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1、污染生态效应及其评价,污染生态效应,概念：污染物进入生态系统，参与生态系统的物质循环，对生态系统的组分、结构和功能产生某些影响，在生态系统中由污染物引起的响应即为污染生态效应。,几个相关概念,1）生物个体污染效应：指环境污染对生物的影响表现在生物个体层次上的反应。2）生物群落污染效应：指环境污染在生物种群以上层次上的反应。3）生态系统污染效应：指环境污染对生态系统结构与功能的影响。,1.环境污染的生态响应污染对种群的遗传选择污染对单一环境生物生态位的改变或灭亡污染改变了生物进化的方向,污染生态效应,2.环境污染的短期效应（1）污染物对生物的毒害作用:生理、生化过程受阻，生长发育停滞，最终导致死
2、亡。1）污染物对植物的影响：首先能影响植物根系对营养元素的吸收，其次能抑制植物根系的呼吸作用，再者对植物细胞的超微结构、种子生活力以及植物生长、发育、生理生化诸方面的影响。2）对动物和人体的影响：如重金属对鱼类的影响：首先重金属能粘附在鱼鳃的表面，造成鳃上皮和粘液细胞的营养失调，影响对氧的吸收，降低血液输送氧的能力；其次重金属还能降低血液中呼吸色素的浓度，使红细胞减少。,（2）生物对污染物的抗性生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性或抗性。生物对污染物的抗性机制是外部排斥（通过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻挡于体外）和内部忍耐（通过结合固定、代谢解毒等过程
3、，将污染物在体内富集、解毒）的综合结果。解毒是抗性的基础，但不是抗性的全部。生物抗性可概括为：拒绝吸收、结合钝化、代谢转化、排出体外、改变代谢途径等。对于生物本身来说，抗性是它们在逆境中得以生存和延续的保证，是污染环境中生物多样性得以保持的基础。,3.环境污染的长期效应环境污染的长期效应，是生物多样性的丧失和遗传多样性的丧失。环境污染引起的物种丧失程度，并不亚于生态破坏。（1）遗传多样性的丧失:包括已有的遗传基因库的减少和新的遗传变异来源的降低。（2）物种多样性的丧失:在过去的400多年间，地球上约有2%的哺乳动物、1.2%的鸟类已经灭绝；在未来的30年中，全世界将有6万种植物可能灭绝。（3）
4、生态系统结构的简单化、食物网简化、食物链不完整、物质循环路径减少或不畅通、能量供给渠道减少、供给程度降低、信息传递受阻等。,污染生态效应评价的原则与指标体系,1.污染生态效应评价的指导思想生物体与地球环境化学组成的同一性、污染物质在生物组织中分布的选择性、以及生物体对化学物质的必需性，是污染生态效应评价的指导思想。评价污染物在生态系统中的污染程度以及所引起的生态系统质量变异，应以生态环境条件及其组成成分变化为基础，以污染物质对人体、动物、植物以及微生物的个体、种群的健康效应及相关效应为依据。,2.污染生态效应评价的基本原则（1）污染生态效应的多样性直接与间接；线性关系与非线性关系，时滞效应、反
5、馈效应、复合污染生态效应（包括协同作用、拮抗作用、加和作用、独立作用等。）等。（2）污染生态效应分析的全面性污染物质的产生和释放机理，污染物质在不同环境条件下的存在形态与转化规律，污染物质在不同环境介质中的迁移规律及污染物质作用于生物体的毒害机理等。（4）生态系统抗冲击能力的有限性当污染物浓度或者数量的变化，超出生态系统或者生命个体的适应能力的上、下限时，才可能产生污染生态效应。,3.污染生态效应评价指标体系的建立（1）生物个体生态效应指标个体形态指标；生理生化指标（2）生物种群生态效应指标 种群密度和大小；种群结构；种群数量（3）生物群落生态效应指标群落的结构（包括物种多样性指数和个体数量变
6、化指标）；群落的生态；群落的动态；群落的分布（5）生态系统生态效应指标生态系统结构变化；生态系统稳定性；系统中的生产者、消费者和分解者与非生物环境的关系,污染生态效应评价的类型与方法,1.污染生态效应评价的主要类型（1）短期效应评价 指污染物对生物个体毒害作用的评价，包括生物生理、生化过程受阻，生长发育停滞，最后可能导致死亡。（2）长期效应评价 指污染物对群落和生态系统影响的评价，包括遗传多样性的丧失、物种多样性的丧失、生态系统结构的简单化等。,2.污染生态效应评价的基本方法生物学评价法和综合评价法。生物学评价法是指用生物学方法，按一定标准对一定范围内的环境质量进行评定和预测，具体有：指示生物
7、法、生物指数法和种类多样性指数法等。综合评价法则包括重叠法、列表清单法与相关矩阵法和网络法等。,（1）指示生物法 指示生物是指对某些物质（进入环境中的污染物）能够产生各种反应而被用来监测和评价环境质量的生物。1）大气污染指示植物:作物、花卉、野生植物等均可用作指示植物。2）水污染指示生物:浮游生物、水生微型动物、大型底栖无脊椎动物均可作为水污染的指示生物。a.指示水体严重污染的生物，如颤蚓类、毛蠓、细长摇蚊幼虫、绿色裸藻、小颤藻等。b.指示水体中等程度污染的生物，主要有居栉水虱、瓶螺、被甲栅藻、四角盘星藻、环绿藻、脆弱刚毛藻、蜂巢席藻等。c.指示清水水体的生物，如纹石蚕、扁蜉、蜻蜓、田螺、簇生
8、枝竹藻等。d.静水中主要采用底栖生物或着生生物。,（2）生物指数法 1）污染量指数法 污染量指数法（IPC）是以分析叶片中污染物含量为基础，监测大气污染的一种方法。2）生物指数法 评价水质用的生物指数，主要是依据不利环境因素（如各种污染物）对生物群落结构的影响，用数学形式来表现群落结构指示环境质量的状况。,污染量指数法：KIPC=Cm/CC式中：Cm为监测点指示植物叶片中污染物含量；CC为对照点同种植物叶片中污染物的含量。根据IPC值，对各监测点污染程度进行分级：I级：清洁大气（KIPC 3.0）。,Beck生物指数（Beck，1955）：IB=2nA+nB 式中：IB是生物指数；nA为不耐有
9、机污染的种数；nB为耐中度有机污染的种数。IB值=0,表示水体受有机物严重污染；IB值110,表示水体受有机物中度污染；IB值10，表示水体为清洁水体。,硅藻生物指数：用河流中硅藻的种类数来计算 I=式中：I 为硅藻生物指数；A为不耐污的种类数；B是对有机污染无所谓的种类数；C为在污染区内独有的种类数。,生物指数法（Goodnight，1961）：利用颤蚓类与全部底栖动物的比值生物指数=100若指数 80%为严重有机污染。,水生昆虫与寡毛类湿重的比值(King,1964)应用这种方法无需将生物鉴定到种，将底栖动物中昆虫和寡毛类检出，分别称重并按下式计算：I=此值数值越小，表示污染越严重；反之，
10、数值越大，表示水质越清洁。,污染生物指数（BIP）IBIP是指无叶绿素微生物占全部微生物的百分比，其指数按下式计算：IBIP=式中A为有叶绿素微生物数；B为无叶绿素微生物数。指数08为清洁水；820为轻度污染水；2060为中度污染水；60100为严重污染水。,（3）种类多样性指数生物群落中的种数与个体数的比值。常用的指数有：Gleason丰富度指数 Margalef 丰富度指数 Shannon-Weaver 多样性指数 Simpson多样性指数,综合评价法:（1）重叠法做成一套复合图，表示生态系统的特征，指明污染物在生态系统各部位的污染效应的性质和程度。（2）列表清单法利特（Little）等1
11、971年提出的利用开列清单进行影响评价的方法。他将研究中所选择的环境参数及开发方案列在一种表格里，可以鉴别出开发行为可能会对哪一种环境因子产生影响，并表示出其影响的好坏及相对大小，但它对环境参数不能进行定量计算。可鉴别污染物质在生态系统中不良的或有益的生态效应，并表示其相对强弱，但不能进行定量计算。,（3）Leopold相关矩阵法矩阵“行”方向列出生态系统的生物与非生物因子，“列”方向列出污染物因子，对角线左上方标出影响大小的分值，右下方标出污染物影响的相对重要度。（4）网络法利用影响树表示出污染物对生态系统产生的各种原发性效应和继发性效应。,污染生态效应评价的内容,污染物的毒害效应遗传多样性
12、的丧失物种多样性的丧失生态系统结构的变化,1.污染物的毒害效应 对生态系统中已经存在或者即将存在的污染物的物理、化学与生物学特性进行系统的研究分析，推测污染物的毒性。生态毒理学实验确定污染物的急性与慢性毒性效应。2.遗传多样性的丧失污染条件下，种群的敏感性个体消失，从而使整个种群的遗传多样性水平降低；污染引起种群规模减小，降低了种群的遗传多样性水平；使种群实现对污染完全适应，并恢复到原来的种群数量，由于建立者效应，造成遗传来源单一，变异性的来源大大降低。,第三章 污染生态诊断与监测分析,按照一套综合会诊程序和行之有效的检验方法（物理、化学、生物学以及生态毒理学方法等），对一定区域内的生态系统质
13、量进行说明、评价和预测。,污染生态诊断的概念,污染生态诊断意义,通过对污染源的全面调查，确定主要污染源和主要污染物及其排放特征，了解主要污染物的污染程度及范围，研究污染物的分布和运动规律，探讨污染发生的机制，掌握生态系统质量的变化规律。,污染生态诊断的依据,（1）生物对污染的适应对污染引起的“自然”环境（外环境）及生物生理（内环境）条件变化的适应；对污染物自身的适应。（2）污染条件下的生物进化不能适应污染的生物，种群衰退，物种消亡，引起生物多样性的丧失；能够适应的生物，在污染条件下，将产生快速分化，形成高污染适应性的进化取向。,污染生物监测,生物监测是指利用生物个体、种群或群落对环境中污染物质
14、的反应，即利用生物在各种污染环境下所发出的各种信息，来判断环境污染状况的一种手段，从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。生物监测包括水污染监测、土壤污染监测和大气污染监测。,1.大气污染生物监测利用生物对大气污染物的反应，监测有害气体的成分和含量，以了解大气环境质量的状况。大气污染的生物监测包括动物监测和植物监测。指示动物和指示植物。有些植物对大气污染的反应极为敏感，在污染物达到人和动物的受害浓度之前，它们就显示出受害症状，如紫花苜蓿、贴梗海棠、香石竹、番茄、唐菖蒲等。利用动物也能够起到指示、监测环境的作用。事实上，利用生物监测环境污染是从动物开始的。利用微生物生物区系组成及数量变化，监
15、测环境污染程度完全可行。环境污染影响生物的组成和分布，生物的区系变化可用于监测环境。,2.水体污染生物监测以滇池为例，水生植被与水体污染程度的关系：1）重污染：各种高等沉水植物全部死亡；2）中度污染：敏感植物如海菜花、轮藻等消失，篦齿眼子菜稀少，抗性强的如红线草、狐尾藻等相当繁茂；3）轻度污染：海菜花、轮藻等渐趋消失，中等敏感植物和抗污植物均有生长；4）无污染：各类植物包括轮藻、海菜正常生长。水污染指示动物，采用底栖动物中的环节动物、软体动物、固着生活的甲壳动物以及水生昆虫等。鱼类可作为水体污染的监测生物。鱼的呼吸系统最敏感，利用鱼类受毒害前后呼吸频率的变化，可判断污染物的毒性大小和污染程度。
16、微生物是有机污染物的良好监测生物。,3.土壤污染生物监测利用一些对特定污染物较为敏感的植物，作为土壤污染物的预测和监测指标。一般来说，指示植物主要起到预警作用。土壤动物是反映环境变化的敏感指示生物，当某些环境因素的变化发展到一定限度时，会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。微生物种群数量变化、微生物酶活性变化等，都可以用作土壤受污染程度的监测指标。,污染生态分析方法,1.生物典型受害症状分析通过肉眼观察生物体受污染后发生的形态变化，如植物叶片伤害症状、动物器官畸形等来进行环境污染的监测。处在大气环境中的敏感植物受污染后，叶片会出现伤害症状。根据受害症状与大气中污染物浓度的相关性，将污染伤害植
17、物的程度同已知的环境污染物浓度联系起来，能够凭借叶片典型症状，反映大气中相应污染物的浓度。在根据形态结构变化监测水体污染时，最常见的生物材料是鱼类。土壤中的污染物对植物的根，茎、叶都可能产生影响，出现一定的症状。,2.生物生理生化指标分析生物受污染时某些生理生化指标的变化灵敏、迅速，更适宜作环境监测。如：氨和铵离子使植物的6-磷酸葡萄糖脱氢酶、苹果酸脱氢酶和过氧化物酶活性升高；过氧乙酰硝酸酯抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性；植物对臭氧、二氧化硫、亚硫酸根离子、硫酸根离子、氨和铵离子都敏感，过氧化物酶活性会有所升高。如：鳃盖运动频率、呼吸频率、呼吸代谢、侧线感观机能、渗透压调节、摄食
18、量与能量转换率、抗病力、神经内分泌活动及血液成分变化、血糖水平、酶（如鱼脑胆碱酯酶、转氨酶、血浆酶、ATP酶等）活性变化、糖类、酯类代谢等。,3.生物细胞遗传学指标分析采用细胞遗传学的方法来筛选化学诱变因子，监测环境中具有致癌、致畸、致突变的化学物质。常用的方法主要有：微核测定法、染色体畸变分析、姐妹染色体交换率、非预定DNA合成等。高等植物被认为是进行环境化学物质的遗传毒性效应研究的极好材料，如紫露草和蚕豆。在动物方面常用蝌蚪肠细胞、小鼠外周血淋巴细胞、蟾蜍血液细胞等为材料，观察细胞染色体畸变情况、微核率、非预定DNA合成等指标来监测大气和水污染。,4.生物群落结构分析以在昆阳磷肥厂附近氟污
19、染林地的地衣调查结果为例：严重污染：树干上没有梅衣属地衣，石蕊属地衣不能够形成子囊盘，甚至不能够形成柱体；中等污染：梅衣属地衣出现在树干高度4m以下，石蕊属的几个种虽然有柱体及子囊盘，但原植体小于正常生长者；轻污染：树花属地衣较多，梅花属叶状及粉状地衣分布高达树冠内部的主干上；无污染：松萝属及树花属地衣在树木和灌木上普遍出现，梅衣属等叶状地衣在树干上大片分布到树冠内部的小枝上。,5.群落多样性指数分析（1）简便多样性指数 d=sN 式中：s为群落种类数；N为总个体数。（2）Willams多样性指数 d=K(ni/N)lg(ni/N)或 d=(ni/N)2.303 6 lg(ni/N)式中nI为
20、单位面积上第i种的个体数；N为单位面积上各类生物的总个体数；i=1，2，3，m。指数d3为轻污染。优点是具有简明的数值概念，可以直接反映环境的质量。,6.生物生长量变化分析动物、植物、微生物都可作为这一技术的材料。在水污染的生物监测中，一些藻类植物最适合于这种方法。常用的藻类有斜生栅藻、小球藻、水华鱼腥藻、羊角月牙藻、莱茵衣藻等。因为藻类生长快，适应周期短，是一种理想的监测材料。,7.生态系统综合分析污水生物系统法监测水体有机污染的程度或测定有机污染物的生物降解。原理是：在一条河流受到污染后，自上游往下游形成一系列在污染程度上逐渐减轻的连续带，每一带都生存有大体上能够表示这一带特性的动物和植物
21、。从而可以根据一条河流中一定区域内生物类群的组成和数量，来鉴别该区域的有机物污染程度，同时也能够反映在相应的化学指标上。他们把河段分成3个带：多污带、中污带和少污带。,污水生态系统的特征,图形叠置法,1.概念：该法将一套表示各环境要素一定特征的透明图片叠置起来，用以表示环境的综合特征，反映出建设项目的影响范围以及环境影响的性质和程度,将所研究的地区划分成若干个环境单元以每个环境单元为独立单位，分别绘制反映环境性质、特征的各环境要素的一系列单幅环境图把这系列环境图衬透于该环境单元的基本地图（或称底图）之上，形成一个环境单元的综合环境图把若干个环境单元的综合图加以衔接，构成一个地区的综合环境图据此
22、可进行综合分析，判别环境影响的范围、性质和程度。通过图上所表示的不同颜色以及阴影的深浅等色像可说明其影响的程度,2.步骤：,3.适用场合：地理空间较大的建设项目，如“线型”影响项目（公路、铁道、管道等）和区域开发项目,4.作用：预测评价和传达某一地区适合开发的程度，识别供选择的地点和路线等,图形叠置法,简单型清单（实例）,改变土地利用方式对一些水文参数的影响,描述型清单法（实例）,分级型清单法（实例）,水资源开发项目环境影响综合评价,第一级,第二级,矩阵法,环境影响矩阵的结构,环境质量综合评价方法,各开发行为对环境要素的影响（按矩阵法排列）,表中数字表示影响大小。1表示没有影响；10表示影响最大。负数表示不利影响；正数表示有利影响。括号内数字表示权重，数值愈大权重愈大。,环境质量综合评价方法,网络法,网络法以原因结果关系树来表示环境影响链。链上每个事件的影响除了可以用影响程度m及其权值w表示外，还要考虑事件链发生的概率P。,分支1可能发生的加权影响,总的影响,环境质量综合评价方法,概率,网络法,原因结果关系树,环境质量综合评价方法,
