基于浮游生物群落的变化建立水环境生态学基准值——方法学与案例研究

摘要

随着我国对环境管理的不断深化，我国水污染控制由浓度控制和目标总量控制向着容量总量控制的方向转变，由化学污染控制向水生态环境管理的方向转变。在该过程中，水生态学标准的科学性、可行性、合理性和可操作性成为了水生态环境管理能否成功实施的关键要素之一。生态学基准不仅是制定其标准的理论基础，还能为生态环境保护的管理决策提供数据支撑，找出其它水质基准评价分析可能忽视的潜在问题。因此尽快开展我国水环境生态学基准理论方法的研究是提高我国环境标准体系的科技水平、促进我国环境管理战略目标的实现和提升我国环境科技国际声誉的重要需求。
　　 本文参考美国环境保护局的生物学基准和营养物基准计算方法，基于浮游生物群落的变化，建立河流与湖泊两种流域类型的生态学基准技术体系。并采用了本课题组前期实验数据、太湖和辽河流域的3次野外调研数据（2009年和2010年）以及历史资料，以浮游生物群落（组成、生物密度和多样性指数）、营养物（总氮和氨氮）、叶绿素a、重金属（Cr、Cd、Cu、Pb和Zn）、溶解氧为基准指标，采用双值基准法、综合指数法和频数分布法三种方法来研究两种流域类型（湖泊与河流）在生态学基准值计算过程和结果中的差异，用实例验证该技术框架的可行性。
　　 本文主要研究结论如下:
　　 一、通过双值基准法、综合指数法和频数分布法均可以计算出生态学基准值。但是双值基准法与综合指数法和频数分布法相比较，只能计算出有毒性效应的污染物的生态学基准值，不适宜作为计算生态学基准值的方法。
　　 二、流域生态学基准的技术框架主要包括5个部分:流域水环境生态学基准指标变量的调查;流域生态环境参照状态的选择方法与技术;基于浮游生物生态完整性基准主要指标与应用;生态学基准值的推导方法;RTAG专家验证。框架的核心内容是生态学基准值的推导方法。通过太湖与辽河的实际案例研究，验证了流域生态学基准的技术框架的可行性。
　　 三、野外采样数据表明，太湖的四个湖区中，梅梁湾的浮游生物物种数量最多，生物密度的波动也是最大的，水质也最差，而湖东滨岸区的水质较好。在辽河流域内，浮游生物物种数量和生物密度在空间分布格局上，从上游到下游呈现先增加后减少的趋势。其中浑河水质最好，大辽河的水质最差。
　　 四、采用综合指数法计算出生态学基准值如下:太湖流域夏、冬季的生态完整性指数基准值分别为94.7和86.7，辽河流域夏、冬季的生态完整性指数基准值分别为100和96.4，太湖叶绿素a的生态学基准值为4.90μg/L，太湖流域的总氮和氨氮的生态学基准值分别为2.21和1.43mg/L，太湖表层水的溶解氧生态学基准值为10.09mg/L，太湖浮游植物多样性指数H的生态学基准值为2.72，太湖浮游动物多样性指数H的生态学基准值为3.44，太湖浮游植物多样性指数D的生态学基准值为2.21，辽河浮游植物多样性指数D的生态学基准值为2.03。
　　 五、采用频数分布法计算出生态学基准值如下:太湖浮游动物D的生态学基准值为7.70，辽河浮游动物D的生态学基准值为7.02，太湖浮游动物H的生态学基准值为3.86，辽河浮游动物H的生态学基准值为3.41，太湖浮游植物D的生态学基准值为2.03，辽河浮游植物D的生态学基准值为2.08，太湖浮游植物H的生态学基准值为2.77，辽河浮游植物H的生态学基准值为3.65，太湖流域氨氮的生态基准值为1.50mg/L，辽河流域的氨氮的生态学基准值为1.03mg/L，太湖总氮的生态基准值为1.83mg/L，太湖流域叶绿素a的生态学基准值为5.87μg/L，太湖流域溶解氧的生态学基准值为10.09mg/L，辽河流域溶解氧的生态学基准值为8.40mg/L。
　　 六、将综合指数法和频数分布所计算出来的生态学基准值与国内外基准标准进行分析比较，大部分基准指标的生态学基准值都是合理的。由于稀有物种的影响，太湖和辽河浮游植物D的生态学基准值偏小;由于采样数据主要来源于太湖和辽河的表层，所以两个流域的溶解氧生态学基准值均偏大。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 水质基准概况

1．1 水质基准与水质标准

1．2 水质基准的分类

1．3 水质基准发展大事件

第二节 水质基准建立的常用方法

2．1 安全系数法

2．2 物种敏感度分布法

2．3 生态毒理模型法

2．4 毒性百分数排序法

2．5 参照状态法

2．6 五种方法的优缺点

第三节 研究背景与意义

第四节 研究目的与内容

4．1 研究目的

4．2 研究内容

第五节 技术路线

第二章 双值基准法

第一节 目的

第二节 研究方法

2．1 最终急性值的制定方法

第三节 结果

3．1 毒性效应值标准化和水质因子标准化

3．2 混合毒性效应斜率、SMAV

3．3 GMAV

3．4 FAV

3．5 CMC和CCC

第四节 讨论

4．1 国内外Cr6+基准、标准比较

4．2 Cr6+与pH值、温度的关系

4．3 双值基准法计算生态学基准值的可行性

第五节 小结

第三章 构建流域生态学基准的技术框架

第一节 目的

第二节 基于浮游生物群落建立流域生态学基准技术框架

第三节 流域水环境生态学基准变量指标调查方法

3．1 流域水环境生物学基准变量指标调查方法

3．2 流域水环境物理、化学指标调查方法

3．3 流域水环境生态学基准制定的质量保证体系

第四节 流域生态环境参照状态选择方法与技术

4．1 流域生境分类方法

4．2 流域水环境参照状态的选择方法

4．3 河流的分类与参照状态的选择方法

4．4 湖泊的分类与参照状态的选择方法

第五节 流域水生态学基准的主要指标

5．1 流域水环境生态学基准变量指标的确定原则

5．2 流域水环境生态学基准变量指标

第六节 生态学基准值的推导方法

6．1 综合指数法(Multimeric Indexes)

6．2 频数分布法(Frequency Distribution)

第七节 RTAG专家验证

第四章 流域生态学基准的研究区域调查与评价

第一节 目的

第二节 研究区域的选择及其特点

2．1 太湖流域特点

2．2 辽河流域特点

第三节 研究区域采样点的分布

3．1 太湖流域采样点的分布

3．2 辽河流域采样点的分布

第四节 流域水环境生态学基准指标数据的调查

4．1 浮游生物的采集与检测

4．2 理化指标监测数据来源

4．3 浮游生物群落组成

4．4 浮游生物多样性指数分布特点

第五节 小结

第五章 生态学基准值的建立——综合指数法

第一节 目的

第二节 研究方法

第三节 确定生态学基准指标

第四节 确定流域水环境生态学参照点

4．1 太湖流域参照点的选择

4．2 辽河流域参照点的选择

第五节 太湖流域生态完整性指数基准值的确定

5．1 参照点生态学基准指标箱线图的绘制

5．2 计算夏冬两季的生态完整性指数的基准值

第六节 辽河流域生态完整性指数基准值的确定

6．1 参照点生态学基准指标箱线图的绘制

6．2 夏、冬季的生态完整性指数的基准值

第七节 生态完整性指数的标准化

第八节 生态完整性指数的外推

8．1 浮游生物多样性指数H、D

8．2 叶绿素a

8．3 溶解氧(表层水)

8．4 氨氮和总氮

第九节 讨论

9．1 参照点的选择

9．2 水生态学基准值的评价应用

第十节 小结

第六章 生态学基准值的建立——频数分布法

第一节 目的

第二节 研究方法

2．1 概念辨析——频率、频数、频数分布

2．2 频数分布法

第三节 结果

3．1 全流域频数分布

3．2 参照点的频数分布

3．3 生态学基准值的确定

第四节 讨论

4．1 参照状态的确定

4．2 与国内外基准、标准比较

4．3 三种生态学基准值计算方法的比较

第五节 小结

第七章 结论、创新点、建议与展望

第一节 结论

第二节 创新点

第三节 建议与展望

参考文献

致谢

附录：相关术语解释

个人简历、在学期间发表的学术论文和科研成果