張遠(yuǎn)，丁森,*，趙茜，高欣，趙瑞，孟偉

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院 流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室，北京 100012 3. 遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，沈陽 110036

基于野外數(shù)據(jù)建立大型底棲動物電導(dǎo)率水質(zhì)基準(zhǔn)的可行性探討

張遠(yuǎn)1,2，丁森1,2,*，趙茜3，高欣1,2，趙瑞1,2，孟偉1

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院 流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室，北京 100012 3. 遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，沈陽 110036

科學(xué)合理地設(shè)定水質(zhì)基準(zhǔn)是水生生物保護(hù)和水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的基礎(chǔ)。水體電導(dǎo)率數(shù)值的高低由溶解于其中的各種陰陽離子的濃度所決定，而較多的研究也證明電導(dǎo)率能夠顯著地影響水生生物類群，特別是大型底棲動物物種存活和群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。離子組成的復(fù)雜性，導(dǎo)致無法開展基于室內(nèi)實驗的水生生物電導(dǎo)率基準(zhǔn)值的推導(dǎo)。本文借鑒美國環(huán)境保護(hù)局基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)建立電導(dǎo)率基準(zhǔn)值的方法，采用流行病學(xué)打分方法，分別從電導(dǎo)率是否對大型底棲動物敏感物種存在毒性效應(yīng)、人為干擾的增強(qiáng)是否會通過電導(dǎo)率產(chǎn)生毒性作用，以及其他環(huán)境因子是否對電導(dǎo)率基準(zhǔn)值的制定產(chǎn)生影響3個方面，探討了基于野外數(shù)據(jù)建立我國電導(dǎo)率基準(zhǔn)的可行性。研究區(qū)域為遼河流域的渾河及太子河，野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集于2009年8月至2010年5月。研究結(jié)果表明，電導(dǎo)率的升高顯著降低了大型底棲動物敏感物種的出現(xiàn)頻率。通過分析研究區(qū)域土地利用方式同電導(dǎo)率之間的相關(guān)性，證明了農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)用地比例的增加顯著地增加了水體中電導(dǎo)率的數(shù)值。對有可能引起物種消失的其他環(huán)境因子進(jìn)行分析，結(jié)果表明電導(dǎo)率是引起大型底棲動物消失的主要原因。綜合以上結(jié)果，基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)來建立大型底棲動物電導(dǎo)率基準(zhǔn)值是可行的，為我國水質(zhì)基準(zhǔn)的研究提供了新的思路和方法。

電導(dǎo)率；大型底棲動物；基準(zhǔn)；權(quán)重法；野外數(shù)據(jù)

我國的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是在水質(zhì)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的[1]，是流域水質(zhì)管理和環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)[2]。我國《環(huán)境保護(hù)法》(修訂版)新規(guī)定鼓勵開展環(huán)境基準(zhǔn)研究，建立具有我國特色的水環(huán)境基準(zhǔn)技術(shù)體系[3]。目前國際上很多污染物基準(zhǔn)研究主要是依靠實驗室數(shù)據(jù)推導(dǎo)[4-6]，但是有些污染物的影響卻無法在實驗室中通過試驗?zāi)M[7-9]，某些生態(tài)學(xué)過程(如捕食、洄游等)也無法在實驗室中模擬實現(xiàn)[7,10]。國際對生物學(xué)基準(zhǔn)的研究基本都以小型水生生物為研究對象，而個體較大、瀕危的物種很難被接受作為受試生物[4,7]。此外，在開展基準(zhǔn)研究前，對水生態(tài)系統(tǒng)中所有物種進(jìn)行敏感性測試也不具有可行性[11]。基于野外數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)研究可以解決上述難題，該理念已被歐盟水框架指令所接收，并被美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)科學(xué)咨詢理事會所推薦。US EPA建立了一整套基于野外數(shù)據(jù)制定基準(zhǔn)的分析方法[7,10,12-13]，包括3個步驟：首先是毒性環(huán)境因子的選擇與驗證，其次是數(shù)據(jù)收集與分析計算，最后是繪制物種敏感度分布曲線。其中毒性環(huán)境因子的選擇與驗證是一個重要環(huán)節(jié)，這也是基于野外數(shù)據(jù)基準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)。US EPA將這套技術(shù)方法應(yīng)用在大型底棲動物電導(dǎo)率基準(zhǔn)的研究中。大型底棲動物營定居生活，對干擾較為敏感，常被作為毒性研究的受試生物[14-17]。電導(dǎo)率是一種在野外容易獲取并準(zhǔn)確測量的河流水質(zhì)參數(shù)，反映水中的總離子濃度且較難在實驗室條件下模擬。

渾太河全流域流經(jīng)多個工業(yè)城市，包括撫順、沈陽、遼陽、本溪和鞍山市等，同時渾太河還是遼寧省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)。基于渾太河流域自然特征和河道物理形態(tài)等特征，將全流域劃分為3個二級生態(tài)功能區(qū)，分別為山地區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū)。本文選取我國北方重點流域——遼河流域的渾太河為研究區(qū)域，以大型底棲動物為對象，就為何選取電導(dǎo)率作為制定水質(zhì)基準(zhǔn)的毒性環(huán)境因子進(jìn)行論證，為今后我國開展基于野外數(shù)據(jù)制定水質(zhì)基準(zhǔn)的研究提供借鑒，也為我國地方性電導(dǎo)率水生生物基準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域概況

渾太河流域由渾河、太子河2條獨立水系構(gòu)成，地處東經(jīng)122°05′～125°17′，北緯40°40′～42°10′之間，流域面積2.54×104km2，多年平均水資源總量6.9×109m3，水資源開發(fā)利用程度91%，是遼寧省的主要河流之一。渾河流域面積為12 216 km2，全長415.4 km，受大陸季風(fēng)氣候影響，年徑流量為3.05×109m3，多年平均降水量為718.3 mm；太子河流域面積為13 883 km2，全長413 km，屬大陸性季風(fēng)氣候，全年平均降水量655～954 mm。渾河和太子河在三岔河匯入大遼河。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 調(diào)查樣點設(shè)置

于2009年8月至2010年5月間，在渾太河流域設(shè)置132個常規(guī)調(diào)查樣點和167個加密調(diào)查樣點，共計289個樣點(圖1)。

圖1 渾太河流域采樣圖Fig. 1 Sampling sites in the Hun-Tai River basin

1.2.2 大型底棲動物采集

對于可涉水的河流，設(shè)置100 m為調(diào)查范圍，使用索伯網(wǎng)(30 cm×30 cm；網(wǎng)篩60目，孔徑為0.3 mm)在不同生境類型(急流區(qū)、緩流區(qū)、靜水區(qū))進(jìn)行采集，共采集3個平行樣品。對于不可涉水的河流，分別于左岸、河流中央和右岸用開口面積為1/16 m2的改良型彼得森采泥器采集3個平行樣品，采集的底泥用450 μm的尼龍網(wǎng)過濾清洗，在野外利用人工挑揀的方法將底棲動物樣品轉(zhuǎn)入100 mL的樣品瓶中，

并加體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精保存。在實驗室采用解剖鏡和顯微鏡對底棲動物進(jìn)行分類鑒定并計數(shù)，樣品盡量鑒定到最低分類單元。

1.2.3 環(huán)境因子調(diào)查

生境質(zhì)量調(diào)查評價參照鄭丙輝等[18]方法，選取10個評價指標(biāo)(底質(zhì)狀況、棲境復(fù)雜性、流速與水深結(jié)合、河岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類活動強(qiáng)度和河岸邊土壤利用類型)，每項20分，總分200分，共計4個得分等級(健康16～20、較好11～15、一般6～10、較差0～5)。

1.2.4 土地利用數(shù)據(jù)解譯

利用分辨率為25 m×25 m的Landsat5 TM遙感影像圖為數(shù)據(jù)源，通過ARC/NPO 7.1軟件平臺生成具有拓?fù)潢P(guān)系的土地利用空間數(shù)據(jù)庫，并用ArcView3.2軟件輸出空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。土地利用類型包括林草地、農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地、河流、湖泊、灘地、沼澤、水庫、魚塘等9類，結(jié)合野外實地踏查，形成最終解譯結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 刪除調(diào)查點位的原則

為提高數(shù)據(jù)分析質(zhì)量，刪除不適于分析的點位(表1)。未獲取電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的點位和大型底棲動物未鑒定到屬或種的點位應(yīng)刪除；大型底棲動物適應(yīng)在偏堿性環(huán)境條件生存，過酸性或過堿性條件的點位應(yīng)刪除[19]；Cl-濃度過高會改變大型底棲動物滲透調(diào)節(jié)模式進(jìn)而影響其生存[20]，Cl-濃度過高的點位應(yīng)刪除。

表1 點位刪除的標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 電導(dǎo)率論證分析

在基于野外數(shù)據(jù)制定水生生物的毒性環(huán)境因子基準(zhǔn)時，US EPA要求對選擇的毒性環(huán)境因子進(jìn)行論證。只有證明了毒性環(huán)境因子對水生生物存在影響、且其大小是人類干擾的結(jié)果，其他環(huán)境因子的綜合效應(yīng)對水生生物影響很小時，才能選擇該毒性環(huán)境因子進(jìn)行基準(zhǔn)研究[21]。為了證明渾太河流域適合開展電導(dǎo)率基準(zhǔn)的研究，本文從三方面進(jìn)行論證：

第一，通過研究電導(dǎo)率和大型底棲動物群落之間的關(guān)系，證明電導(dǎo)率對物種的存活存在毒性效應(yīng)。通過對渾太河流域所有樣點電導(dǎo)率數(shù)值的分布研究，分別設(shè)定一個低電導(dǎo)率值和一個高電導(dǎo)率值，分析電導(dǎo)率處于2個設(shè)定值之外的樣點上敏感性物種的分布情況[21]。結(jié)合渾太河流域電導(dǎo)率監(jiān)測結(jié)果(圖2)，將渾太河流域低電導(dǎo)率值設(shè)為150 μS·cm-1，高電導(dǎo)率值設(shè)為750 μS·cm-1。大多數(shù)蜉蝣目物種對電導(dǎo)率敏感，故將蜉蝣目物種作為一個類群，對其出現(xiàn)與否情況進(jìn)行分析[12]。此外，結(jié)合每個物種的耐污值[22]，按照耐污值對大型底棲動物分類的方法，將耐污值小于等于3的物種視作敏感種[23]。分析其隨電導(dǎo)率升高的分布情況。

第二，電導(dǎo)率濃度的升高導(dǎo)致大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)退化，為了分析導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的原因，將土地利用方式作為人類綜合干擾壓力，研究土地利用方式與電導(dǎo)率，以及組成電導(dǎo)率的主要離子的關(guān)系，論證電導(dǎo)率升高是否與土地利用方式有關(guān)。

圖2 渾太河流域電導(dǎo)率分布箱線圖Fig. 2 Box plot showing the conductivity distribution in the Hun-Tai River basin

第三，環(huán)境要素可能會對電導(dǎo)率基準(zhǔn)的制定產(chǎn)生影響，前人研究發(fā)現(xiàn)高水溫、高氨氮濃度、多樣性低的生境會對大型底棲動物的分布產(chǎn)生影響[24-26]。為了排除以上環(huán)境要素對大型底棲動物的綜合影響，依據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的研究結(jié)果[21]和我國為保護(hù)水生生物而設(shè)定的地表水三類水標(biāo)準(zhǔn)中的氨氮濃度[27]，將同時滿足水溫高于22℃，氨氮濃度大于1.0 mg·L-1，生境得分低于135分的點位刪除，分析這些樣點刪除前后大型底棲動物總物種豐度和蜉蝣目物種豐度的變化。

1.3.3 證據(jù)評分原則

依據(jù)流行病學(xué)的權(quán)重打分法[28]對以上3種證據(jù)進(jìn)行打分?！?”表示支持電導(dǎo)率作為一種影響因素，“-”表示不支持電導(dǎo)率作為一種影響因素，“0”表示電導(dǎo)率對大型底棲動物無影響。如果一項證據(jù)與電導(dǎo)率的升高強(qiáng)烈相關(guān)，則增加一個“+”，如蜉蝣目物種缺失點位百分比高于50%比缺失點位高于25%的得分多一個“+”。每一項證據(jù)都包括兩方面論證，綜合2個方面的得分情況確定該項證據(jù)的最終得分。規(guī)定每一項證據(jù)最多得分為“+++”(或“---”)。其中，“+++”或“---”表示強(qiáng)烈支持或不支持；“++”和“--”表示較強(qiáng)地支持或不支持；“+”或“-”表示在一定程度上支持或不支持(表2)。

Spearman相關(guān)性分析在SPSS 19.0軟件中完成。箱體圖和散點圖的繪制分別于Origin 9.0和R 2.11.1中完成，曲線擬合采用局部多項式回歸(LOWESS)。

2 結(jié)果(Results)

2.1電導(dǎo)率對大型底棲動物分布的影響

2.1.1 電導(dǎo)率對蜉蝣目分布的影響

對渾太河流域蜉蝣目物種在低電導(dǎo)率(≤150 μS·cm-1)和高電導(dǎo)率(>750 μS·cm-1)上的出現(xiàn)與否情況進(jìn)行統(tǒng)計。低電導(dǎo)率條件下，88.5%的點位出現(xiàn)了蜉蝣目物種；高電導(dǎo)率條件下，64.3%的點位未出現(xiàn)蜉蝣目物種。電導(dǎo)率升高導(dǎo)致蜉蝣目物種出現(xiàn)頻率下降，反映出電導(dǎo)率對蜉蝣目物種分布存在影響。依據(jù)打分原則，該方面得分“++”。

2.1.2 電導(dǎo)率對敏感物種的影響

對渾太河流域大型底棲動物敏感物種篩選，共篩選出48個敏感種(附表A)。其中蜉蝣目14種，相對豐度為29.2%；毛翅目11種(22.9%)；蜻蜓目和襀翅目均為6種(12.5%)；雙翅目5種(10.4%)；鞘翅目3種(6.2%)；廣翅目、蚌目和三腸目均為1種(2.1%)。將低電導(dǎo)率和高電導(dǎo)率條件下敏感物種的出現(xiàn)情況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)(表4)，47種敏感種在電導(dǎo)率低于150 μS·cm-1時出現(xiàn)了，僅圓頂珠蚌(Unio douglasiae)出現(xiàn)的最小電導(dǎo)率值為198 μS·cm-1。因此，低電導(dǎo)率不是限制敏感種存在的因素。當(dāng)電導(dǎo)率高于750 μS·cm-1時，僅有20種敏感物種出現(xiàn)，41.7%的物種不再出現(xiàn)，說明電導(dǎo)率升高導(dǎo)致敏感物種出現(xiàn)頻率下降。依據(jù)打分原則，該方面得分“++”。

表2 電導(dǎo)率對大型底棲動物的證據(jù)評分原則

表3 電導(dǎo)率對蜉蝣目物種的影響

表4 電導(dǎo)率對敏感物種的物種豐度的影響

依據(jù)以上2個方面的得分結(jié)果，電導(dǎo)率大于750 μS·cm-1，蜉蝣目物種未出現(xiàn)點位的百分比超過50%，獲得一個“+”；高電導(dǎo)率條件下敏感物種消失的百分比高于低電導(dǎo)率條件，獲得一個“+”；2個方面均獨立地證實了電導(dǎo)率對大型底棲動物分布具有影響，獲得一個“+”。該項證據(jù)最終得分“+++”。

2.2 電導(dǎo)率與人為干擾的關(guān)系

電導(dǎo)率與土地利用方式的相關(guān)性分析結(jié)果(圖3)表明，電導(dǎo)率與水域面積、農(nóng)業(yè)用地以及建筑用地呈正相關(guān)，說明這3種土地利用方式比例較高的區(qū)域，電導(dǎo)率較高。電導(dǎo)率與自然用地呈負(fù)相關(guān)，說明自然用地比例較高的區(qū)域，電導(dǎo)率較低。其中，電

導(dǎo)率與自然用地和農(nóng)業(yè)用地的相關(guān)性最強(qiáng)(│r│>0.6)，建筑用地次之(r=0.53)，水域面積最低(r=0.35)。依據(jù)打分原則，該方面得分“+”。

圖3 渾太河流域電導(dǎo)率與土地利用類型的關(guān)系Fig. 3 The relationship between conductivity and land use types in Hun-Tai River basin

表5 渾太河流域離子濃度與土地利用類型的相關(guān)關(guān)系

注：*在置信度為0.05時顯著相關(guān)；**在置信度為0.01時顯著相關(guān)；Hardn表示硬度，ALK表示堿度。

Note: * means significantly correlated when the confidence coefficient <0.05;**means significantly correlated when the confidence coefficient <0.01. Hardn stands for hardness, ALK stands for alkalinity.

圖4 電導(dǎo)率與總物種豐度及蜉蝣目物種豐度的關(guān)系Fig. 4 Relationship of conductivity vs. total species richness and conductivity vs. Ephemeroptera species richness

圖5 刪除點位后電導(dǎo)率與總物種豐度及蜉蝣目物種豐度的關(guān)系Fig. 5 Relationship of conductivity vs. total species richness and conductivity vs. Ephemeroptera speices richness after removing potentially confounding parameters

依據(jù)以上2個方面的得分結(jié)果，土地利用方式對電導(dǎo)率的影響較強(qiáng)(0.25<│r│<0.75)，獲得一個“+”；6個參數(shù)與土地利用方式的相關(guān)性趨勢與電導(dǎo)率相同，從2個不同的方面證實了土地利用方式對電導(dǎo)率的影響，獲得一個“+”。該項證據(jù)最終得分為“++”。

2.3 其他環(huán)境因子對大型底棲動物的影響

對渾太河流域電導(dǎo)率與物種豐度的分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，電導(dǎo)率與總物種豐度和蜉蝣目物種豐度均呈負(fù)相關(guān)，說明隨電導(dǎo)率升高，總物種豐度和蜉蝣目物種豐度呈下降趨勢(圖4)。電導(dǎo)率與總物種豐度和蜉蝣目物種豐度相關(guān)性較強(qiáng)(│r│均大于0.35)。依據(jù)打分原則，該方面得分“+”。

將水溫高于22℃，生境得分低于135，氨氮濃度高于1.0 mg·L-1的點位刪除，重復(fù)進(jìn)行電導(dǎo)率與物種豐度關(guān)系的分析。分析發(fā)現(xiàn)，隨著電導(dǎo)率的升高，總物種豐度和蜉蝣目物種豐度均呈下降趨勢(圖5)，電導(dǎo)率與總物種豐度和蜉蝣目物種豐度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較強(qiáng)(0.25<│r│<0.75)。刪除點位前后，變化趨勢和相關(guān)系數(shù)未見明顯變化。說明水溫、生境得分、氨氮濃度對大型底棲動物物種豐度影響較小。依據(jù)打分原則，該方面得分“+”。

依據(jù)以上2個方面的得分結(jié)果，電導(dǎo)率對大型底棲動物總物種豐度、蜉蝣目物種豐度影響的強(qiáng)度較強(qiáng)(0.25<│r│<0.75)，獲得一個“+”；電導(dǎo)率對大型底棲動物總物種豐度、蜉蝣目物種豐度的影響，在有其他環(huán)境壓力干擾和無其他環(huán)境壓力干擾的影響強(qiáng)度保持一致，證明電導(dǎo)率是影響大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)分布的主導(dǎo)因素，獲得一個“+”。該項證據(jù)最終得分為“+ +”。

3 討論(Discussion)

為了避免數(shù)據(jù)的偏頗和可能出現(xiàn)結(jié)果上的差異，用于推導(dǎo)水質(zhì)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)必須滿足一定的數(shù)量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。無論是何種基準(zhǔn)的制定，可靠確鑿的基準(zhǔn)都需要大量的、高質(zhì)量的生物類群數(shù)據(jù)。同實驗室數(shù)據(jù)基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)的要求一樣，野外數(shù)據(jù)基準(zhǔn)也要依據(jù)“可靠性”的原則評價數(shù)據(jù)的質(zhì)量?？煽啃允侵干镱惾旱蔫b定方法是否嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)鑒定到較高的分類單元。大量是指采集的點位和采集到的大型底棲動物的種類是否足夠制定野外基準(zhǔn)。本研究通過2年多個季度對渾太河流域的調(diào)查采樣，積累較為豐富的野外數(shù)據(jù)，并且依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)的“可靠性”進(jìn)行了篩選，因此本研究結(jié)果可以較為真實地代表野外水生態(tài)系統(tǒng)的實際狀況，并且依據(jù)高質(zhì)量的樣點信息推導(dǎo)出來的結(jié)果也具有較高的可信度。

電導(dǎo)率是導(dǎo)致大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)退化的重要環(huán)境因子。電導(dǎo)率與人為活動息息相關(guān)，通常人為活動對流域的干擾越強(qiáng)，電導(dǎo)率就越高。劉志剛[29]、殷旭旺等[30]對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的研究及本文的研究結(jié)果都證實了這一結(jié)論。同時，電導(dǎo)率是度量水環(huán)境總?cè)芙怆x子量的參數(shù)，能夠為大型底棲動物的生存提供必需的礦物質(zhì)離子[29]。殷旭旺等[30]研究發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率和堿度以及硬度有著極高的正相關(guān)性。這些離子主要通過離子代謝、滲透平衡、細(xì)胞內(nèi)膜間隔作用和能量代謝系統(tǒng)方面對大型底棲動物產(chǎn)生影響[31-33]。不難推測，離子濃度的改變可能是導(dǎo)致大型底棲動物群落退化的根本原因。

土地利用方式是導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的主要原因。有研究表明，電導(dǎo)率與農(nóng)業(yè)用地、建筑用地和自然用地有關(guān)[34]，本文的研究結(jié)果證實了這一結(jié)論。城鎮(zhèn)化發(fā)展是導(dǎo)致土地利用方式比例改變的重要因素。渾太河流域，農(nóng)業(yè)用地和建筑用地所占的比例較大，農(nóng)業(yè)用地對河流的影響主要是破壞了河流緩沖帶棲息地，同時增加了化肥和農(nóng)藥向河流的輸入，從而導(dǎo)致了河流水質(zhì)電導(dǎo)率的大幅度增加[35]。相比農(nóng)田，建筑用地對河流的污染主要來源于工業(yè)廢水和生活污水的排放，這些污水隨地表徑流進(jìn)入河流[35]。這可能是造成渾太河流域電導(dǎo)率升高的主要原因。

依據(jù)野外數(shù)據(jù)制定大型底棲動物電導(dǎo)率水質(zhì)基準(zhǔn)具有可行性。美國環(huán)境保護(hù)局以標(biāo)準(zhǔn)方法學(xué)為理論基礎(chǔ)，首先驗證電導(dǎo)率是否會對大型底棲動物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，因為只有驗證出電導(dǎo)率是毒性環(huán)境因子，才能計算每個物種的毒性數(shù)據(jù)。本文研究結(jié)果證實了電導(dǎo)率是毒性環(huán)境因子，因此，渾太河流域具備了制定電導(dǎo)率基準(zhǔn)的前提條件。電導(dǎo)率基準(zhǔn)的制定與國外相比主要在2個方面存在差距。其一，沒有成熟地建立大型底棲動物電導(dǎo)率基準(zhǔn)的技術(shù)體系。在我國，多見電導(dǎo)率對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)影響的研究[25,29,36-37]。由于電導(dǎo)率組成成分復(fù)雜，無法通過實驗過程進(jìn)行模擬，至今尚未見電導(dǎo)率實驗室毒性數(shù)據(jù)的相關(guān)報道，從美國電導(dǎo)率基準(zhǔn)文件[21]中也無法查閱到適合渾太河流域本地種的急、慢性毒性數(shù)據(jù)，我國在電導(dǎo)率基準(zhǔn)的制定上仍處于空白階段。因此，只能借鑒美國環(huán)境保護(hù)局的方法學(xué)，依據(jù)渾太河流域大型底棲動物的分布情況，利用權(quán)重累計分布方程(weighted cumulative distribution function, CDF)計算每個物種的毒性數(shù)據(jù)(XC95，表征某一物種有95%出現(xiàn)時所對應(yīng)的電導(dǎo)率值)，通過繪制物種敏感度分布曲線(sensitive species distribution, SSD)推算出5%的大型底棲動物受脅迫時水體的電導(dǎo)率濃度(HC5)[10,21]。其二，渾太河流域能夠用于制定電導(dǎo)率基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)量小。研究表明，物種出現(xiàn)的頻次，季節(jié)等因素會對電導(dǎo)率基準(zhǔn)的制定產(chǎn)生影響[21]。渾太河流域符合條件的點位數(shù)(266個)約為美國(2 210個)的1/10，符合條件的物種數(shù)(渾太河流域57種)約為美國用于制定電導(dǎo)率基準(zhǔn)物種數(shù)(163種)的1/3。美國環(huán)境保護(hù)局每個月均對研究區(qū)域進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，而對渾太河流域的野外采集工作僅在豐水期進(jìn)行。因此，小數(shù)據(jù)量可能導(dǎo)致電導(dǎo)率基準(zhǔn)值產(chǎn)生偏差。

綜上所述，電導(dǎo)率是造成渾太河流域大型底棲動物群落退化的主要毒性環(huán)境因子；導(dǎo)致電導(dǎo)率濃度升高進(jìn)而對大型底棲動物產(chǎn)生毒害作用的因素是高比例的農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地；其他環(huán)境因子不會對電導(dǎo)率基準(zhǔn)值的推導(dǎo)過程產(chǎn)生影響；美國環(huán)境保護(hù)局推行的基于野外數(shù)據(jù)制定大型底棲動物電導(dǎo)率基準(zhǔn)的方法在我國是可行的。

致謝：感謝中國環(huán)境科學(xué)研究院渠曉東等人在大型底棲動物的采集以及理化數(shù)據(jù)的測定中的幫助。

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Exploring the Feasibility of Establishing Conductivity Criteria for Macroinvertebrate Based on the Field Investigations

Zhang Yuan1,2, Ding Sen1,2,*, Zhao Qian3, Gao Xin1,2, Zhao Rui1,2, Meng Wei1

1. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2. Laboratory of Riverine Ecological Conservation and Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3. College of Environmental Sciences, Liaoning University, Shenyang 110036, China

31 May 2014 accepted 22 August 2014

Establishing the criteria of water quality is the basis for protecting aquatic organisms and ecosystem. The level of conductivity is determined by the concentration of ions dissolved in the water. Several studies have shown that conductivity affects the survival of aquatic organisms and stability of macroinvertebrate community. Due to the complexity of composition of dissolved ions, it is difficult to establish the conductivity criteria for aquatic organisms on the basis of experimental data. In the present work, we used the methods from US EPA to establish the conductivity criteria based on the field data. Moreover, we utilized epidemiology scoring method to explore the feasibility whether setting the relevant conductivity criteria is feasible in China. Three research contents were conducted to test the feasibility, including (1) Are macroinvertebrate sensitive species affected strongly by conductivity, (2) Does the anthropogenic disturbance impose toxicity effect on aquatic ecosystem through conductivity and (3) Do some other environmental factors affect the accuracy of setting the criteria? The study area is located in northeast China which consists of two different rivers, namely Hun River and Taizi River. The field data were collected during August 2009 to May 2010. The results showed that conductivity decreased the occurrence frequency of sensitive species significantly. The ratio of agriculture and urban land use increased the conductivity level by analyzing the correlation between landuse and conductivity. Conductivity was the main reason for dying out of sensitive species by analyzing the effects of other environmental factors which may cause the same influence. In summary, establishing conductivity criteria based on field data is feasible, and moreover, some new ideas and methods should be applied for the future studies in relation to the water criteria.

conductivity; marcoinvertebrate; criteria; method of weighting; field data

◆

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-001-04)；國家自然科學(xué)基金(41401066)

張遠(yuǎn)(1970-)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為河流生態(tài)學(xué)、流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)，zhangyuan@craes.org.cn；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: yanzg@craes.org.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140531002

2014-05-31 錄用日期：2014-08-22

1673-5897(2015)1-204-11

X171.5

A

丁森(1982-)，男，助理研究員，博士，主要從事河流生態(tài)學(xué)、流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)方向研究。

張遠(yuǎn), 丁森, 趙茜, 等. 基于野外數(shù)據(jù)建立大型底棲動物電導(dǎo)率水質(zhì)基準(zhǔn)的可行性探討[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報, 2015, 10(1): 204-214

Zhang Y, Ding S, Zhao Q, et al. Exploring the feasibility of establishing conductivity criteria for macroinvertebrate based on the field investigations [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(1): 204-214(in Chinese)