蔣宇霞，劉有勝，應(yīng)光國,*

1. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

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沉積物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)及應(yīng)用證據(jù)權(quán)重法的案例分析

蔣宇霞1,2，劉有勝1，應(yīng)光國1,*

1. 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

水體沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，沉積物污染將影響整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)，因此有必要構(gòu)建科學(xué)全面的水體沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，為環(huán)境污染修復(fù)與監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。已有文獻(xiàn)報(bào)道了多種沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。其中，證據(jù)權(quán)重法通過對(duì)不同的證據(jù)進(jìn)行測定與整合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的不足，可以對(duì)沉積物質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)全面的評(píng)價(jià)。本文對(duì)證據(jù)權(quán)重法中化學(xué)分析、生物毒性和底棲生物群落結(jié)構(gòu)3種證據(jù)的測量方法、賦權(quán)方法、證據(jù)整合與信息解譯方法進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述，并以淡水河為例介紹了用多目標(biāo)決策理想點(diǎn)法(TOPSIS)整合數(shù)據(jù)進(jìn)行沉積物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的方法。

沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)；沉積物質(zhì)量三元法；信息整合方法；證據(jù)權(quán)重法；多目標(biāo)決策理想點(diǎn)法

水體沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為底棲和浮游生物提供了生活場所和食物來源。各種致污物在表層沉積物中富集，在適當(dāng)?shù)臈l件下又能釋放到上覆水中，形成二次污染，影響水生生物的生長和繁殖等，同時(shí)也會(huì)通過食物鏈的傳遞影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和健康，因此受污染的沉積物已經(jīng)變成環(huán)境監(jiān)管和治理的重點(diǎn)。但是沉積物處于水體底部，導(dǎo)致對(duì)沉積物污染的觀察、測量、評(píng)價(jià)、修復(fù)(疏?；蚋采w等)以及后續(xù)監(jiān)測等既困難又昂貴[1-2]。因此對(duì)沉積物污染情況進(jìn)行準(zhǔn)確地測定與科學(xué)地評(píng)價(jià)，篩查真正受到污染并亟需進(jìn)行控制和修復(fù)的沉積物具有重大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)學(xué)意義。

雖然研究者提出了多種水體沉積物評(píng)價(jià)方法，但由于研究區(qū)域差異，迄今為止仍然沒有通用的評(píng)價(jià)決策方法[3]。沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)方法一般可分為：化學(xué)方法、生物方法和生物化學(xué)方法三大類[4]?；瘜W(xué)方法應(yīng)用方便、直觀、成本較低，但也存在多個(gè)方面的不足：難以測定沉積物中所有致污物的濃度和所有條件的適宜性；沉積物中致污物的總濃度與其毒性效應(yīng)水平不一定呈比例關(guān)系[5]；作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的沉積物質(zhì)量參考值(sediment quality guidelines, SQGs)通常會(huì)有25%甚至更大的誤差[6]。生物方法包括實(shí)驗(yàn)室生物毒性實(shí)驗(yàn)和底棲生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查。生物方法能直接表明沉積物受污染的程度，但一般不能確證生物負(fù)效應(yīng)的引發(fā)因子。實(shí)驗(yàn)室生物毒性實(shí)驗(yàn)排除了自然環(huán)境中干擾因子的影響，使致污物與毒性之間的關(guān)系更加明確，但不能完全代表實(shí)際環(huán)境的情況，也沒有充分考慮致污物的刺激作用，因此可能會(huì)過高或過低地評(píng)估毒性[7]。而底棲生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查無法排除由化學(xué)脅迫以外的其他因子造成的影響。綜上可以看出，化學(xué)和生物評(píng)價(jià)方法都存在各種優(yōu)缺點(diǎn)。由于水體沉積物具有復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物特性，其質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮化學(xué)與生物評(píng)價(jià)的結(jié)果。因此有必要建立一套統(tǒng)一的沉積物化學(xué)分析、毒性實(shí)驗(yàn)和底棲生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查方法以及信息處理與解譯方法，以提高評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確度和可靠性。證據(jù)權(quán)重法(weight of evidence, WOE)能有效地整合各種數(shù)據(jù)而得出一個(gè)科學(xué)全面的評(píng)價(jià)結(jié)論，是沉積物綜合評(píng)價(jià)的最佳選擇[8]。

1 證據(jù)權(quán)重法介紹(Introduction of Weight ofEvidence Approach)

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，WOE是考慮不同性質(zhì)信息的優(yōu)勢和劣勢從而對(duì)選擇方案的風(fēng)險(xiǎn)大小做出評(píng)定的過程[8]。50多年以來，證據(jù)權(quán)重這個(gè)詞頻頻出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的各種出版物中。美國、加拿大、荷蘭和英國等國家已經(jīng)把證據(jù)權(quán)重法應(yīng)用到官方的沉積物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南中[9]。國內(nèi)，吳斌等[10]對(duì)WOE在沉積物評(píng)價(jià)中的涵義和發(fā)展歷程有詳細(xì)的論述。WOE通過測定不同學(xué)科的證據(jù)線索(lines of evidences, LOEs)，并對(duì)其信息進(jìn)行綜合，以全面評(píng)價(jià)沉積物質(zhì)量。沉積物質(zhì)量證據(jù)權(quán)重評(píng)價(jià)的一般流程如圖1，本文將按此流程進(jìn)行討論。

1.1 證據(jù)線索的獲取

首先是證據(jù)的選擇。在沉積物評(píng)價(jià)領(lǐng)域，證據(jù)權(quán)重法的雛形是沉積物質(zhì)量三元法(sediment quality triad, SQT)。三元法由沉積物化學(xué)分析，生物毒性和底棲生物群落結(jié)構(gòu)這3個(gè)互補(bǔ)基元構(gòu)成，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于沉積物的質(zhì)量評(píng)價(jià)中[11]。但SQT并未局限于3個(gè)特定的LOEs，Chapman等[11]也鼓勵(lì)在三元法原有的多維框架上進(jìn)行發(fā)展。目前已有多種替代的或額外的LOEs被提出并應(yīng)用于SQT上：生物放大、上覆水質(zhì)量、毒性鑒別評(píng)價(jià)法(TIE)、效應(yīng)導(dǎo)向分析法(EDA)、生物標(biāo)記物、底棲魚類組織病理學(xué)、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)等[11-12]。使用一個(gè)新增的LOE時(shí)需要解釋清楚原因和使用方法。證據(jù)的選擇與沉積物的類型及評(píng)價(jià)目的都有密切的關(guān)系，如對(duì)于疏浚沉積物可以僅使用化學(xué)分析；要鑒別致毒原因可加上TIE；要評(píng)價(jià)沉積物對(duì)整個(gè)水體的影響要測定上覆水質(zhì)量等。下面分別介紹3種常用證據(jù)。

1.1.1 化學(xué)分析

化學(xué)分析方法就是測定水體沉積物中致污物的濃度并與已有的SQGs進(jìn)行比較，以濃度超過SQGs的物質(zhì)的數(shù)量與超標(biāo)程度評(píng)價(jià)沉積物質(zhì)量。樣品的采集與致污物的測定都有國際標(biāo)準(zhǔn)可供參考[13]，我們需要確定的是參與計(jì)算的化學(xué)物質(zhì)種類與數(shù)量、SQGs的選定以及數(shù)據(jù)的分析方法。研究表明，參與計(jì)算的化學(xué)物質(zhì)并不是越多越好，而應(yīng)選擇具有代表性的物質(zhì)[14]。應(yīng)用時(shí)可先選擇有相應(yīng)SQGs的化學(xué)物質(zhì)，然后用統(tǒng)計(jì)方法如主成分分析法選擇濃度差異較大的物質(zhì)參與計(jì)算。Fairey等[14]]推薦使用一種標(biāo)準(zhǔn)的物質(zhì)組合(如SQGQ1)以便比較不同的調(diào)查，并指出實(shí)際計(jì)算方法應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域污染的特異性作相應(yīng)調(diào)整。

圖1 沉積物質(zhì)量證據(jù)權(quán)重評(píng)價(jià)的一般流程Fig. 1 The flow chart of sediment quality assessment using weight of evidence approach

SQGs的選定：SQGs是為保護(hù)底棲生物和上覆水質(zhì)量而設(shè)定的化學(xué)物質(zhì)在沉積物中的濃度閾值。SQGs的建立方法有十多種，大致上可以劃分為兩類：經(jīng)驗(yàn)型，包括篩選水平濃度法(SLCA)、表觀效應(yīng)閾值法(AETA)、效應(yīng)范圍法(ERA)、效應(yīng)水平法(ELA)和邏輯回歸模型法(LRMA)等；理論型，如相平衡分配法(EqPA)。這些方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。目前采用較多的是雙閾值的經(jīng)驗(yàn)型方法[15]，因其確定了2個(gè)閾值和3個(gè)范圍，當(dāng)污染物濃度低于雙值中的低值時(shí)，認(rèn)為產(chǎn)生危害的可能性很小，幾乎可以忽略；當(dāng)污染物濃度高于雙值中的高值時(shí)，則認(rèn)為危害發(fā)生的可能性很高；如果污染物濃度在二者之間，則為灰色區(qū)域，表示會(huì)產(chǎn)生和不會(huì)產(chǎn)生不良生物效應(yīng)的概率接近[16]。目前，研究人員應(yīng)用這些方法建立了十多種SQGs[17-18]，然而每一種基準(zhǔn)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在具體應(yīng)用時(shí)要從諸多的SQGs中選取最合適的基準(zhǔn)用于質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)艱巨的任務(wù)，這在一定程度上限制了各個(gè)基準(zhǔn)的應(yīng)用。由于推導(dǎo)方法不同，同一物質(zhì)的不同SQGs可能會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)[19]，因此不同SQGs區(qū)分有毒與無毒的能力差異很大[20]。相同SQGs應(yīng)用的區(qū)域差異性也很大，迄今還不能通過現(xiàn)有的任何一種方法建立適用于全國或更大區(qū)域的SQGs[18]。直接采用一些根據(jù)特定區(qū)域建立的SQGs而不考慮環(huán)境的不同可能導(dǎo)致SQGs的不適用。

因此，超過了某種SQGs并不能說明樣品一定有毒，更不能指示毒性的來源，應(yīng)該聯(lián)合使用多種SQGs從而為沉積物的毒性效應(yīng)提供一個(gè)全面的指示[20]。目前應(yīng)用較多的匯編了多種SQGs的兩種方法分別為平均沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)商數(shù)法(mSQGQs)和一致性沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(CBSQGs)。mSQGQs為每種物質(zhì)從已建立的各種SQGs中選擇一個(gè)預(yù)測能力最強(qiáng)的SQG來計(jì)算平均沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)商數(shù)，不同物質(zhì)的SQGs來源可以不同，從而使每種物質(zhì)的效應(yīng)都能得到最好的預(yù)測[20]。研究表明使用多種SQGs的預(yù)測效果要好于使用單一SQGs[20]。但對(duì)于不同研究區(qū)域，污染物的最適SQGs不同，實(shí)際應(yīng)用比較困難。一致性沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)通過求幾何平均值來整合現(xiàn)有的功能相近的SQGs來說明沉積物中致污物的效應(yīng)。Swartz[21]首先算出多環(huán)芳烴(PAHs)的一致性基準(zhǔn)；MacDonald等[19]算出了多氯聯(lián)苯(PCBs)等28種致污物的一致性基準(zhǔn)；Vidal和Bay[20]算出有機(jī)氯農(nóng)藥等11種物質(zhì)的一致性基準(zhǔn)。CBSQGs既解決了取舍的難題，又簡化了評(píng)價(jià)過程，提高了毒性預(yù)測能力，是一種值得推薦使用的SQGs[22]。

數(shù)據(jù)的分析：化學(xué)分析需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以便對(duì)超標(biāo)的數(shù)量與程度進(jìn)行定量。經(jīng)驗(yàn)型SQGs一般用平均沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)商數(shù)法(mSQGQs)即沉積物中化學(xué)物質(zhì)濃度與相應(yīng)的SQGs之商的算術(shù)平均數(shù)。在計(jì)算樣品的mSQGQs時(shí)要注意幾個(gè)問題：1) SQGs商數(shù)之和與平均值都可以作為評(píng)價(jià)的指數(shù)，但當(dāng)不同樣品所測量的物質(zhì)數(shù)目不一樣時(shí)，商數(shù)之和會(huì)有差異，缺乏可比性。2) 將樣品的mSQGQs與文獻(xiàn)中建立的表征沉積物毒性發(fā)生概率和mSQGQs的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行比較，從而確定樣品的風(fēng)險(xiǎn)水平是否在可接受的范圍[14]。一般至少設(shè)2個(gè)臨界值，低于一級(jí)臨界值(如0.1)表示樣品是無毒的，高于二級(jí)臨界值(如2.0)表示樣品是有毒的。3) mSQGQs的結(jié)果是單一的指數(shù)，應(yīng)用方便，其缺陷是：臨界值的確定難以達(dá)成一致；信息過度壓縮；不能反映所有物質(zhì)的影響；不能表征毒性效應(yīng)與具體某種物質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.1.2 生物毒性

生物毒性實(shí)驗(yàn)以生物體為對(duì)象，通過各種暴露途徑進(jìn)行毒性測試，被認(rèn)為是沉積物毒性綜合評(píng)價(jià)必不可少的一部分。生物毒性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果受實(shí)驗(yàn)條件、受試生物、效應(yīng)終點(diǎn)等因素的影響而可能出現(xiàn)假陽性，因此，毒性測試需要有標(biāo)準(zhǔn)化的方法。由于資源和時(shí)間的限制，毒性測試無法針對(duì)所有的生物，因此一般采用復(fù)合定制方法來設(shè)計(jì)測試組，即常用的標(biāo)準(zhǔn)方法加上針對(duì)所關(guān)注的物質(zhì)、靈敏度高的測試方法[23]。

受試生物的選擇：沉積物毒性測試常用，但不僅限于底棲無脊椎動(dòng)物作為受試生物。為了保證毒性評(píng)價(jià)的可靠性，Beketov等[23]建議用幾種不同營養(yǎng)級(jí)的、對(duì)污染物吸收途徑不同的生物組成受試生物系列，如細(xì)菌、真菌、植物、無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物等。該方法綜合考慮了不同的暴露途徑、受體和行為模式等因素的影響，既可進(jìn)行快速篩選，又可進(jìn)行長期效應(yīng)的觀察[24]。目前應(yīng)用較多的受試生物有：搖蚊幼蟲、夾雜帶絲蚓、端足類淡水蝦、顫蚓、大型蚤、蜉蝣幼蟲、發(fā)光菌和斑馬魚胚胎等[23, 25]。

測試終點(diǎn)的選擇：毒性實(shí)驗(yàn)的測試終點(diǎn)應(yīng)該靈敏、準(zhǔn)確、可比較、可重現(xiàn)并能清晰地指示受試物種的種群動(dòng)態(tài)。常用的終點(diǎn)有致死終點(diǎn)如存活率，亞致死終點(diǎn)如個(gè)體生長、繁殖和行為表現(xiàn)，生理生化反應(yīng)終點(diǎn)如基因表達(dá)變化和代謝變化。最常用的是存活率，因?yàn)樗鸵巴鈼l件下種群的變化有很明顯的關(guān)系。Ingersoll等[26]認(rèn)為亞致死效應(yīng)能夠提供更靈敏、更具保護(hù)性的測量結(jié)果。最常見的是用10 d的急性實(shí)驗(yàn)測存活率和用4～6周的慢性實(shí)驗(yàn)來測存活率、生長和繁殖[12]。

試驗(yàn)相的選擇：沉積物的異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致污染物以不同的形態(tài)存在并明顯地表現(xiàn)出不同的生物可利用性和毒性，因此進(jìn)行毒性測試時(shí)要充分考慮試驗(yàn)相的選擇問題。沉積物試驗(yàn)相通常包括全沉積物、孔隙水和復(fù)溶水。全沉積物在采集和處理過程中引入的人為干擾最小，被認(rèn)為是最適合評(píng)價(jià)沉積物質(zhì)量的試驗(yàn)相。孔隙水是一個(gè)重要暴露途徑，但存在局限性：難以獲得；提取后孔隙水性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化；在僅有孔隙水而沒有沉積物的體系中，一些底棲動(dòng)物可能會(huì)不適應(yīng)；降低了攝食暴露這一途徑的影響[12]。因此單獨(dú)用孔隙水來評(píng)價(jià)可能會(huì)高估水溶性物質(zhì)的毒性而低估了疏水性物質(zhì)的毒性。復(fù)溶水實(shí)驗(yàn)一般只用于特殊的場合，如評(píng)估沉積物被底泥疏浚、洪水和航運(yùn)等擾動(dòng)后的風(fēng)險(xiǎn)。

毒性表征：在毒性測試中一般把樣品的測試終點(diǎn)與陰性控制的進(jìn)行比較后分析出樣品毒性效應(yīng)的大小[24]。然而有學(xué)者認(rèn)為在進(jìn)行沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，樣品與對(duì)照點(diǎn)沉積物之間的比較才是合理的，因?yàn)閷?duì)照點(diǎn)說明了一個(gè)地區(qū)的沉積物在未受污染時(shí)的一般情況[3]。因此可用測試樣品與實(shí)驗(yàn)室控制比較得出絕對(duì)毒性，再與對(duì)照點(diǎn)的絕對(duì)毒性比較來說明沉積物是否因受到外來污染而毒性增強(qiáng)。對(duì)照點(diǎn)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：遠(yuǎn)離污染源且水文地理位置具有代表性、沉積物物理特性與常作為污染物的匯的沉積區(qū)相似、人為污染物含量低于相應(yīng)的SQGs、底棲生物分布正常以及生物毒性效應(yīng)低[27]。除選定對(duì)照點(diǎn)外，還需要設(shè)定區(qū)分自然變異與毒性效應(yīng)的閾值。對(duì)于這方面的研究比較多，但還沒有通用的方法。H?ss等[24]認(rèn)為急性致死測試的測試終點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)有顯著性差異且差異大于20%是有毒的，并提出了計(jì)算亞致死終點(diǎn)的毒性閾值的方法。Hunt等[27]根據(jù)對(duì)照點(diǎn)的毒性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一條公式來計(jì)算受試生物的耐受限，當(dāng)用公式算出的耐受限太高時(shí)用可檢測差異來代替。Reynoldson等[28]用對(duì)照點(diǎn)毒性數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差建立了沉積物毒性反應(yīng)的3個(gè)類別：無毒的、可能有毒的和有毒的。

上面綜述的方法都只評(píng)價(jià)了樣品某個(gè)終點(diǎn)的表現(xiàn)，還需綜合各種效應(yīng)終點(diǎn)對(duì)沉積物毒性做出整體的評(píng)價(jià)。Hartwell等[6]用多個(gè)毒性終點(diǎn)的嚴(yán)重性和響應(yīng)的百分比來給每個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行打分，從而評(píng)估樣點(diǎn)的毒性程度。Reynoldson等[28]用不同的方法整合各種毒性終點(diǎn)。前兩種是以給每個(gè)毒性終點(diǎn)打分為基礎(chǔ)的，方法一用1個(gè)樣點(diǎn)的毒性終點(diǎn)分值的中位數(shù)所處的類別代表該位點(diǎn)整體所處的類別，方法二把1個(gè)樣點(diǎn)的毒性終點(diǎn)分值平均值與對(duì)照點(diǎn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差比較，確定了4個(gè)毒性等級(jí)。方法三選擇非度量多維尺度法和歐氏距離，讓樣點(diǎn)在相同的排序空間上與概率橢圓進(jìn)行比較。結(jié)果證明方法三適用性更強(qiáng)。

1.1.3 底棲生物群落結(jié)構(gòu)

研究生物群落結(jié)構(gòu)可能是評(píng)價(jià)水生環(huán)境中多重脅迫共同效應(yīng)的最好方法[29]，因?yàn)樗軌蛎舾械胤从趁{迫引起的生態(tài)功能的變化。表征底棲生物群落結(jié)構(gòu)變化的方法有[12]：1) 單變量方法，如指示生物法和多樣性指數(shù)；2) 圖形或分布式方法，用圖形描繪物種的相對(duì)豐度等指標(biāo)，如占優(yōu)曲線；3) 多變量方法，用多物種的多種指標(biāo)共同來比較群落結(jié)構(gòu)。單變量方法和分布式方法都不具有物種特異性，并且過于簡單化，難以反映復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況，因而需要用多變量方法。多變量方法有：分類法，即根據(jù)采樣點(diǎn)的共同物種組成建立的樹狀圖；排序法，即畫在同一坐標(biāo)系統(tǒng)上的對(duì)照點(diǎn)與受污染點(diǎn)之間的關(guān)系圖；多維尺度分析；生物完整性指數(shù)[12]。

生物完整性指數(shù)(index of biological integrity, IBI)是一種能把群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境污染聯(lián)系起來的多變量方法，在多個(gè)國家廣泛應(yīng)用，并衍生出多種形式[30]。IBI從魚類發(fā)展而來，并應(yīng)用于其它分類單元或者聯(lián)合了不同分類單元對(duì)生態(tài)環(huán)境做出全面的評(píng)價(jià)。常用的分類單元有魚、無脊椎動(dòng)物、硅藻屬和大型水生植物等[30]。魚作為生物指示物的優(yōu)點(diǎn)是：有不同的種類、位于食物鏈的頂端及相關(guān)資料豐富等。大型底棲無脊椎動(dòng)物作為生物指示物的優(yōu)點(diǎn)是：體形較大、生活周期較長、運(yùn)動(dòng)能力較弱、對(duì)污染反應(yīng)較為敏感。

雖然有些河流已經(jīng)建立了完整性指數(shù)，但世界上沒有兩條完全相同的河流，不同時(shí)間的生境、理化條件和污染等情況都會(huì)對(duì)完整性產(chǎn)生影響。因此評(píng)價(jià)時(shí)需要重新篩選生物指標(biāo)進(jìn)而構(gòu)建完整性指數(shù)。在建立過程中需要注意幾個(gè)問題：1) 對(duì)照點(diǎn)的選定非常重要，選定時(shí)要從多方面進(jìn)行考慮，如水質(zhì)和棲息地?cái)?shù)據(jù)、環(huán)境條件和水生生物的歷史數(shù)據(jù)、IBI的分值、人類居住和干擾的梯度變化等。但I(xiàn)BI所使用的對(duì)照狀態(tài)迄今還沒有統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[30]。2) 指標(biāo)選擇，理想的指標(biāo)特征包括：不同位點(diǎn)間數(shù)據(jù)有足夠的差異、重現(xiàn)性好、對(duì)脅迫的響應(yīng)能力強(qiáng)、與其它指標(biāo)相獨(dú)立，還要具有敏感性、可比性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性[31-32]。3) 指標(biāo)打分，打分方法很多[32]，主要分為離散打分(三分法和四分法)和連續(xù)打分(連續(xù)賦值法[31]和比值法[33])。離散打分可以增加IBI的差異性，但區(qū)分生態(tài)條件等級(jí)的能力不足，并且具有主觀性。連續(xù)打分法避免了主觀性還具有一致性和重現(xiàn)性，使得結(jié)果容易解釋和便于他人使用，因此很多學(xué)者主張用連續(xù)打分法[30]。所有指標(biāo)的分值相加得樣點(diǎn)的IBI值。4) 整體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分，目前還不存在一個(gè)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)。一般是以參照點(diǎn)IBI值的25%分位數(shù)或所有樣點(diǎn)IBI值的95%分位數(shù)作為健康的標(biāo)準(zhǔn)，小于健康標(biāo)準(zhǔn)的再三等分，共分4級(jí)。

1.2 權(quán)重

在一個(gè)WOE框架內(nèi)，不同LOEs對(duì)整體結(jié)論的貢獻(xiàn)是不一樣的，所以要給證據(jù)賦權(quán)。賦權(quán)是WOE方法中很重要的一個(gè)部分，包括給每項(xiàng)證據(jù)賦權(quán)和給每種證據(jù)賦權(quán)。每項(xiàng)證據(jù)的賦權(quán)方法可分為定量和定性兩類，結(jié)合使用更佳[34]。定量賦權(quán)根據(jù)證據(jù)與對(duì)照、控制等的偏離程度用統(tǒng)計(jì)方法如均方差法、主成分分析法、離差最大化法、熵值法、因子分析法等算出，也叫客觀賦權(quán)。定性賦權(quán)可以通過質(zhì)量準(zhǔn)則和專業(yè)判斷來確定，如德爾非法、層次分析法、專家調(diào)查法等，也叫主觀賦權(quán)。定性權(quán)重一般考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性、生態(tài)相關(guān)性、代表性、方法穩(wěn)健性、解釋的清晰性、持續(xù)性、響應(yīng)一致性和潛在的偏見等。雖然定性賦權(quán)具有特異性，但提供了一個(gè)準(zhǔn)則列表的標(biāo)準(zhǔn)化的賦權(quán)方法還是有參考意義的，如McDonald等[35]和Critto等[36]提出的定性賦權(quán)方法。給一類證據(jù)賦權(quán)要考慮3個(gè)方面[34]：1) 不同種的證據(jù)可能有不同的固有權(quán)重，如底棲生物是沉積物污染的最直接受害者與反映者，應(yīng)以其群落結(jié)構(gòu)的好壞作為沉積物質(zhì)量評(píng)估的根本依據(jù)，所以底棲生物群落結(jié)構(gòu)的權(quán)重應(yīng)該最大，生物毒性測試的次之，化學(xué)分析的最小[37]；2) 某一類證據(jù)中的每項(xiàng)證據(jù)的強(qiáng)度和質(zhì)量；3) 某一類證據(jù)中的每項(xiàng)證據(jù)的個(gè)數(shù)。要注意的是賦權(quán)不一定能夠提高結(jié)論的準(zhǔn)確性，事實(shí)上，評(píng)價(jià)者把個(gè)人觀念加諸于WOE方法上可能會(huì)降低準(zhǔn)確性[38]。定量賦權(quán)比較可信，但是定性賦權(quán)方法沒有強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)因而不一定能改善決策。

1.3 證據(jù)整合與信息解譯方法

由于WOE方法聯(lián)合了多學(xué)科的LOEs且不同LOEs可能會(huì)指向不同的結(jié)論，因此需要有效的方法來綜合大量的證據(jù)形成一個(gè)關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)的總體的結(jié)論。整合各種證據(jù)的方法很多，可分為定性和定量兩類。定性方法只是擺出各種證據(jù)而沒有進(jìn)行整合或者只是基于定性的考慮將證據(jù)按一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行整合。定量方法通過加權(quán)、排序、指數(shù)、結(jié)構(gòu)化決策或統(tǒng)計(jì)模型對(duì)各種證據(jù)進(jìn)行整合[39]。雖然沒有可以完整地表征WOE方法的分類系統(tǒng)，Linkov等[39-40]根據(jù)Weed[38]和Chapman等[41]的研究提出一個(gè)較全面的分類系統(tǒng)。表1按由偏定性到偏定量的順序列舉了常用的WOE信息整合與數(shù)據(jù)解譯方法。

整合方法的選擇：定性方法一般用于只有少許證據(jù)或有一個(gè)優(yōu)勢證據(jù)存在的情況，最常用的是帶有決策矩陣表的最佳專業(yè)判斷和帶有決策框架的邏輯方法。定量方法適用于系統(tǒng)很復(fù)雜或有許多LOEs要整合的情況。雖然所有的WOE方法都會(huì)包含定性和定量的考慮，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的復(fù)雜性決定了這個(gè)方法越來越側(cè)重于定量。定量方法包括單變量方法，即用單因素方差分析來比較單個(gè)指標(biāo)在不同樣點(diǎn)間的差異；多變量方法，即用多因素分析方法來比較某種LOE與對(duì)照的差異以及不同種LOEs之間的關(guān)系[47, 50]；薈萃分析，即用統(tǒng)計(jì)的方法綜合相似的研究數(shù)據(jù)得出結(jié)論[38]；多屬性決策分析[40]。

多屬性決策分析(multi-criteria decision analysis, MCDA)主要解決具有多個(gè)屬性(指標(biāo))的有限決策方案的排序問題。MCDA方法在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中，層次分析法和級(jí)別高于方法(outranking)應(yīng)用得比較多[51]。MCDA方法在沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用可概述為：每個(gè)采樣點(diǎn)作為一個(gè)可供選擇的方案，致污物濃度、毒性實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)值和底棲群落結(jié)構(gòu)指數(shù)共同組成指標(biāo)體系，用SQGs和對(duì)照點(diǎn)的數(shù)據(jù)等算出指標(biāo)的表現(xiàn)值然后用所選的MCDA方法賦權(quán)并整合所有指標(biāo)表現(xiàn)值成為一個(gè)最終評(píng)價(jià)值，將所有最終評(píng)價(jià)值排序，排名越前的樣點(diǎn)質(zhì)量越好[9]。MCDA的優(yōu)點(diǎn)有：方便構(gòu)建；可以建立在其它WOE方法上；可以把專家判斷限制為建立單個(gè)LOE的權(quán)重；決策過程透明[40, 51]。因此MCDA是很好的整合不同證據(jù)的方法。

近年來基于水體存在模糊性、隨機(jī)性、灰色性、非線性等特殊情況，以現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的模糊綜合評(píng)判法、未確知測度模型、灰關(guān)聯(lián)分析方法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)法、多目標(biāo)決策理想點(diǎn)法等現(xiàn)代系統(tǒng)方法逐漸發(fā)展起來，為新的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的產(chǎn)生提供了理論和技術(shù)支持，并在地表水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。而沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)還很少采用這些現(xiàn)代系統(tǒng)方法，因此這將是一個(gè)很好的發(fā)展方向。

2 證據(jù)權(quán)重法的應(yīng)用案例(Case Study of Weight ofEvidence Approach)

近年來，各個(gè)國家用證據(jù)權(quán)重法對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的實(shí)際案例非常多。Regolia等[52]用一個(gè)軟件模型整合化學(xué)物質(zhì)濃度、生物可利用性和生標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了哥斯達(dá)黎加康科迪亞沉船事件帶來的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果是風(fēng)險(xiǎn)不大。Khosrovyan等[53]用兩種方法整合化學(xué)物質(zhì)濃度、理化參數(shù)和生物毒性數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了西班牙4個(gè)商業(yè)港口的沉積物的風(fēng)險(xiǎn)：一種用西班牙疏浚物管理框架中的決策框架來對(duì)沉積物進(jìn)行分類，另一種用主成分分析法來分析毒性數(shù)據(jù)并分析其與化學(xué)數(shù)據(jù)的關(guān)系，最終得到類似結(jié)果。Sorvari等[9]用MCDA方法整合SQT的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了芬蘭一個(gè)廢棄的垃圾填埋場的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cox等[54]用一種多變量方法典型判別分析整合SQT和生物放大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了美國羅亞爾島國家公園碼頭的沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果證明人為來源的PAHs是主要的污染物，但濃度不是很高。Wolfram等[46]用一種打分系統(tǒng)整合SQT的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了歐洲3條河流中化學(xué)污染物對(duì)底棲無脊椎動(dòng)物的影響。Carreira等[55]用主成分分析法等多變量方法整合化學(xué)物質(zhì)濃度和生標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了葡萄牙南部3個(gè)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)(2個(gè)河口和1個(gè)濱海瀉礁湖)的污染狀況，結(jié)果表明3個(gè)系統(tǒng)的沉積物污染高度異質(zhì)性。

表1 WOE信息整合與數(shù)據(jù)解譯方法

由上述案例可以看出用證據(jù)權(quán)重法進(jìn)行沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)可以有多種形式，不同的形式可能產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)對(duì)證據(jù)權(quán)重法的綜述，我們以東江流域淡水河上中下游7個(gè)采樣點(diǎn)(S1～S7)為例闡述一種評(píng)價(jià)形式作為參考(數(shù)據(jù)見表2和表3)：1) 根據(jù)相應(yīng)的指導(dǎo)文件進(jìn)行樣品采集與前處理[13]。2) 測量PAHs和重金屬的濃度并用主成分分析法選擇濃度差異較大的4種PAHs和4種重金屬參與計(jì)算(受實(shí)驗(yàn)條件所限，化學(xué)物質(zhì)選擇并非最佳，根據(jù)Fairey等[14]推薦的SQGQ1選擇物質(zhì)會(huì)更好)。3) 進(jìn)行斑馬魚胚胎全沉積物實(shí)驗(yàn)、綠藻全沉積物實(shí)驗(yàn)、發(fā)光菌孔隙水實(shí)驗(yàn)，把終點(diǎn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室控制比較算出魚類致畸性指數(shù)(FTI)、綠藻生長抑制率和發(fā)光抑制率。4) 進(jìn)行野外底棲生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查，算出種類數(shù)、均勻度、Margalef豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和總生物量(受實(shí)驗(yàn)條件所限，指標(biāo)選擇并非最佳，根據(jù)Stoddard等[31]介紹的方法篩選指標(biāo)效果更佳)。5) 用多目標(biāo)決策理想點(diǎn)法(TOPSIS)對(duì)上述所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合：a. 增加兩個(gè)虛擬的樣點(diǎn)：比較點(diǎn)1由CBSQG-TECs[19]和其它指標(biāo)的理論最差值的0.2倍構(gòu)成，用作低風(fēng)險(xiǎn)與中等風(fēng)險(xiǎn)的界點(diǎn)；比較點(diǎn)2由CBSQG-PECs[19]和其它指標(biāo)的理論最差值的0.5倍構(gòu)成，用作中等風(fēng)險(xiǎn)與高風(fēng)險(xiǎn)的界點(diǎn)；b. 原始數(shù)據(jù)同趨化，把高優(yōu)指標(biāo)向低優(yōu)指標(biāo)轉(zhuǎn)化；c. 用極差法將數(shù)據(jù)歸一化；d. 賦權(quán)，化學(xué)物質(zhì)濃度權(quán)重為1，毒性終點(diǎn)權(quán)重為1.2，底棲生物群落指標(biāo)權(quán)重為1.5；e. 歸一化數(shù)據(jù)與權(quán)重相乘；f. 確定正理想解Z+(每個(gè)指標(biāo)的最大值)和負(fù)理想解Z-(每個(gè)指標(biāo)的最小值)；g. 計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)到正負(fù)理想解之間的歐氏距離d+和d-；h. 計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)與正理想解的相對(duì)接近度；i. 根據(jù)相對(duì)接近度對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行排序，根據(jù)排序結(jié)果，對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定。由計(jì)算結(jié)果可以看出，淡水河7個(gè)采樣點(diǎn)都屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，其中S1和S6風(fēng)險(xiǎn)較低，S2和S3風(fēng)險(xiǎn)較高，比較符合實(shí)際的觀察結(jié)果，因此用TOPSIS來整合數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)可行的方法。

3 存在的問題與今后發(fā)展方向(Present ProblemsAnd the Future Direction)

用證據(jù)權(quán)重法能夠更全面地評(píng)價(jià)沉積物質(zhì)量，但也存在其自身的局限性。有人認(rèn)為WOE復(fù)雜、昂貴、耗時(shí)間、不嚴(yán)謹(jǐn)，沒必要使用多種證據(jù)[34]，所以回歸到關(guān)注單個(gè)物質(zhì)濃度或底泥疏浚。另外，證據(jù)權(quán)重這個(gè)詞似乎給評(píng)價(jià)結(jié)果帶來很高的確定性，但事實(shí)上樣品的采集、測定及結(jié)果分析過程都會(huì)帶來很大的不確定性。因此近十年來沉積物綜合評(píng)價(jià)發(fā)展緩慢，我國對(duì)沉積物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的研究尚處于起步階段。由于沉積物污染的復(fù)雜性，僅通過單一的評(píng)價(jià)方法無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)沉積物質(zhì)量，從而導(dǎo)致監(jiān)測和修復(fù)的管理措施缺乏針對(duì)性。因此需要大力發(fā)展綜合評(píng)價(jià)方法，簡化評(píng)價(jià)步驟、降低評(píng)價(jià)費(fèi)用的同時(shí)提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。努力的方向有：提高野外試驗(yàn)方法的靈敏度和實(shí)用性；確證生物標(biāo)志物與種群及群落效應(yīng)之間的關(guān)系；建立新興污染物的SQGs；發(fā)展被動(dòng)采樣等快速監(jiān)測技術(shù)；發(fā)展能自動(dòng)分析環(huán)境與效應(yīng)關(guān)系的評(píng)價(jià)模型，通過輸入特定地區(qū)的地球化學(xué)條件與污染監(jiān)測數(shù)據(jù)之后可以得出符合該地區(qū)特殊狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 用多目標(biāo)決策理想點(diǎn)法進(jìn)行淡水河沉積物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果

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Integrated Sediment Quality Assessment: A Case Study Based on Weight of Evidence Approach

Jiang Yuxia1,2, Liu Yousheng1, Ying Guangguo1,*

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received 26 July 2014 accepted 16 September 2014

Sediment is an important part of aquatic ecosystems, and its pollution can affect the health of the whole ecosystem. Therefore, it is essential to develop a proper sediment quality assessment method, which can facilitate pollution control, and provide a scientific basis for further remediation of contaminated aquatic environments. Various sediment quality assessment methods have been proposed in the past. Among those assessment methods, weight of evidence approach measures and integrates different lines of evidences, which can make up the drawbacks of those traditional simple evaluation methods and provide scientific and comprehensive evaluation of sediment quality. This paper introduced the three major lines of evidences including sediment chemistry, toxicity and benthic community, as well as weighting methods and relevant information integrating methods. A detailed procedure of sediment quality assessment was introduced here with Danshui River as an example by using technique for order preference by similarity (TOPSIS) to integrate data.

sediment quality assessment; sediment quality triad; information integrating methods; weight of evidence; technique for order preference by similarity

國家自然科學(xué)基金廣東省聯(lián)合基金(U1133005)

蔣宇霞(1988-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué)，E-mail：jiangyuxia3@foxmail.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: guang-guo.ying@gig.ac.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140726001

2014-07-26 錄用日期：2014-09-16

1673-5897(2015)3-071-12

X171.5

A

應(yīng)光國(1964-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲廴疚锘瘜W(xué)和生態(tài)毒理。

蔣宇霞, 劉有勝, 應(yīng)光國. 沉積物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)及應(yīng)用證據(jù)權(quán)重法的案例分析[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2015, 10(3): 71-82

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