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第五章污染生态诊断与监测分析第一节污染生态诊断一、生态系统污染诊断的目的和意义生态系统污染诊断是污染生态学的一项重要的基础性工作，也是研究的前沿领域。国外从20世纪60年代开始研究水生生态系统污染诊断工作，70年代以来发展十分迅速，成为污染生态学研究工作的一个重要研究方向。我国于70年代初期开始这项研究工作，迄今已作出不少成绩。，生态系统污染诊断是生态系统质量评价的基础和生态系统恢复预测的依据。生态系统污染诊断的目的：l）通过生态系统质量诊断，了解区域生态系统质量状况及其各个时期的变化规律，为控制生态系统污染和治理重点污染源提出要求；2）通过生态系统质量诊断，为制定生态规划、城市生态建设规划方案提供依据；3）通过生态系统质量诊断，为制定区域环境污染物排放标准、环境标准和环境法规等提供依据；4）生态系统质量诊断是环境管理工作的重要手段之一，为搞好环境管理提供依据。二、污染生态诊断原理1．生态系统污染生态环境问题的实质应该说是生态系统的污染。而生态系统的污染则是指人为排放的有害（污染）物质，破坏了生态系统的平衡，改变了原来生态系统的正常结构和功能，恶化工农业生产和人类生活的空间。污染物质又沿着食物链转移、富集而后进人人体，危害人类健康。（1）污染产生的原因污染物质是指对自然生态系统和人类健康有毒害作用的物质。（2）污染物的时间分布在研究生态系统污染时，需要了解污染物的排放量和污染因素的强度随时间变化的规律。一些工厂排放污染物的种类和浓度往往是随时间而变化的，如河流由于季节的变化而有丰水期和枯水期以及潮汛的变化，都使污染物浓度随时间而变化；大气污染随着气象条件的变化，往往会造成同一污染物对同一地点在不同时间内所造成的地面污染浓度相差数倍至数十倍；交通噪声的强度也是由于车辆流量的变化而随时间的变化而变化。（3）污染物的空间分布污染物排放到生态系统后，随着水源和空气运动而被扩散稀释。不同污染物的稳定胜和扩散速度与污染物性质有关。因此，不同地理位置上污染物的浓度分布是不相同的。例如，一个烟囱（点源）排放的污染物在不同距离和高度的分布，是受气象条件和环境条件影响的。（4）与污染物含量的关系有害物质引起毒害作用的量及其无害的自然本底值之间存在个界限，放射性和噪声的强度也有同样清况。所以，污染因素对生态系统的危害有一阈值，对阈值的研究是判断生态系统污染及污染程度的重要依据，也是制定生态系统污染标准的科学依据2．生态系统污染衡量标准（1）环境背景值环境背景值是指环境要素在未受污染的倩况下，环境本身所固有的元素含量，以及环境中能量分布的正常值。可作为诊断生态系统污染程度的参照值。如果化学元素含量超过厂环境背景值和能量分布异常，表明生态系统可能受到了污染。土壤背景值是在不受或少受人类活动影响和现代工业污染与破坏的情况下，土壤原来固有的化学组成和结构特征。但由于人类活动和现代工业发展的影响，加上土壤本身所具有的多样性和不均匀性等所固有的特征，因而土壤元素的背景值是统计性的，它是一个范围值，而不是一个确定值。植物的背景值是指在良好的环境条件下生长于具有背景值的土壤中某一植物的可食部分的化学组成和营养特征，这里所指的良好环境条件包括正常情况下的水、肥、气候等诸因素。（2）环境质量标准环境质量标准是国家为保护人群健康和生存环境，对环境要素中有害物容许含量所作的规定，体现了国家的环境保护政策和要求以及经济和技术发展的水平。环境质量一般分为水质标准、大气质量标准、土壤质量标准和生物质量标准。制定环境质量标准的主要科学依据是环境质量基准。环境质量基准和环境质量标准是两个不同的概念，前者是由化学物暴露对象之间的剂量一效应关系确定的，不考虑社会、经济、技术等人为因素，不具有法律效力；而后者是以前者为依据，并考虑社会、经济和技术因素，经过综合分析而制定的，由国家管理机关颁布，具有法律的效力。（3）环境容量环境容量是以生态系统为基础，在一定区域与一定期限内，遵循环境质量标准，既保证农产品生物学质量，同时也不使环境遭致污染时，环境所能容纳污染物的最大负荷量。环境容量是对污染物进行急量控制与环境管理的重要手段，它对损害或破坏环境质量的人类活动，施加数量上的限制，以求人的活动符合自然规律，从而进一步要求污染物的排放，必须限制在允许限度内，既能发挥土壤的净化功能，又保证该系统处于良性循环状态。目前，环境容量的理论研究工作大体上处于由定性描述逐步向定量化方向发展的阶段。目前，环境容量的理论研究工作大体上处于由定性描述逐步向定量化方向发展的阶段。从理论上讲，环境容量M由两个部分组成，即：M=K+R其中，K为基本环境容量（也有人称为K容量或稀释容量）；R为变动环境容量（也有人称为R容量或自净容量）。前者主要表征的是自然环境的特性，后者主要表征的是污染物质的特性。所以，环境容量是自然环境的基本属性之一，由自然环境特性和污染物质特性所共同确定的。（4）临界浓度临界浓度是指环境中某种污染物对人或其他生物不产生不良或有害影响的最大剂量或浓度。它反映环境介质中的污染物作用于研究对象，在不同浓度或剂量下引起危害作用的种类和程度。按作用对象的不同可分为卫生临界浓度（对人群健康的影响）、生态临界浓度（对动植物及生态系统的影响）和物理临界浓度（对材料、能见度、气候等的影响）。生态系统中污染物临界浓度确定有多种方法，归结起来，主要有生态地球化学法和生态环境效应法。1）生态地球化学法：主要是应用统计学方法，根据环境中元素地球化学含量状况、分布特征来推测环境中临界浓度的方法。例如，以各土壤中某元素的自然含量或背景值来表示，一般的作法是背景值算术平均值十2倍（或3倍）标准差或几何均值乘以几何标准差。小于此值是无污染土壤，大于此值是污染土壤。。例如，英国环境部暂定的园艺土壤中铅的最大允许浓度500mg/kg，是根据表层含铅平均值75mg今g和标准差388mg/kg制定的。欧共体推荐的铅临界值是根据英国表土铅的几何均值制定的。2）生态环境效应法：对于土壤临界浓度的确定，主要有以下几种类型：①建立土壤植物（动物）一人系统，应用食品卫生标准推算土壤中有害物质的浓度，作为临界浓度；②将作物产量减少10％的土壤有害物质浓度，作为临界浓度；③对地面水、地下水不产生次生污染时的土壤有害物质浓度，作为临界浓度；④当土壤微生物减少或土壤微生物活性降低到一定数量时，土壤中有害物质浓度即为临界浓度。前苏联一些专家（1982）在论述土壤污染物的临界浓度制定时，提出了20多个土壤微生物活性和生化过程指标，其中主要有呼吸作用、固氮作用、蔗糖酶、蛋白酶、纤维素酶、硝化作用、大肠杆菌、微生物区系（包括最敏感的类型、腐生细菌）等。在上述指标中，固氮作用、酶活性和呼吸作用是最敏感的指标。这些指标当土壤中的重金属含量超过背景值仅百万分之几时，就开始表现出抑制作用。土壤真菌对重金属污染也是高度敏感，其数量在污染土壤中剧增。而其他微生物种类的数量，则相应减少。前苏联专家还进一步提出，以上述指标确定土壤重金属临界含量的具体界限：一种以上的生物化学指标在7天以上出现25％的变化或者微生物计数指标在7天出现＞50％的变化。另外，BBUvbnh在谈及土壤重金属临界浓度时指出，微生物（或群）的数量减少或活性降低大约10％-15％可以作为制定标准的极限，超过则会引起土壤正常功能的毒害。（5）污染的严重程度在生态系统污染评价中，目前国内外尚无统一的评价标准，以往绝大多数的国内外文献报道，均用背景值加二倍或三倍标准差作为污染标准。这种污染评价方法虽然能机械的、数学的描述某地区的某元素的富集或流失的程度，但没有与元素的毒理学联系起来，也没有与元素的生态环境效应联系起来。而且，由于其得出的指数不具有等价的属性，还难于进行不同元素间污染程度的对比。为此，在土壤一植物系统污染生态评价中，采用了既考虑污染物的毒理学性质和生态效应，又考虑污染物的环境效应的某区域土缝的临界浓度作为评价标准。生态系统污染评价的方法采用指数评价法，评价模式为：P=C/Cs其中，C―土壤中污染物的实测浓度(mg/kg);Cs-土壤中污染物的临界浓度(mg/kg)；P-土壤中污染物的污染指数。根据土壤中污染物的污染指数的大小，一般将污染的严重程度分级分为7个级别也有学者将土壤污染的严重程度概括为四个污染等级区。例如一些研究依据土壤和稻米的镉污染指数将土壤镉污染的严重程度分为背景区、安全区、警戒区、污染超载区和严重污染区等5个污染等级区。三、污染生态诊断方法1．敏感植物指示法（l）症状法植物受到污染影响后，常常会在植物形态上，尤其是叶片上出现肉眼可见的伤害症状，即可见症状。不同的污染物质和浓度所产生的症状及程度各不相同根据敏感植物在不同环境下叶片的受害症状、程度、颜色变化和受害面积等指标，来指示生态系统的污染程度，以诊断主要污染物的种类和范围。余叔文等（1981）编写出版的《大气污染伤害植物症状图谱》具有重要的实用价值。植物症状指标还可以反映生态系统污染的程度，给出相对的定量关系。例如，在污染物浓度与植物伤害程度分级的基础上，根据植物伤害程度和面积来确定污染物的浓度性围。Minning等曾利用菜豆监测O3，并制定了评价表（表4一5)，值得借鉴。（2）生长量法利用植物在污染生态区和清洁区生长量的差异来诊断和评价生态系统污染状况。一般影响指数越大，说明生态系统污染越严重。IA=W0/Wm式中，IA―影响指数；Wo―清洁区（即对照区）植物生长量；Wm―诊断区〔即污染区）植物生长量。（3）清洁度指标法是指利用敏感植物种类、数量和分布的变化，来指示大气环境的污染状况。通常指数越大，说明空气质量越好。以地衣生态调查为例，可用下式求得各监测点大气清洁度指数(IAP)IAP―大气清洁度；n―地衣种类数；Q―种的生态指数（即平均数）f一种的优势度（即目测盖度及频度的综合）。ni=1（Q×f）/10IAP=∑（4）种子发芽和根伸长的毒性试验本方法可用于测定受试物对陆生植物种子萌发和根部伸长的抑制作用，以诊断受试物对陆生植物胚胎发育的影响。l）原理：种子在含一定浓度受试物的基质中发芽，当对照组种子发芽率在65％以上，根长达2cm时，试验结束，测定不同处理浓度种子的发芽率和根伸长抑制率2）仪器和试验材料：培养容器为直径20cm的硬质玻璃培养皿；受控环境生长箱或种子发芽试验器。试验材料可选用小麦、水稻、玉米、大白菜、西红柿、黄瓜、大豆、莴苣和棉花等。3）操作步骤：浓度范围选择：本试验为正式试验选择浓度范围。在20cm直径的玻璃培养皿中，加人1cm厚度的冲洗干净、干燥的石英砂，或50g干净土壤，以作为种子发芽和根伸长的基质。在种子置于培养皿前，制备受试液。其浓度以几何级数配制，如0.01、0.1、1.0、10.0、100.0和1000.0mg/l。最低浓度应设置在分析方法的检测限内，水溶性受试物的上限浓度，应是饱和浓度。如果受试物不溶于水，则可用丙酮、乙醇等有机溶剂作载体。把新配制的受试液加人土壤中，混合均匀，将实验用的植物种子置于其中。放置种子时，应保持种子胚根末端和生长方向呈一直线，盖好玻璃培养皿，置人恒温培养箱中培养，温度控制在25士1℃。每一处理，至少有15粒种子。当对照种子发芽率达到65％以上，根的长度达2cm，试验即可结束。正式试验：其目的在于建立受试物对植物种子影响的浓度一效应曲线，确定种子发芽率和根根长的EC10和EC50。每一植物种子试验，至少应有6个不同的处理浓度。浓度以几何级数选择。选择的浓度应在种子发芽率和根伸长的EC10和Ec50的范围内。每一处理浓度应设3次以上重复，每一重复至少有15粒种子。发芽试验期间温度控制在25士1℃，保持黑暗。对照组种子发芽率达到65％以上，根的长度达2Cm，试验即可结束。测定各处理浓度发芽和根伸长长度的平均植。若得不出发芽率和根伸长的EC10．和EC50，应重新进行试验。在试验开始和结束时测定各处理和对照的浓度和pH值。4）计算：试验终止时测定各处理和对照的根伸长长度和发芽数。伸长的测量应从下胚轴与根