器③透明度盘计数框常用的有：S-R计数框、网格计数框：（4）计数方法（三种方法）长条计数法、视野计数法、网格计数法视野计数法：式中：A——一个视野的面积，mm2;D——视野的深度，mm;F——计数的视野数，一般至少10个；C——计数的生物个数。浮游生物的测定常用指标：1、利用指示生物进行评价2、利用多样性指数和各种生物指数进行评价3、利用藻类各类群在群落中所占比例进行评价1、人工基质：载玻片、聚酯薄膜和PFU2、天然基质：水中的动物、大型植物、石块、木块（二）样品的处理和保存1、着生硅藻（2）定量计数：把已定容到30mL的定量样品充分摇匀后，吸取0.1mL置入0.1mL的计数框里，在显微镜下，采用网格计数法，横行移动计数框，逐行计平行线内出现的种（属）藻类数。视藻类密度大小，一般计数10行、20行、40行以至全片。必须使优势种类计数的个体在100个以上。也可采用视野计数法或长条计数法。将定量计数的各种类的个体数进行计算，最后换成1cm2基质上着生藻类的个体数量。四、PFU（polyurethanefoamunit）法PFU法（一）工作原理当某一自然基质或人工基质在水体中开始出现时，一些微型生物即会在这种基质上进行群集，在不断群集的同时，也会有已经群集在基质上的种类离开基质，因此，在基质上的种类，就有一个群集和消失的问题，当群集速度曲线和消失速度曲线交叉时，基质上的种数达到平衡，这时，基质上的群落保持一定的稳定性，对周围环境也具有一定的自主性。（二）PFU微型生物群落的特性：1、符合MacArthur-Wilson岛屿生物地理平衡模型2、岛屿的大小直接影响群集的种数3、原生动物群集过程反映出群落内的调节机制（三）PFU的工作方法在做同一批实验时，最好用同一批材料，在用之前，先用蒸馏水浸泡12-24h消毒。实验时，将一定数量的PFU悬挂在水中，一天后，以及第3天、5天、7天、12天、15天、21天、28天检查，每个点每次取两块，剪下后，放在塑料袋中，用吸管滴在载玻片上，在显微镜下检查，把每天的新见种、复见种、消失种都记录下来。一般一块PFU至少要做两个装片，要求全片检查，以免遗漏。在室内，利用PFU还可以做毒性试验。把一块PFU放在微型生物种类很多的清洁水中，接近平衡期后，取下，把它作为种源固定在大盘中央，盘子边缘固定8-10块空白PFU，每块均需与中间的种源PFU距离相等。盘的大小一般54cm*25cm，放入测试水的量要求能浸没PFU，一般6-10L，每个浓度2-3个盘。室内实验，需要人工光源，可在盘上安一架子，罩是玻璃，罩上客观存在一日光灯。对照盘中放清洁水（可用稀释水），通过种源上的生物在空白PFU上群集的情况了解污染物的毒性。PFU可测试很多参数。在分类学方面，可测种数、种类组成、相对密度、群集速度、消失速度、平衡期、平衡期时的种数等；在非分类方面，可以测活细胞的生物量、叶绿素a的含量（即自养生物量）、呼吸速度、各种化ADFC1000每毫升中浮游生物个数学分析等。（五）PFU法的优点（1）由于PFU孔径小，约100-150μm，大型浮游生物不易入侵，可以采集到以微型生物占绝对优势的群落；（2）容易群集，体积小，便于携带和置放；（3）它所群集的微型生物代表了食物链上的几个营养级，可以模拟天然群落，并且是在最高级——群落级水平上做出对环境压迫的反应；（4）野外工作证明周围水体中大多数的微型生物种类最后均可群集在PFU上。（5）可用许多块PFU进行同步实验，重复性强；（6）在同一块PFU上，是室内、室外随机采样所得，可测定群落结构与功能的各种参数；（7）用PFU采集水体中的微型生物作种源，可在室内做各种毒物的生物测试，预报水体的污染程度。五、底栖动物的测定（1）定量采样：定量采样可以客观地反映河流、湖泊、水库等水体底部栖动物不同部位的种类组成和现存量，并以每平方米为单位进行统计和计算。常用的采样器有：①彼德逊采泥器②人工基质篮式采样器六、指示生物和污水生物系统浮游生物、着生生物、底栖动物、水生维管束植物等都可作为水污染的指示生物常用的指示生物如下：①水体严重污染的指示生物有颤蚓类、毛蠓、细长摇蚊幼虫、腐败波豆虫、小口钟虫、绿色裸藻、小颤藻等。这些指示生物能在溶解氧极低的条件下生活，其中颤蚓类是有机污染十分严重水体中的优势种。②水体中等污染的指示生物主要有居栉水虱、瓶螺、被甲栅藻、四角盘星藻、环绿藻、脆弱刚毛藻、蜂巢席藻等。这些种类对较低溶解氧有较好的耐受能力。③清洁水体指示生物有蚊石蚕、扁蜉、蜻蜓、田螺、簇生竹枝藻等，这些生物只能在溶解氧很高，未受污染的水体中大量繁殖。（二）污水生物系统把受有机污染的河流从排污口至下游划分成一系列在污染程度上逐渐下降的连续带，这一系列的带称为污水生物系统。1、多污带多污带是严重污染的水体，是多污污水生物生存的地带。它多处在污水、废水入口处，其水呈暗灰色，极浑浊，水中所含大量的有机物在分解过程中产生大量的硫化氢、二氧化碳及甲烷。其化学作用为还原性，生物化学需氧量（BOD）很高，氧气极缺，水底沉积大量的悬浮物质。水中还可能存在有毒成分及不正常的pH，这种不良环境决定了可生存的生物种类是有限的，而且均是消费性生物。底部淤泥中生活着寡毛目蠕虫。多污带的指示生物主要有浮游球衣细菌、贝氏硫细菌、素衣藻、钟虫、颤蚯蚓、摇蚊幼虫等。如图所示2、α-中污带a-中污带水体的特点与严重污染水体近似，水为灰色，BOD值仍相当高。但是，除了还原作用之外，还有氧化作用，有机物分解形成氨和氨基酸。氧气仍然缺乏，为半厌氧条件，并有硫化氢存在。生活在这一带的生物种数虽然不多，但比严重污染的水体多了一些。主要生活的污水生物还是水细菌。此外还出现吞食细菌的纤毛虫类和轮虫类，以及蓝藻和绿藻。常见的指示生物有大颤藻、小颤藻、椎尾水轮虫、天蓝喇叭虫、栉虾、臂毛水轮虫等多种藻类和轮虫类。3、β-中污带β-中污带水体的特点是氧化作用占优势，绿色植物大量出现。水中含氧量增高，氮的化合物呈铵盐、亚硝酸盐或硝酸盐。相反有机物及硫化氢等含量减少。水生生物种类多种多样，主要是各种藻类、轮虫类、贝类和各种昆虫。β-中污带水体不利于水细菌的生存，因此细菌的数量显著减少至1mL水仅存几万个。已有泥鳅、鲤鱼等鱼类出现。β-中污带指示生物有多种藻类、轮虫、水蚤以及虫子类等。4、寡污带寡污带自净作用已经完成，有机物已被完全氧化或矿化，为清洁水体。溶解氧化丰富，硫化氢几乎不存在，水的pH适于生物生存。污泥沉淀已矿质化。蛋白质达到矿质化最后阶段，形成了硝酸盐态氨。水中有机物浓度很低。寡污带的生物种类极为丰富，而且均是需氧型生物。水中细菌量已极少，浮游植物大量存在，生长的动物有甲壳虫、苔藓虫、水螅等，并有大量显花植物和多种鱼类、水生昆虫幼虫，以及田螺等，可作为各种水体的指示生物进行污染程度的综合评价。七、生物指数常用的生物指数有以下几种：（一）贝克（Back）生物指数大型底栖无脊动物分成A和B两大类：A为敏感种类，在污染状况下从未发现；B为耐污种类，是在污染状况下才有的动物。然后采用公式表示：生物指数（BI）=2A+B一般BI值的范围为0-40，指数为0时属重污染区；1－10时为中等有机污染；10－40时为清洁水区。采集动物样品时应注意如下几点：（1）应避开淤泥河床，选择砾石底河段，在水深0.5m处采样。（2）水表面流速在100-150cm/s为宜。（3）每次采集面积应一定。（4）采样前应预先进行河系调查。（二）硅藻生物指数根据硅藻对水体污染耐性的不同，提供的硅藻指数（I）：式中：A为不耐污的硅藻种类数；B为对有机污染耐污力强的种类数；C为在污染区内独有的种类数。I≤0为重污染；I为1-100为中度污染；I为100-150为轻污染；I150为基本无污染。（三）Goodnight-Whitley生物指数以颤蚓类数量占整个底栖动物数量的百分比指示污染状况，即：所得数值小于60％为良好水质，60－80％为中等污染水质，大于80％为严重污染水质。（四）生物比重指数用水生昆虫和寡毛类湿重的比值来评价水质，这种方法可用于评价有机污染和某些有毒废水的污染。生物比重指数=此指数值越小，表示污染越严重；反之则水质越清洁。指数的变动范围为0~612(经验值)。（五）特伦特（Trent）生物指数指数值越低，表示污染越