基于浮游生物群落变化的生态学基准值计算方法

摘要

浮游生物群落对环境压力变化的响应，结合理化因子，采用综合指数法计算了我国太湖流域和辽河流域的生态学基准值。初步计算框架为：①确定流域水环境生态学基准参照点和生态基准指标；②做出参照点各基准指标BOX分布图并进行评分；③将各生态学基准指标得分等权重相加，并把90分位数值作为该流域的基准值.生态学基准的建立可用于评价水生态系统结构和功能的完整性，并有助于找出其它水质基准评价分析可能忽视的潜在问题。

说明书

技术领域：

本发明属于环境科学水质基准的制定领域，是基于我国浮游生物群落对环境压力变化的响应，结合理化因子，采用综合指数法(Multimeric Index)计算湖泊与河流的生态学基准值，并评价湖泊与河流的生态健康状态。

背景技术：

美国在20世纪60年代就展开了水质基准的研究和制定工作，制订了包括人体健康基准(Human Health Criteria)、水生物基准(Aquatic Life Criteria)、沉积物质量基准(Sediment QualityCriteria)和生物学基准(Biological Criteria)在内的一系列基准指标体系，其中最常用的水质基准推导方法是EPA在1985年颁布的“推导保护水生生物及其用途的数值型国家水质基准的技术指南”中的双值基准法——基准最大浓度值(Criteria maximum concentration，CMC)和基准连续浓度值(Criteria continue concentration，CCC).除美国以外，欧盟、加拿大、澳大利亚荷兰等也分别制定了相应的水质基准推导方法(PNEC，2003；CCME，1999；ANZECC&ARMCANZ，2000；RIVM，2001).我国学者对水质基准进行过一定的研究，并按照美国EPA的双值基准法，结合我国部分流域生物的特点，计算了镉、丙烯晴等个别化合物的水质基准.

上述基准的推导方法都是基于毒理学的方法建立的，通过研究污染物对敏感生物个体的毒性效应(EPA指出推到基准的毒性数据至少涉及3门8科的生物)，来确定该污染物的基准值.这些基准推导方法的思路均认为只要能保护生物群落中的敏感物种，就能保护整个生物群落(至少95％以上，EPA).但这种基准推导方法忽略了生物的种间关系(共生、共栖、捕食、竞争、寄生等)和种内关系(种内互助、种内斗争)，这种关系会造成污染物对生物个体的毒性效应不同于对生物群落的.浮游生物是水体中的一个重要生物群落，它的覆盖面广、繁殖快、对环境的变化敏感、处于营养金字塔的底层，可以作为指示生物群落，本文基于浮游生物群落从生态学角度来研究水质基准的建立.

为与其它水质基准区分开，将从生态学角度研究的水质基准称为生态学基准(EcologicalCriteria，Ecocriteria).水体生态学基准是用于描述满足指定水生生物用途，并具有生态完整性的水生生态系统的结构和功能的描述型语言或数值.生态学基准是以保护流域水环境生态完整性为目的，通过计算得到流域内不受损害或受到极小损害参照点的生态完整性指数(Indexof Ecological Integrity，IEI).生态学基准的建立可用于评价水生态系统结构和功能的完整性，并有助于找出其它水质基准评价分析可能忽视的潜在问题.

发明内容：

1、流域水环境生态学基准的相关概念及表征方法

流域水环境生态学基准(Ecological Criteria，Ecocriteria)是用于描述满足指定水生生物用途，并具有生态完整性的水生生态系统的结构和功能的描述型语言或数值。其表征方法包括描述型生态学基准(Narritative Ecocriteria)及数值型生态学基准(NumericEcocriteria)两种方法。

描述型生态学基准：采用描述性的语言对应该满足指定水生生物用途的流域水环境的生态完整性进行描述。

数值型生态学基准：采用数值的方法对应该满足指定水生生物用途的流域水环境的生态完整性进行描述。

参考点(Reference Sites，RS)：用以描述流域内不受损害或受到极小损害水体的生态学特征，体现了水体在不受人类活动或干扰情况下的“自然”状态。选择合适的水环境参考状态是进行确定水生态基准的关键。

浮游植物完整性指标(Index of Plankton Integrity，IPI)：通过浮游植物的种类、生物量、多样性等指标，来表征浮游植物群落结构和功能的状态。

浮游动物完整性指标(Index of Zooplankton Integrity，IZI)：通过浮游动物的种类、生物量、多样性等指标，来表征浮动物物群落结构和功能的状态。

理化完整性指标(Index of Water Integrity，IWI)：通过化学和物理属性的度量，来表征损水体的状态。

生态完整性指标(Index of Ecological Integrity，IEI)：通过化学、物理和生物属性的度量，来表征未受损生态系统的状态。

2、流域水环境生态学基准建议值的计算方法

计算流域水环境生态学基准方法为综合指数法(图1)。

综合指数法是计算流域水环境生态学基准的具体步骤如下：

①得到所确定的参照点的每个基准变量Box图，采用95th/25th分位数划分三/四个区间，将参照点的监测值同Box图比较得到该参照点每个基准变量的隶属区间，得到相应的值。

可分别采用95th分位数或者25th分位数为划分边界对参照点的分布区建进行划分(图2)。当选择的参照点的受损害较小或比较接近自然状态时，可以选择25th分位数作为划分边界，当选择的参照点与自然状态差距较远或包括受损害较大时，可以选择95th分位数作为划分边界。

对参照点分布区域的划分包括三分法、四分法和标准分位数法(图3)。

三分法是将参照点的分布区间划分为三部分，分别进行赋值1、3和5，表示水体的生态完整性为“差、中和好”。四分法是将参照点的分布区间划分为四部分，分别进行赋值1、2、3和4，表示水体的生态完整性为“差、一般、良好和优秀”。标准分位数法则是将监测值与95th分位数所对应的参照点的值进行相除得到的比值，比值越大，说明与参照点的状态越接近。

②将每个参照点的基准变量的赋值进行等权重相加，得到该参照点的完整性指数。每个参照点的所有基准变量都可以通过与所有参照点的Box图进行对比后可得到赋值，采用等权重相加，可以得到每个参照点的一个综合完整性指数值。

③根据参照点完整性指数的Box图，取25th/90th分位数值作为该完整性指数的基准值。最后，将反映参照点的浮游植物完整性，浮游动物完整性和理化完整性基准值等权重相加，得到反映生态完整性的生态学参照综合指数。

3、流域水环境生态学基准技术框架

流域水环境生态学基准的制定流程如图4所示。

流域水环境生态学基准制定的技术路线如下图5所示。流域水环境生态学基准制定的技术框架如下图6所示。

4、流域水环境参考点选择方法与技术

针对每类水体都需要选择合适的参考点。参考点的确定主要有以下四种方法：①历史数据估计；②参照点调查采样；③模型预测；④专家咨询。每种方法都有其优点及缺点(表1)，因此常常需要联合使用这几种方法。

表1建立参考点的四种方法比较

参照点被用来确定水体的参考状态，从而制定出水体的生态学基准值。因此参照点的选择必须谨慎。参照点指不受损害或受到极小损害且对该水体或邻近水体的生物学完整性具有代表性的具体地点，参照点应选择水体内最接近自然的点。在参照点的选择过程中应遵循两个原则：

a、受人类的干扰最小(Minimal Impairment)

参照点因选取未受人为活动干扰的地点，但在具体的水体中真正未受干扰的参照点很难找到。因此实际上常常选取受到人类干扰最小的地点作为参照点。

b、具有代表性(Representativeness)

所选择的参照点必须可以代表水体调查区域的最优状况。

在水体生境调查与评价的基础上，依据最小干扰和代表性的原则，选取参照点。但实际上有些水体受人类干扰很大，生态环境与“自然”的状态相差较大，因此没有合适的参照点可以选择，这时候可以采用生态模型的方法。确定参考状态的技术路线如图7所示。

5、流域水环境生态学基准指标评分标准

表2流域水环境生态学基准指标评分标准

附图说明：

图1流域水环境生态学基准建议值计算方法；图2以95或25分位数对参照点的分布区间进行分区；图3三种不同的赋值方法；图4流域水环境生态学基准制定流程；图5流域水环境生态学基准制定技术路线；图6基于浮游生物的流域水环境生态学基准制定技术框架图7选择参考状态的技术路线。

具体实施方式：

①确定流域水环境生态学基准参照点(Reference Sites，RS)、理化完整性指标(Index ofWater Integrity，IWI)、浮游植物完整性指标(Index of Plankton Integrity，IPI)、浮游动物完整性指标(Index of Zooplankton Integrity，IZI)；

②参照点各完整性指标BOX分布图；

③如表2所示，按照5％、25％、75％、95％把BOX图中的数值分布范围划分为三个值区间，并将RS的各个完整性指标值按所处区间进行赋值；

④采用等权重法将RS的各生态学基准指标得分相加，得到反映每个RS的IWI、IPI、IZI的分数；

⑤将反映RS的IWI、IPI、IZI基准值等权重相加，得到生态完整性指标(Index of EcologicalIntegrity，IEI).⑥再根据IEI的BOX图，取90分位数值作为该水域的生态学基准值。