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基于土壤线虫完整性指数的土壤生态损害基线确定方法

摘要

本发明属于土壤生态环境损害评价领域,特别涉及一种基于土壤线虫完整性指数的场地污染土壤生态损害基线确定方法。根据土壤污染场地类型特点,通过土壤采样点布置、土壤线虫分离鉴定、核心指标范围选择、判别能力分析等过程,确定污染场地和参照场地各样点土壤线虫完整性指数,并计算土壤线虫完整性指数值的25%分位数值以确定场地土壤污染生态损害基线,进而构建土壤线虫完整性评价标准体系。本发明基于土壤线虫具有的对土壤生态环境变化产生敏锐快速指示响应作用,建立土壤生态损害基线,为场地土壤污染生态损害提供快速、简洁和准确的评估技术,改变传统的场地污染土壤损害基线需要通过土壤肥力指标和环境指标确定的繁琐方法。

著录项

  • 公开/公告号CN115112862A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2022-09-27

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 东北师范大学;

    申请/专利号CN202210757902.4

  • 申请日2022-06-30

  • 分类号G01N33/24(2006.01);

  • 代理机构唐山永和专利商标事务所 13103;

  • 代理人邢智博

  • 地址 130024 吉林省长春市南关区人民大街5268号

  • 入库时间 2023-06-19 17:07:46

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2022-10-18

    实质审查的生效 IPC(主分类):G01N33/24 专利申请号:2022107579024 申请日:20220630

    实质审查的生效

  • 2022-09-27

    公开

    发明专利申请公布

说明书

技术领域

本发明涉及土壤生态环境损害评价技术领域,尤其涉及一种基于土壤线虫完整性指数的土壤生态损害基线确定方法。

背景技术

随着工业生产发展,造成土壤生态环境损害事件日益增多。由于无法对土壤污染生态损害进行科学的鉴定评估,土壤生态损害往往得不到合理赔偿;同时土壤修复工程开展后的效果也没有进行合理规范评估,影响生态安全和公众健康。评价土壤污染生态损害情况最重要的是建立土壤生态环境基线作为损害评估基准,但由于经济和社会发展对于土壤的自然生态环境影响较大,很难找到遭到污染破坏前能反应原始生态环境状况土壤。因此,准确有效的确定土壤生态环境基线成为土壤污染生态损害鉴定评估的首要问题,对于管理部门决策、司法鉴定评估赔偿和修复工程实施尤为重要。

目前土壤生态环境基线采用的方法为历史文献数据法、标准法、参考点位法和模型推算法,依据的数据指标主要来自于土壤的理化指标和环境污染物指标等化学检测,只能采集某一个时间点的样本进行分析,而这些指标不能表征土壤生物群落的影响,无法全面评估土壤生态损害情况。同时化学检测指标众多,分析成本昂贵,在实际土壤损害评估工作中很难有效开展。

土壤线虫能对土壤生态环境变化产生指示响应。在一定区域范围内,通过监测土壤线虫的生物学特性、种群数量、群落结构、功能多样性等生态指数,可实现对土壤生态环境损害情况表征。生物完整性定义为“一个地区的天然栖息地中的群落所具有的种类组成、多样性和功能特征,以及该群落所具有的维持自身平衡、保持结构完整和适应环境变化的能力”。生物完整性指数即可定量描述人类干扰与生物特性之间的关系,且对干扰反应敏感的一组生物指数,该指数能从生态系统角度更好地反应自然健康状况,比以往单一的生物指数评价更具全面性。

发明内容

为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于土壤线虫完整性指数的土壤生态损害基线确定方法,基于土壤线虫具有的对土壤生态环境变化产生敏锐快速指示响应作用,结合生物完整性指数能从生态系统角度更好地反应土壤健康状况特点,建立土壤生态损害基线,以期为场地土壤污染生态损害提供快速、简洁和准确的评估技术。

为实现此技术目的,本发明采用如下方案:

基于土壤线虫完整性指数的场地土壤生态损害基线确定方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:(1)根据土壤污染场地污染物调查结果和土壤理化、植被特征,选择污染场地区和非污染参照区,布置土壤采样点;(2)采集采样点土壤深度0-20cm的土壤样品,放置封口袋,放入4℃冰箱中;(3)在实验室分离鉴定土壤线虫;(4)计算场地污染区和非污染参照区的土壤线虫生物完整性指数;(5)基于土壤线虫完整性指数确定场地土壤生态损害基线,构建土壤生态健康评价标准体系。

与现有技术相比,本发明的有益效果在于:

(1)本发明以土壤线虫为分析指标,利用土壤线虫对于土壤生态环境变化的敏感性,从生物学角度建立土壤生态环境基线,为土壤生态健康评估提供更准确的方法;

(2)本发明以土壤线虫生物完整性指数为评价指标,简单快捷,改变了传统的土壤生态环境基线需要测定土壤肥力指标和土壤环境质量指标,指标众多,分析检测时间长,成本高等问题;

(3)本发明以土壤线虫生物完整性指数确定土壤生态环境基线,避免了通常采用历史数据法、参考点位法和模型方法存在的数据来源不确定性问题,为场地土壤损伤鉴定评估提供可行的方法。

进一步地,非污染参照区选择方法是根据污染场地所在位置,基于气候、地形、土壤与污染场地相对一致,选择污染场地附近的近自然条件较少人为干扰的区域作为参照区。

进一步地,污染场地区和非污染参照区土壤采样点布置根据场地地块形状为均匀选择5点,每个采样点采样3个重复。

进一步地,污染场地区和非污染参照区的土壤线虫生物完整性指数确定方法为:分析土壤线虫群落的生态多样性及功能多样性指标,完成候选生物参数的选取,根据污染场地区和参照区各样点数据,计算与土壤污染正相关或负相关的生物参数值,获得采样点的土壤线虫生物完整性指数(IBI指数)。

进一步地,采用比值法计算各个生物参数分值,以采样区各采样点的土壤线虫完整性指数的25%分位数值作为土壤生态环境基线。对参数分值小于25%分位数的值四等分,构建线虫完整性评价标准体系。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效,借由下述具体的实施方式,对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

本发明提供的一种基于土壤线虫完整性指数的土壤生态损害基线确定方法,按如下步骤进行:

S1、污染场地区和参照区的采样点设置:根据土壤污染场地污染物调查结果和土壤理化、植被特征,选择污染场地区和参照区(非污染参照区),布置土壤采样点。

采样点位于吉林省莫莫格湿地石油开采区,选择莫莫格湿地英台油田3个油井场地作为污染场地区,以采油井为圆心,距离采油井距离约100m设置非污染参照区(N1、N2、N3)。每个采样区内均匀设置5个采样点。

S2、样品采集和土壤理化指标测定

每个采样点利用土钻采土壤深度0~20cm土样,每个采样点采3个重复样品,3个重复样品混合为一个土壤样品。将土壤样品装入自封袋,带回实验室,保存在4℃冰箱中。取一部分土壤样品,测定石油污染物(多环芳烃,后续表1相关性分析依据多环芳烃检测结果)、土壤水分、土壤容重、土壤pH值、土壤质地、有机碳、总氮;上述指标检测均采用公知的检测方法。这里的土壤理化指标测定与S1中土壤理化不同,S1中污染场地区普查,S2是针对采样点土壤做的深入具体检测。

S3、土壤线虫分离鉴定

对各采样点样品进行土壤线虫分离鉴定:样品取100g土样,利用浅盘法对土壤线虫进行分离提取。线虫标本在解剖镜下计数,然后随机抽取100条线虫(不足100条的处理全量鉴定,结果折算为100条后进行比较)在光学显微镜100倍下(OLYMPUS BX51)进行土壤线虫种类鉴定。

S4-1、土壤线虫完整性指标确定

应用生物完整性指数评价所需要用到的线虫群落和生态指数主要为线虫群落丰富度、多样性指数、营养类群比例、生活史多样性指数、功能多样性指数和生物量6类共24个指标(表1),本发明选取这6类参数作为计算土壤线虫完整性指数的候选参数。

候选参数的筛选:

①分布范围分析:计算各采样点各候选指标值的分布范围(表2),挑选随污染程度的增强而单向递增或递减的参数,剔除随污染程度增加,指标值可变范围较窄或不稳定的参数;

②判别能力分析:对剩余的候选指标进行Mann-Whitney非参数检验,选择存在显著性差异(P<0.05,表3)的参数进入下一步分析;

③相关性分析:采用Pearson相关性分析方法,检验各参数所反映信息的独立性(表4),以|r|>0.75表示2个参数相关性较高,表明其反映的信息大部分重叠,取其中1个即可。

S4-2、土壤线虫完整性指数计算

采用比值法计算得到采样点各生物参数的分值。对于随污染程度增大而指标值减小的指标,以95%分位数的指标值为最佳期望值;采样点指标分值=实测值/最佳期望值。对于随污染程度增大而指标值增大的指标,以5%分位数的指标值为最佳期望值;采样点指标分值=(最大值-实测值)/(最大值-最佳期望值)。根据各指标值在所有采样点中的分布,确定各指标分值的计算公式(表5),计算得到分值范围为0~1(如果大于1,则记为1)。

S5、基线建立和土壤线虫完整性等级划分

以参照样点土壤线虫完整性指数值的25%分位数作为土壤损害基准值(4.39),对所有采样点得分小于25%分位数的值四等分,得到土壤线虫完整性评价标准:≥4.39,I级(健康);4.14~4.38,II级(亚健康);3.30~4.13,III级(一般);3.12~3.29,IV级(较差);≤3.11,V级(差)(表6)。

按照上述步骤对土壤线虫完整性指标确定和土壤线虫完整性指数计算,具体结果如下:

通过整合分析土壤线虫群落各类群的个体密度数据,根据土壤线虫群落多样性和功能多样性的统计公式,计算得到6类(24个)土壤线虫群落特征的基本指标,即群落丰富度、多样性指数、营养类群比例、生活史多样性指数、功能多样性指数和生物量(表1)。

利用Pearson相关分析方法,分析土壤线虫各指标数值与污染物浓度之间的相关性,相关系数特征进一步反映各候选指标对污染浓度增加的响应(即相关系数为正,响应为增大;相关系数为负,响应为减小),如表1所示。

表1 24个候选指标及其对土壤污染的响应

注:“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平(双侧)上显著相关。

计算采样点各候选指标值的分布范围(表2),其中M22的75%分位数值为100.00,随着污染程度的增强,其值的变动范围较窄。此外,M24的标准差较大,表明该指标值不稳定,M22、M24不适于参与指标体系的构建。余下的生物指标,将进行判别能力分析。

表2 24个候选指标值在采样点的分布情况

对剩余的22个候选指标采用Mann-Whitney非参数检验法,结果表明:M1、M2、M3、M6、M8、M10、M11、M14、M15、M16、M17、M18、M20、M23这14个参数在污染样点和非污染参照样点之间存在显著差异(P<0.05,表3),可以进入下一步筛选。

表3候选指标的Mann-Whitney非参数检验结果

采用Pearson相关分析方法,检验剩余14个指标所反映信息的独立性,避免冗余。相关分析结果表明:M1与M3高度相关(r=0.977,P<0.01),M1与M2相关性较强(r=0.800,P<0.01),M1较M2、M3包含的信息较多,予以保留。M8与M10相关性较强(r=-0.822,P<0.01),M10包含的信息较多,予以保留。M14与M16、M17、M18、M20相关性较强(P<0.01),M14包含的信息较多,予以保留。

表4 14个候选指标间的Pearson相关系数

注:“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平(双侧)上显著相关。

通过以上筛选,最终确定土壤线虫完整性指数体系由M1、M6、M10、M11、M14、M15和M23这7个指标构成。

利用比值法进行指标分值计算。对于随污染程度增大而指标值减小的指标(M1、M11、M14),以95%分位数的指标值为最佳期望值,采样点指标分值=实测值/最佳期望值;对于随污染程度增大而指标值增大的指标(M6、M10、M15、M23),以5%分位数的指标值为最佳期望值,采样点指标分值=(最大值-实测值)/(最大值-最佳期望值)。根据各指标值在所有采样点中的分布,确定计算各指标分值的计算公式(表5)。

表5指标分值的计算公式

经计算后的分值范围为0~1,如果大于1,则都记为1,将各指标分值累加得到土壤线虫完整性指数值。以参照样点土壤线虫完整性指数值的25%分位数作为土壤损害基准值(4.39),对所有采样点得分小于25%分位数的值四等分,得到土壤线虫完整性评价标准:≥4.39,I级(健康);4.14~4.38,II级(亚健康);3.30~4.13,III级(一般);3.12~3.29,IV级(较差);≤3.11,V级(差)(表6)。

表6土壤生态健康线虫完整性评价标准

根据评价标准,对莫莫格湿地石油开采区土壤健康状况进行初步评价。结果表明:12处参照采样点中,10处采样点评价结果为I级健康,2处评价结果为II级亚健康;12处过渡采样点中,7处采样点评价结果为I级健康,2处评价结果为II级亚健康,2处评价结果为III级一般,1处评价结果为IV级较差;12处污染采样点中,1处评价结果为II级亚健康,1处评价结果为III级一般,5处评价结果为IV级较差,5处评价结果为V级差。

与利用生物完整性指数评价环境健康的其他研究对比,本发明利用土壤线虫对土壤生态环境变化产生的敏锐快速指示作用,选取土壤线虫群落指标,构建土壤线虫完整性指数评价体系。从评估目的看,本发明与以往研究比为环境健康评价提供评估方法,特别地,本发明可以为土壤生态损害基线的构建提供生物方面的评估手段。从评估效果及可行性看,本发明的实施过程可行。

最后,需要注意的是:以上列举的仅是本发明的优选实施例,当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型,倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,均应认为是本发明的保护范围。

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