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国内外河流底栖动物采样方法的优缺点探讨

来源:原创论文网 添加时间:2019-04-30

  摘    要: 大型底栖无脊椎动物常用于河流生态监测与评估, 目前, 国内尚无完善的涉水不可过河流大型底栖无脊椎动物采样方法。详细地介绍了国内外常用的涉水不可过河流大型底栖无脊椎动物采样方法, 包括USEPA-EMAP、AQEM、USEPA-CABNSR、USEPA-NRSA、《水环境监测规范》 (SL219-2013) 和《生物多样性观测技术导则淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ710.8-2014) , 分析了这些方法的优缺点及可行性。建议确立基于改进的USEPA-CABNSR采样方法作为我国涉水不可过河流大型底栖无脊椎动物采样方法的参考。

  关键词: 涉水不可过河流; 大型底栖无脊椎动物; 采样方法;

  河流系统具有泄洪、输沙、供水、自净、航运、发电和景观等多种功能, 同时, 作为重要的生态系统类型, 也具有调节气候、改善生态环境和维护生物多样性等多种功能, 对人类社会的存在与发展至关重要;随着现代社会的不断发展, 水资源利用强度和污染物排放强度不断变大, 河流生态系统的健康受到了严重威胁;维护河流生态系统的健康已经成为众多学者的共识和河流管理的重要目标。

  河流生态监测与评估是河流管理的基础, 对维护河流生态系统的健康有着重要意义。大型底栖无脊椎动物 (下文简称为底栖动物) 是指不能通过500μ m孔径网筛的无脊椎动物, 是河流生态系统中最重要的定居动物代表类群之一, 通过摄食、掘穴和建管等扰动活动直接或者间接地影响着河流生态系统的物质分解、能量流动和营养循环;底栖动物种类丰富, 大多数有相对较长的生活史和较固定的生活场所, 对化学污染和物理变化有较广泛的耐受性, 能够综合反映河流质量的长期变化;因此, 底栖动物常作为河流生态监测的指示物种, 并被广泛地应用于河流生态评估。

国内外河流底栖动物采样方法的优缺点探讨

  作为获取河流生态基础数据的必要手段, 国外已有较为系统的河流底栖动物采样方法, 目前, 国内尚无完善的涉水不可过河流底栖动物采样方法, 仅有少数行业标准与手册涉及, 存在内容简单和采样方法模糊等问题, 不能满足河流生态监测与评估的工作要求。本文对比分析了国内外常用的河流底栖动物采样方法的优缺点及用于我国涉水不可过河流的可行性, 建议确立基于改进的USEPA-CABNSR采样方法作为我国涉水不可过河流底栖动物采样方法的参考。

  1、 河流底栖动物采样方法要素

  采用标准的底栖动物采样方法的目的是获得有代表性的样品。采样河段长度、采样位置、采样工具和采样面积的综合考虑能够得到较合理、有效的采样方法。

  1.1、 采样河段长度

  采样河段长度主要有固定长度法和可变长度法两种确定方法。固定长度法是将采样河段长度设定为固定距离, 在野外应用和后勤保障上更有优势, 但存在采样效率相对于河流大小不对等和样点间的生物差异可能归因于缺乏足够数量的生境单元的缺点;可变长度法是根据河宽或者河深选择相应比例, 利用指标指示不同采样河段长度的采样效率来评估合理的采样河段长度, 是按比例增加资源量的结果。

  1.2、 采样位置

  河岸区域指容易接近的浅水区域, 生境比较醒目, 具有易于采样, 不需要行船, 减少成本与风险等优点。河岸区域采样的缺点包括采样的稳定性差, 由于生境的多变性和生物体分布的不均匀, 需要更多的重复采样降低可变性;样品中的杂质较多, 处理时间和成本较大;河岸区域存在陡坎时, 采样变得困难或者不可能。河道中央指河流流速较大, 河道底质稳定性较差的深水区域。河流流速较大使采样工具的使用受到限制, 底栖动物群落物种在底质稳定性较差位置分布较少, 尤其是底质为泥沙的河流。

  采样位置等间距布设是在采样河段范围内按照一定距离间隔布设采样位置, 具有设计简单, 易于执行, 能够在野外节约大量时间等优点, 但存在采样河段范围内生产力最高的生境可能会由于落在断面之间而无法采集等问题。采样位置生境导向布设是根据采样河段范围生境状况进行采样位置布设, 主要有按生境面积比例布设和按生境类型比例布设两种。前者能够更好地反应采样河段的实际情形;后者具有更好的操作性, 但存在较小代表性的生境占据了同其他生境一样的比例, 更有代表性的样品遗漏的问题。

  1.3、 采样工具

  河流底栖动物采样工具间存在较大差异, 不同的采样工具有不同的适用生境, 选择适合的采样工具对河流生态基础数据的获得至关重要。

  按照不同的标准, 河流底栖动物采样工有不同的分类结果。常用的河流底栖动物采样工具可以分为被动采样工具和主动采样工具, 被动采样工具指示的是定居潜力, 主要有人工底层采样器和漂网, 主动采样工具反应的是当前的群落结构, 主要有踢网、索伯网、D形网、手抄网和底部抓斗式采样器等;底栖动物采样工具可以分为定量采样工具, 半定量采样工具和定性采样工具, 定量采样工具主要用于底栖动物生态学研究, 主要有人工底层采样器, 底部抓斗式采样器和索伯网, 半定量采样工具主要用于底栖动物生态监测与评估, 主要有踢网和D形网, 定性采样工具主要有手抄网, 定性采样工具主要用于一般的河流生态调查;底栖动物采样工具也可以分为深水采样工具和浅水采样工具, 深水采样工具主要有底部抓斗式采样器和人工底层采样器, 浅水采样工具主要有踢网、索伯网、D形网、手抄网和人工底层采样器。

  1.4、 采样面积

  Olaf Arrhenius研究了物种数与面积之间的关系, 提出物种数与面积呈幂指数关系, 采样面积在1-2 m2时物种数变化不大, 出于采样工作效率的考虑, 提出采样面积最小为1 m2才能保证采样结果的可靠。

  2、 国内外河流底栖动物采样规范与方法

  2.1、 USEPA-EMPA

  2000年美国环保署在地表水环境监测与评估手册中对涉水不可过河流底栖动物采样方法做了以下阐述:采样河段长度为40/100倍的河宽;采样位置为在采样河段范围内等间距布设11个断面, 每个断面两岸河岸区域各采集一个样点, 采样水深范围小于1 m;每个样点采样面积为0.25 m2, 将所有样点的样品汇聚为一个样品, 采样面积总和为5.5 m2;采样工具为踢网, 如图1所示。

  图1 USEPA-EMPA采样方法布设图
图1 USEPA-EMPA采样方法布设图

  2.2、 USEPA-CABNSR

  2006年美国环保署在涉水不可过河流生物评估手册中对底栖动物采样方法做了以下阐述:采样河段长度为500 m;采样位置为在采样河段范围内等间距布设6个断面, 每个断面两岸上下游5m的河岸区域各采集3个样点, 按照区域内每种生境面积比例将6个样点分配, 采样水深范围小于1 m;每个样点采样面积为0.15 m2, 将所有样点的样品汇聚为一个样品, 采样面积总和约为12 m2;采样工具为500 μm的D形网;采样顺序为从下游向上游采集, 如图2所示。

  图2 USEPA-CABNSR采样方法布设图
图2 USEPA-CABNSR采样方法布设图

  2.3、 AQEM

  2002年欧洲水框架指令对河流底栖动物采样方法做了以下阐述:采样河段长度为500 m或者10倍的平均河宽;采样位置为在采样河段范围内按照各个生境面积比例 (面积大于或者等于5%) 采集20个样点;将所有样点的样品汇聚为一个样品, 采样面积总和为1.25 m2;采样工具为500 μm的D形网和索伯网;采样顺序为从下游向上游采集, 如图3所示。

  图3 AQEM采样方法布设图
 图3 AQEM采样方法布设图

  2.4、 USEPA-NRSA

  2013年美国环保署在涉水不可过河流评估操作手册中对大型河流底栖动物采样方法做了以下阐述:采样河段长度为40倍的河宽, 如果河流平均宽度小于4 m, 选用150 m作为最短河段长度, 如果河流平均宽度大于100 m, 选用4 km作为最长河段长度;采样位置为在采集河段范围内等间距布设11个断面, 随机选取一侧河岸布设第一个断面采样位置, 前三个断面位于河岸同一侧, 接下来两个断面采样位置位于河岸另一侧, 接下来两个断面采样位置位于初始河岸一侧, 依此交替布设直到第十一个断面, 采样位置范围为断面上下游5 m和岸边向水面延伸15 m, 采集每个样点内的主要生境, 采样水深最大深度为0.5-1 m;将所有样点的样品汇聚为一个样品;采样工具为500 μm的D形网, 如图4所示。

  图4 USEPA-NRSA采样方法布设图
图4 USEPA-NRSA采样方法布设图

  2.5 、《水环境监测规范》 (SL219-2013)

  2014年水利部颁布实施的《水环境监测规范》 (SL219-2013) 对河流底栖动物采样方法做了以下阐述:当河流深泓水深小于5 m时, 采样河段长度为40倍的河宽, 当河流深泓水深大于5 m时, 采样河段长度为1 km;采样位置为在采样河段范围内等间距布设11个断面, 采样位置的设置需要兼顾代表性, 便利性与安全性;河流水面宽度小于50 m, 在每个断面中间位置设置1条采样垂线, 河流水面宽度在50-100 m之间, 在每个断面设置左右2条采样垂线, 河流水面宽度大于100 m, 在每个断面设置左、中、右3条采样垂线, 每条垂线采集1个样点;定量样品采样工具为116m2116m2彼得生采泥器和圆柱形铁丝笼, 定性样品采样工具为三角拖网和手抄网, 以40目分样筛处理样品, 如图5所示。

  图5 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 采样方法布设图
图5 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 采样方法布设图

  2.6、 《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ 710.8—2014)

  2015年环保部颁布实施的《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ 710.8—2014) 对河流底栖动物采样方法做了以下阐述:在同一断面上, 每隔一定距离设置一个样点, 样点的数目和间距的设置需要兼顾河流的宽度、流速、底质类型和环境异质性程度;河流水面宽度小于200 m, 在每个断面中间位置或者靠岸一侧设置1个样点, 河流水面宽度大于200 m, 在每个断面中间位置和左、右两侧设置1个样点, 样点间距一般在100-200 m, 断面和样点的设置可依据人类活动对河流的干扰程度做适当调整;水深超过3 m的深水河流, 采样工具为抓斗式采泥器, 彼得生采泥器和定量框, 每个样点的总采样面积约为0.5-1m2;涉水可过河流, 采样工具为D形网, 每个样点的总采样面积约为1m2;可根据底栖动物的密度做适当调整, 如图6所示。

  图6 《生物多样性观测技术导则淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ 710.8—2014) 采样方法布设图
图6 《生物多样性观测技术导则淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ 710.8—2014) 采样方法布设图

  3、 探讨与结论

  3.1 、分析总结

  USEPA-EMAP和USEPA-NRSA采样河段长度为可变长度, USEPA-CABNSR采样河段长度为固定长度, AQEM和《水环境监测规范》 (SL219-2013) 同时考虑了可变长度与固定长度, 《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ710.8-2014) 缺乏对采样河段长度的明确说明, 对于涉水不可过河流, 利用可变长度法确定采样河段长度能够得到较合理的采样效率和准确的采样结果。USEPA-EMAP采样位置是在河岸区域基于断面等间距布设, AQEM采样位置是在全河道范围内基于生境导向布设, USEPA-CABNSR和USEPA-NRSA采样位置是在河岸区域基于等间距布设和生境导向布设的结合, 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 采样位置是在全河道范围内基于断面等间距布设, 等间距布设和生境导向布设结合能够兼顾采样的便利性和准确性, 对于涉水不可过河流, 河道中央位置可以放弃采样, 尽管有可能无法采集到一些大型底栖无脊椎动物, 但河岸区域能够满足生态监测与评估的工作要求。USEPA-EMAP采样工具为踢网, USEPA-CABNSR和USEPA-NRSA采样工具为D形网, AQEM采样工具为500 μm的D形网和索伯网, 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 采样工具为彼得生采泥器、圆柱形铁丝笼和三角拖网, 使用425 μm孔径的分样筛处理样品, 《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ710.8-2014) 采样工具为抓斗式采泥器、彼得生采泥器和D形网, 对于生态监测与评估, 当前的群落结构较常用, 半定量采样工具能够提供采样位置当前底栖动物群落准确的信息, 半定量采样工具的特点是在相对限定的时间和面积内采样, 比较经济和节时, 500 μm孔径的踢网、D形网、分样筛和索伯网适用于生态监测与评估。USEPA-EMAP对采样的总面积进行了定量化规范, AQEM按生境类型面积所占比例进行采样 (生境类型面积所占比例大于或者等于5%) , 这会遗漏掉某些物种, 对生态监测与评估的结果带来一定影响, 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 和《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ710.8-2014) 缺乏对采样面积的明确说明, 每种生境类型至少采集1m2能够反应该生境底栖动物群落的基本情况。AQEM和USEPA-CABNSR考虑到了采样顺序的问题, 从下游向上游采集能够避免之前的样点对后续样点的影响, USEPA-EMAP、USEPA-CABNSR、USEPA-NRSA和AQEM都将采样样点的样品汇聚为一个样品, 这对研究采样河段内不同生境类型底栖动物群落带来困难。

  国外已有较为系统的河流底栖动物采样方法, 我国尚无完善的河流底栖动物采样方法, 《水环境监测规范》 (SL219-2013) 和《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》 (HJ710.8-2014) 对河流底栖动物采样方法的描述较为模糊。增加采样工作量能够增加精确度, 但会增加采样成本, 综合采样方法合理性和采样时间、成本、便利性与安全性等后勤因素的考虑。

  表1 多种规范、手册的采集
表1 多种规范、手册的采集

  3.2、 结论

  本文建议确立基于改进的USEPA-CABNSR采样方法作为我国涉水不可过河流底栖动物采集方法的参考:采样河段范围的长度为40倍的河宽, 如果河流平均宽度小于4 m, 选用150 m作为最短采样河段长度, 如果河流平均宽度大于100 m, 选用4 km作为最长采样河段长度;采样位置为在采样河段范围内等间距布设11个子断面, 每个断面两岸上下游5m的河岸区域各取3个样点, 按照区域内每种生境面积比例将6个样点分配, 每个样点采样面积为0.15m2, 对采样总面积小于1 m2的生境类型, 通过补采使采样总面积增至1m2;采样位置选择在水深范围为0-1 m的河岸区域;采样顺序为从下游向上游采集, 采样河段水质的采集在采样河段最中间的子断面采集;采样工具为500 μm的D形网和踢网, D形网用于静水-缓流生境, 踢网用于急流生境;每个样点采集到的样品单独进行保存, 鉴定后的结果可汇聚为一个整体来反应采集河段的整体情况, 如图7所示。

  图7 涉水不可过河流底栖动物采样方法布设图
图7 涉水不可过河流底栖动物采样方法布设图

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