基于野外数据建立大型底栖动物电导率水质基准的可行性探讨

张远，丁森,*，赵茜，高欣，赵瑞，孟伟

1. 中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012 2. 中国环境科学研究院 流域水生态保护技术研究室，北京 100012 3. 辽宁大学 环境学院，沈阳 110036

基于野外数据建立大型底栖动物电导率水质基准的可行性探讨

张远1,2，丁森1,2,*，赵茜3，高欣1,2，赵瑞1,2，孟伟1

1. 中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012 2. 中国环境科学研究院 流域水生态保护技术研究室，北京 100012 3. 辽宁大学 环境学院，沈阳 110036

科学合理地设定水质基准是水生生物保护和水生态系统恢复的基础。水体电导率数值的高低由溶解于其中的各种阴阳离子的浓度所决定，而较多的研究也证明电导率能够显著地影响水生生物类群，特别是大型底栖动物物种存活和群落结构的稳定性。离子组成的复杂性，导致无法开展基于室内实验的水生生物电导率基准值的推导。本文借鉴美国环境保护局基于野外调查数据建立电导率基准值的方法，采用流行病学打分方法，分别从电导率是否对大型底栖动物敏感物种存在毒性效应、人为干扰的增强是否会通过电导率产生毒性作用，以及其他环境因子是否对电导率基准值的制定产生影响3个方面，探讨了基于野外数据建立我国电导率基准的可行性。研究区域为辽河流域的浑河及太子河，野外调查数据采集于2009年8月至2010年5月。研究结果表明，电导率的升高显著降低了大型底栖动物敏感物种的出现频率。通过分析研究区域土地利用方式同电导率之间的相关性，证明了农业和城镇建设用地比例的增加显著地增加了水体中电导率的数值。对有可能引起物种消失的其他环境因子进行分析，结果表明电导率是引起大型底栖动物消失的主要原因。综合以上结果，基于野外调查数据来建立大型底栖动物电导率基准值是可行的，为我国水质基准的研究提供了新的思路和方法。

电导率；大型底栖动物；基准；权重法；野外数据

我国的水质标准是在水质基准的基础上建立的[1]，是流域水质管理和环境保护的重要依据[2]。我国《环境保护法》(修订版)新规定鼓励开展环境基准研究，建立具有我国特色的水环境基准技术体系[3]。目前国际上很多污染物基准研究主要是依靠实验室数据推导[4-6]，但是有些污染物的影响却无法在实验室中通过试验模拟[7-9]，某些生态学过程(如捕食、洄游等)也无法在实验室中模拟实现[7,10]。国际对生物学基准的研究基本都以小型水生生物为研究对象，而个体较大、濒危的物种很难被接受作为受试生物[4,7]。此外，在开展基准研究前，对水生态系统中所有物种进行敏感性测试也不具有可行性[11]。基于野外数据的基准研究可以解决上述难题，该理念已被欧盟水框架指令所接收，并被美国环境保护局(US EPA)科学咨询理事会所推荐。US EPA建立了一整套基于野外数据制定基准的分析方法[7,10,12-13]，包括3个步骤：首先是毒性环境因子的选择与验证，其次是数据收集与分析计算，最后是绘制物种敏感度分布曲线。其中毒性环境因子的选择与验证是一个重要环节，这也是基于野外数据基准研究的基础。US EPA将这套技术方法应用在大型底栖动物电导率基准的研究中。大型底栖动物营定居生活，对干扰较为敏感，常被作为毒性研究的受试生物[14-17]。电导率是一种在野外容易获取并准确测量的河流水质参数，反映水中的总离子浓度且较难在实验室条件下模拟。

浑太河全流域流经多个工业城市，包括抚顺、沈阳、辽阳、本溪和鞍山市等，同时浑太河还是辽宁省重要的农业生产区，工农业较为发达。基于浑太河流域自然特征和河道物理形态等特征，将全流域划分为3个二级生态功能区，分别为山地区、丘陵区和平原区。本文选取我国北方重点流域——辽河流域的浑太河为研究区域，以大型底栖动物为对象，就为何选取电导率作为制定水质基准的毒性环境因子进行论证，为今后我国开展基于野外数据制定水质基准的研究提供借鉴，也为我国地方性电导率水生生物基准的制定提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区域概况

浑太河流域由浑河、太子河2条独立水系构成，地处东经122°05′～125°17′，北纬40°40′～42°10′之间，流域面积2.54×104km2，多年平均水资源总量6.9×109m3，水资源开发利用程度91%，是辽宁省的主要河流之一。浑河流域面积为12 216 km2，全长415.4 km，受大陆季风气候影响，年径流量为3.05×109m3，多年平均降水量为718.3 mm；太子河流域面积为13 883 km2，全长413 km，属大陆性季风气候，全年平均降水量655～954 mm。浑河和太子河在三岔河汇入大辽河。

1.2 数据获取

1.2.1 调查样点设置

于2009年8月至2010年5月间，在浑太河流域设置132个常规调查样点和167个加密调查样点，共计289个样点(图1)。

图1 浑太河流域采样图Fig. 1 Sampling sites in the Hun-Tai River basin

1.2.2 大型底栖动物采集

对于可涉水的河流，设置100 m为调查范围，使用索伯网(30 cm×30 cm；网筛60目，孔径为0.3 mm)在不同生境类型(急流区、缓流区、静水区)进行采集，共采集3个平行样品。对于不可涉水的河流，分别于左岸、河流中央和右岸用开口面积为1/16 m2的改良型彼得森采泥器采集3个平行样品，采集的底泥用450 μm的尼龙网过滤清洗，在野外利用人工挑拣的方法将底栖动物样品转入100 mL的样品瓶中，

并加体积分数为75%的酒精保存。在实验室采用解剖镜和显微镜对底栖动物进行分类鉴定并计数，样品尽量鉴定到最低分类单元。

1.2.3 环境因子调查

生境质量调查评价参照郑丙辉等[18]方法，选取10个评价指标(底质状况、栖境复杂性、流速与水深结合、河岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸边土壤利用类型)，每项20分，总分200分，共计4个得分等级(健康16～20、较好11～15、一般6～10、较差0～5)。

1.2.4 土地利用数据解译

利用分辨率为25 m×25 m的Landsat5 TM遥感影像图为数据源，通过ARC/NPO 7.1软件平台生成具有拓扑关系的土地利用空间数据库，并用ArcView3.2软件输出空间数据库数据。土地利用类型包括林草地、农业用地、城镇用地、河流、湖泊、滩地、沼泽、水库、鱼塘等9类，结合野外实地踏查，形成最终解译结果。

1.3 数据分析

1.3.1 删除调查点位的原则

为提高数据分析质量，删除不适于分析的点位(表1)。未获取电导率数据的点位和大型底栖动物未鉴定到属或种的点位应删除；大型底栖动物适应在偏碱性环境条件生存，过酸性或过碱性条件的点位应删除[19]；Cl-浓度过高会改变大型底栖动物渗透调节模式进而影响其生存[20]，Cl-浓度过高的点位应删除。

表1 点位删除的标准

1.3.2 电导率论证分析

在基于野外数据制定水生生物的毒性环境因子基准时，US EPA要求对选择的毒性环境因子进行论证。只有证明了毒性环境因子对水生生物存在影响、且其大小是人类干扰的结果，其他环境因子的综合效应对水生生物影响很小时，才能选择该毒性环境因子进行基准研究[21]。为了证明浑太河流域适合开展电导率基准的研究，本文从三方面进行论证：

第一，通过研究电导率和大型底栖动物群落之间的关系，证明电导率对物种的存活存在毒性效应。通过对浑太河流域所有样点电导率数值的分布研究，分别设定一个低电导率值和一个高电导率值，分析电导率处于2个设定值之外的样点上敏感性物种的分布情况[21]。结合浑太河流域电导率监测结果(图2)，将浑太河流域低电导率值设为150 μS·cm-1，高电导率值设为750 μS·cm-1。大多数蜉蝣目物种对电导率敏感，故将蜉蝣目物种作为一个类群，对其出现与否情况进行分析[12]。此外，结合每个物种的耐污值[22]，按照耐污值对大型底栖动物分类的方法，将耐污值小于等于3的物种视作敏感种[23]。分析其随电导率升高的分布情况。

第二，电导率浓度的升高导致大型底栖动物群落结构退化，为了分析导致电导率升高的原因，将土地利用方式作为人类综合干扰压力，研究土地利用方式与电导率，以及组成电导率的主要离子的关系，论证电导率升高是否与土地利用方式有关。

图2 浑太河流域电导率分布箱线图Fig. 2 Box plot showing the conductivity distribution in the Hun-Tai River basin

第三，环境要素可能会对电导率基准的制定产生影响，前人研究发现高水温、高氨氮浓度、多样性低的生境会对大型底栖动物的分布产生影响[24-26]。为了排除以上环境要素对大型底栖动物的综合影响，依据美国环境保护局的研究结果[21]和我国为保护水生生物而设定的地表水三类水标准中的氨氮浓度[27]，将同时满足水温高于22℃，氨氮浓度大于1.0 mg·L-1，生境得分低于135分的点位删除，分析这些样点删除前后大型底栖动物总物种丰度和蜉蝣目物种丰度的变化。

1.3.3 证据评分原则

依据流行病学的权重打分法[28]对以上3种证据进行打分。“+”表示支持电导率作为一种影响因素，“-”表示不支持电导率作为一种影响因素，“0”表示电导率对大型底栖动物无影响。如果一项证据与电导率的升高强烈相关，则增加一个“+”，如蜉蝣目物种缺失点位百分比高于50%比缺失点位高于25%的得分多一个“+”。每一项证据都包括两方面论证，综合2个方面的得分情况确定该项证据的最终得分。规定每一项证据最多得分为“+++”(或“---”)。其中，“+++”或“---”表示强烈支持或不支持；“++”和“--”表示较强地支持或不支持；“+”或“-”表示在一定程度上支持或不支持(表2)。

Spearman相关性分析在SPSS 19.0软件中完成。箱体图和散点图的绘制分别于Origin 9.0和R 2.11.1中完成，曲线拟合采用局部多项式回归(LOWESS)。

2 结果(Results)

2.1电导率对大型底栖动物分布的影响

2.1.1 电导率对蜉蝣目分布的影响

对浑太河流域蜉蝣目物种在低电导率(≤150 μS·cm-1)和高电导率(>750 μS·cm-1)上的出现与否情况进行统计。低电导率条件下，88.5%的点位出现了蜉蝣目物种；高电导率条件下，64.3%的点位未出现蜉蝣目物种。电导率升高导致蜉蝣目物种出现频率下降，反映出电导率对蜉蝣目物种分布存在影响。依据打分原则，该方面得分“++”。

2.1.2 电导率对敏感物种的影响

对浑太河流域大型底栖动物敏感物种筛选，共筛选出48个敏感种(附表A)。其中蜉蝣目14种，相对丰度为29.2%；毛翅目11种(22.9%)；蜻蜓目和襀翅目均为6种(12.5%)；双翅目5种(10.4%)；鞘翅目3种(6.2%)；广翅目、蚌目和三肠目均为1种(2.1%)。将低电导率和高电导率条件下敏感物种的出现情况进行对比发现(表4)，47种敏感种在电导率低于150 μS·cm-1时出现了，仅圆顶珠蚌(Unio douglasiae)出现的最小电导率值为198 μS·cm-1。因此，低电导率不是限制敏感种存在的因素。当电导率高于750 μS·cm-1时，仅有20种敏感物种出现，41.7%的物种不再出现，说明电导率升高导致敏感物种出现频率下降。依据打分原则，该方面得分“++”。

表2 电导率对大型底栖动物的证据评分原则

表3 电导率对蜉蝣目物种的影响

表4 电导率对敏感物种的物种丰度的影响

依据以上2个方面的得分结果，电导率大于750 μS·cm-1，蜉蝣目物种未出现点位的百分比超过50%，获得一个“+”；高电导率条件下敏感物种消失的百分比高于低电导率条件，获得一个“+”；2个方面均独立地证实了电导率对大型底栖动物分布具有影响，获得一个“+”。该项证据最终得分“+++”。

2.2 电导率与人为干扰的关系

电导率与土地利用方式的相关性分析结果(图3)表明，电导率与水域面积、农业用地以及建筑用地呈正相关，说明这3种土地利用方式比例较高的区域，电导率较高。电导率与自然用地呈负相关，说明自然用地比例较高的区域，电导率较低。其中，电

导率与自然用地和农业用地的相关性最强(│r│>0.6)，建筑用地次之(r=0.53)，水域面积最低(r=0.35)。依据打分原则，该方面得分“+”。

图3 浑太河流域电导率与土地利用类型的关系Fig. 3 The relationship between conductivity and land use types in Hun-Tai River basin

表5 浑太河流域离子浓度与土地利用类型的相关关系

注：*在置信度为0.05时显著相关；**在置信度为0.01时显著相关；Hardn表示硬度，ALK表示碱度。

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.

图4 电导率与总物种丰度及蜉蝣目物种丰度的关系Fig. 4 Relationship of conductivity vs. total species richness and conductivity vs. Ephemeroptera species richness

图5 删除点位后电导率与总物种丰度及蜉蝣目物种丰度的关系Fig. 5 Relationship of conductivity vs. total species richness and conductivity vs. Ephemeroptera speices richness after removing potentially confounding parameters

依据以上2个方面的得分结果，土地利用方式对电导率的影响较强(0.25<│r│<0.75)，获得一个“+”；6个参数与土地利用方式的相关性趋势与电导率相同，从2个不同的方面证实了土地利用方式对电导率的影响，获得一个“+”。该项证据最终得分为“++”。

2.3 其他环境因子对大型底栖动物的影响

对浑太河流域电导率与物种丰度的分析发现(图4)，电导率与总物种丰度和蜉蝣目物种丰度均呈负相关，说明随电导率升高，总物种丰度和蜉蝣目物种丰度呈下降趋势(图4)。电导率与总物种丰度和蜉蝣目物种丰度相关性较强(│r│均大于0.35)。依据打分原则，该方面得分“+”。

将水温高于22℃，生境得分低于135，氨氮浓度高于1.0 mg·L-1的点位删除，重复进行电导率与物种丰度关系的分析。分析发现，随着电导率的升高，总物种丰度和蜉蝣目物种丰度均呈下降趋势(图5)，电导率与总物种丰度和蜉蝣目物种丰度呈负相关，相关性较强(0.25<│r│<0.75)。删除点位前后，变化趋势和相关系数未见明显变化。说明水温、生境得分、氨氮浓度对大型底栖动物物种丰度影响较小。依据打分原则，该方面得分“+”。

依据以上2个方面的得分结果，电导率对大型底栖动物总物种丰度、蜉蝣目物种丰度影响的强度较强(0.25<│r│<0.75)，获得一个“+”；电导率对大型底栖动物总物种丰度、蜉蝣目物种丰度的影响，在有其他环境压力干扰和无其他环境压力干扰的影响强度保持一致，证明电导率是影响大型底栖动物群落结构分布的主导因素，获得一个“+”。该项证据最终得分为“+ +”。

3 讨论(Discussion)

为了避免数据的偏颇和可能出现结果上的差异，用于推导水质基准的数据必须满足一定的数量和质量标准。无论是何种基准的制定，可靠确凿的基准都需要大量的、高质量的生物类群数据。同实验室数据基准对数据的要求一样，野外数据基准也要依据“可靠性”的原则评价数据的质量。可靠性是指生物类群的鉴定方法是否严格按照标准鉴定到较高的分类单元。大量是指采集的点位和采集到的大型底栖动物的种类是否足够制定野外基准。本研究通过2年多个季度对浑太河流域的调查采样，积累较为丰富的野外数据，并且依据相关标准对数据的“可靠性”进行了筛选，因此本研究结果可以较为真实地代表野外水生态系统的实际状况，并且依据高质量的样点信息推导出来的结果也具有较高的可信度。

电导率是导致大型底栖动物群落结构退化的重要环境因子。电导率与人为活动息息相关，通常人为活动对流域的干扰越强，电导率就越高。刘志刚[29]、殷旭旺等[30]对大型底栖动物群落结构的研究及本文的研究结果都证实了这一结论。同时，电导率是度量水环境总溶解离子量的参数，能够为大型底栖动物的生存提供必需的矿物质离子[29]。殷旭旺等[30]研究发现，电导率和碱度以及硬度有着极高的正相关性。这些离子主要通过离子代谢、渗透平衡、细胞内膜间隔作用和能量代谢系统方面对大型底栖动物产生影响[31-33]。不难推测，离子浓度的改变可能是导致大型底栖动物群落退化的根本原因。

土地利用方式是导致电导率升高的主要原因。有研究表明，电导率与农业用地、建筑用地和自然用地有关[34]，本文的研究结果证实了这一结论。城镇化发展是导致土地利用方式比例改变的重要因素。浑太河流域，农业用地和建筑用地所占的比例较大，农业用地对河流的影响主要是破坏了河流缓冲带栖息地，同时增加了化肥和农药向河流的输入，从而导致了河流水质电导率的大幅度增加[35]。相比农田，建筑用地对河流的污染主要来源于工业废水和生活污水的排放，这些污水随地表径流进入河流[35]。这可能是造成浑太河流域电导率升高的主要原因。

依据野外数据制定大型底栖动物电导率水质基准具有可行性。美国环境保护局以标准方法学为理论基础，首先验证电导率是否会对大型底栖动物产生毒性效应，因为只有验证出电导率是毒性环境因子，才能计算每个物种的毒性数据。本文研究结果证实了电导率是毒性环境因子，因此，浑太河流域具备了制定电导率基准的前提条件。电导率基准的制定与国外相比主要在2个方面存在差距。其一，没有成熟地建立大型底栖动物电导率基准的技术体系。在我国，多见电导率对大型底栖动物群落结构影响的研究[25,29,36-37]。由于电导率组成成分复杂，无法通过实验过程进行模拟，至今尚未见电导率实验室毒性数据的相关报道，从美国电导率基准文件[21]中也无法查阅到适合浑太河流域本地种的急、慢性毒性数据，我国在电导率基准的制定上仍处于空白阶段。因此，只能借鉴美国环境保护局的方法学，依据浑太河流域大型底栖动物的分布情况，利用权重累计分布方程(weighted cumulative distribution function, CDF)计算每个物种的毒性数据(XC95，表征某一物种有95%出现时所对应的电导率值)，通过绘制物种敏感度分布曲线(sensitive species distribution, SSD)推算出5%的大型底栖动物受胁迫时水体的电导率浓度(HC5)[10,21]。其二，浑太河流域能够用于制定电导率基准的数据量小。研究表明，物种出现的频次，季节等因素会对电导率基准的制定产生影响[21]。浑太河流域符合条件的点位数(266个)约为美国(2 210个)的1/10，符合条件的物种数(浑太河流域57种)约为美国用于制定电导率基准物种数(163种)的1/3。美国环境保护局每个月均对研究区域进行野外数据采集，而对浑太河流域的野外采集工作仅在丰水期进行。因此，小数据量可能导致电导率基准值产生偏差。

综上所述，电导率是造成浑太河流域大型底栖动物群落退化的主要毒性环境因子；导致电导率浓度升高进而对大型底栖动物产生毒害作用的因素是高比例的农田和城镇用地；其他环境因子不会对电导率基准值的推导过程产生影响；美国环境保护局推行的基于野外数据制定大型底栖动物电导率基准的方法在我国是可行的。

致谢：感谢中国环境科学研究院渠晓东等人在大型底栖动物的采集以及理化数据的测定中的帮助。

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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

◆

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07501-001-04)；国家自然科学基金(41401066)

张远(1970-)，男，研究员，博士生导师，研究方向为河流生态学、流域水生态保护技术，zhangyuan@craes.org.cn；

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

10.7524/AJE.1673-5897.20140531002

2014-05-31 录用日期：2014-08-22

1673-5897(2015)1-204-11

X171.5

A

丁森(1982-)，男，助理研究员，博士，主要从事河流生态学、流域水生态保护技术方向研究。

张远, 丁森, 赵茜, 等. 基于野外数据建立大型底栖动物电导率水质基准的可行性探讨[J]. 生态毒理学报, 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)