第九章生态监测 课时安排:2学时 教学目的:通过讲授,让学生掌握以下内容: 1.生态监测的概念和理论依据 2.生态监测的基本方法 教学方法: 1.从监测手段带出方法 2.实例 重点及难点:重点是生态监测的基本方法和使用仪器装置
1 第九章 生态监测 课时安排：2 学时 教学目的：通过讲授，让学生掌握以下内容： 1. 生态监测的概念和理论依据 2. 生态监测的基本方法 教学方法： 1. 从监测手段带出方法 2. 实例 重点及难点：重点是生态监测的基本方法和使用仪器装置
第一节生态监测的概念和理论依据 生态监测的概念、特点和基本要求 (一)生态监测的概念 在环境科学中,环境监测是硏究和测定环境质量的学科,它是环境科学硏究的基 础和必要手段。生态监测( ecological monitoring)是环境监测的组成部分。它是利 用各种技术测定和分析生命系统各层次对自然或人为作用的反应或反馈效应的综合 表征来判断和评价这些干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律,为环境质量的评 估、调控和环境管理提供科学依据。形象些说,生态监测就是利用生命系统及其相互 关系的变化反应做“仪器”来监测环境质量状况及其变化 目前,关于生态监测的定义尚不统一,归纳起来大体有以下几种看法 生态监测是生态系统层次的生物监测( biological monitoring)。持这种观点的认 为,生态监测就是观测与评价生态系统对自然变化及人为变化所做的反应,包括生物 监测和地球物理化学监测两方面内容(刘培哲,1989) 生态监测是比生物监测更复杂、更综合的一种监测技术。其观点是,从学科上看, 生态监测属于生物监测的一部分,但因它涉及的范围远比生物学科广泛、综合,因此 可把生态监测独立于生物监测之外(王焕校等,1986) 生物监测包括着生态监测。持这种观点的理由是,生物监测就是系统地利用生物 反应以评价环境的变化,并把它的信息应用于环境质量控制的程序中去。从生物学组 建水平( hierarchical levels of biological arganization)观点出发,各级水平上都可 以有反应,但重点放在生态系统级的生物反应上(沈韫芬等,1990)。 实际上,无论是生物监测还是生态监测,都是利用生命系统各层次对自然或人为 因素引起环境变化的反应来判定环境质量,都是硏究生命系统与环境系统的相互关 系,这无疑又都属于生态学研究范畴。从这种意义上说,凡是利用生命系统(无论哪 层次)为主进行环境监测的方法和手段都可称为生态监测。就是被视为生物监测开
2 第一节 生态监测的概念和理论依据 一、生态监测的概念、特点和基本要求 （一）生态监测的概念 在环境科学中，环境监测是研究和测定环境质量的学科，它是环境科学研究的基 础和必要手段。生态监测（ecological monitoring）是环境监测的组成部分。它是利 用各种技术测定和分析生命系统各层次对自然或人为作用的反应或反馈效应的综合 表征来判断和评价这些干扰对环境产生的影响、危害及其变化规律，为环境质量的评 估、调控和环境管理提供科学依据。形象些说，生态监测就是利用生命系统及其相互 关系的变化反应做“仪器”来监测环境质量状况及其变化。 目前，关于生态监测的定义尚不统一，归纳起来大体有以下几种看法： 生态监测是生态系统层次的生物监测（biological monitoring）。持这种观点的认 为，生态监测就是观测与评价生态系统对自然变化及人为变化所做的反应，包括生物 监测和地球物理化学监测两方面内容（刘培哲，1989）； 生态监测是比生物监测更复杂、更综合的一种监测技术。其观点是，从学科上看， 生态监测属于生物监测的一部分，但因它涉及的范围远比生物学科广泛、综合，因此 可把生态监测独立于生物监测之外（王焕校等，1986）； 生物监测包括着生态监测。持这种观点的理由是，生物监测就是系统地利用生物 反应以评价环境的变化，并把它的信息应用于环境质量控制的程序中去。从生物学组 建水平（hierarchical levels of biological arganization）观点出发，各级水平上都可 以有反应，但重点放在生态系统级的生物反应上（沈韫芬等，1990）。 实际上，无论是生物监测还是生态监测，都是利用生命系统各层次对自然或人为 因素引起环境变化的反应来判定环境质量，都是研究生命系统与环境系统的相互关 系，这无疑又都属于生态学研究范畴。从这种意义上说，凡是利用生命系统（无论哪 一层次）为主进行环境监测的方法和手段都可称为生态监测。就是被视为生物监测开
创者的科尔克威茨和马森( Kolkwiz and masson)也不主张简单地使用他们的生物 表,强调不要根据某种生物,而应该根据其生物群落来评价环境。目前人们所说的生 物监测,实际上大多都是生态监测。基于上述看法,本章将两者统称为生态监测 (二)生态监测的特点和意义 生态监测是本世纪初叶发展起来的,其标志是科尔克威茨和马森提出的污水生物 系统,为运用指示生物评价污染水体自浄状况奠定了基础。其后,克列门茨 ( Clements,1920)把植物个体及群落对于各种因素的反应作为指标,应用于农 林、牧业。他(1924)还主张把植物作为高效的测定仪器,积极提倡植物监测器( plant monitor)。50年代后,经许多学者(如 Liebman,1951。津田松苗等,1964)的 深入研究,到70年代后使生态监测成为活跃的研究领域,并在理论和监测方法上更 加丰富,在环境监测中占有了特殊的地位。生态监测有物理和化学监测所不能替代的 作用和所不具备的一些特点,主要表现在: 1.能综合地反映环境质量状况环境问题是相当复杂的,某一生态效应常是几种 因素综合作用的结果。如在受污染的水体中,通常是多种污染物并存,而每种污染物 并非都是各自单独起作用,各类污染物之间也不都是简单的加减关系。理化监测仪器 常常反映不出这种复杂的关系,而生态监测却具有这种特征。例如在污染水体中利用 网箱养鱼进行的野外生态监测,鱼类样本的各项生物学指标状况就是水体中各种污染 物及其之间复杂关系综合作用的结果和反映。如生长速度的减缓,既与某些污染物对 鱼类的直接作用有关,同时也有污染物对饵料生物影响所起到的间接作用。 2.具有连续监测的功能用理化监测方法可快速而精确测得某空间内许多环境因 素的瞬时变化值,但却不能以此来确定这种环境质量对长期生活于这一空间内的生命 系统影响的真实情况。生态监测具有这种优点,因为它是利用生命系统的变化来“指 示”环境质量,而生命系统各层次都有其特定的生命周期,这就使得监测结果能反映 出某地区受污染或生态破坏后累积结果的历史状况。例如大气污染的监测植物,如同 不下岗的“哨兵”,真实地记录着污染危害的全过程和植物承受的累积量。事实证明, 植物这种连续监测的结果远比非连续性的理化仪器监测的结果更准确。如利用仪器监 测某地的SO,其结果是四次痕量、四次未检出、仅一次为006mg。但分析生长在
3 创者的科尔克威茨和马森（Kolkwiz and Marsson）也不主张简单地使用他们的生物 表，强调不要根据某种生物，而应该根据其生物群落来评价环境。目前人们所说的生 物监测，实际上大多都是生态监测。基于上述看法，本章将两者统称为生态监测。 （二）生态监测的特点和意义 生态监测是本世纪初叶发展起来的，其标志是科尔克威茨和马森提出的污水生物 系统，为运用指示生物评价污染水体自净状况奠定了基础。其后，克列门茨 （Clements，1920）把植物个体及群落对于各种因素的反应作为指标，应用于农、 林、牧业。他（1924）还主张把植物作为高效的测定仪器，积极提倡植物监测器（plant monltor）。50 年代后，经许多学者（如 Liebman，1951。津田松苗等，1964）的 深入研究，到 70 年代后使生态监测成为活跃的研究领域，并在理论和监测方法上更 加丰富，在环境监测中占有了特殊的地位。生态监测有物理和化学监测所不能替代的 作用和所不具备的一些特点，主要表现在： 1．能综合地反映环境质量状况 环境问题是相当复杂的，某一生态效应常是几种 因素综合作用的结果。如在受污染的水体中，通常是多种污染物并存，而每种污染物 并非都是各自单独起作用，各类污染物之间也不都是简单的加减关系。理化监测仪器 常常反映不出这种复杂的关系，而生态监测却具有这种特征。例如在污染水体中利用 网箱养鱼进行的野外生态监测，鱼类样本的各项生物学指标状况就是水体中各种污染 物及其之间复杂关系综合作用的结果和反映。如生长速度的减缓，既与某些污染物对 鱼类的直接作用有关，同时也有污染物对饵料生物影响所起到的间接作用。 2．具有连续监测的功能 用理化监测方法可快速而精确测得某空间内许多环境因 素的瞬时变化值，但却不能以此来确定这种环境质量对长期生活于这一空间内的生命 系统影响的真实情况。生态监测具有这种优点，因为它是利用生命系统的变化来“指 示”环境质量，而生命系统各层次都有其特定的生命周期，这就使得监测结果能反映 出某地区受污染或生态破坏后累积结果的历史状况。例如大气污染的监测植物，如同 不下岗的“哨兵”，真实地记录着污染危害的全过程和植物承受的累积量。事实证明， 植物这种连续监测的结果远比非连续性的理化仪器监测的结果更准确。如利用仪器监 测某地的 SO2，其结果是四次痕量、四次未检出、仅一次为 0.06mg。 但分析生长在
该地的紫花苜蓿叶片,其含硫量却比对照区高出0.87mg/。有些生态监测结果还有 助于对某地区环境污染历史状况的分析,这也是理化监测所办不到的 具有多功能性通常,理化监测仪器的专一性很强,测定O3的仪器不能兼测 sO,测SO的也不能兼测CH。生态监测却能通过指示生物的不同反应症状,分别 监测多种干扰效应。例如在污染水体中,通过对鱼类种群的分析就可获得某污染物在 鱼体内的生物积累速度以及沿食物链产生的生物学放大情况等许多信息。植物受 sO、PAN(过氧乙酰硝酸酯)和氟化物的危害后,叶的组织结构和色泽常表现出不 同的受害症状。 4.监测灵敏度高生态监测灵敏度髙包含着两种含义。从物种的水平上说,是指 有些生物对某种污染物的反应很敏感。如有种唐昌蒲,在001ppm的氟化氢下,20 小时就出现反应症状。据记载,有的敏感植物能监测到十亿分之一浓度的氟化物污染, 而现在许多仪器也未达到这样的灵敏度水平;另外,对于宏观系统的变化,生态监测 更能真实和全面地反应外干扰的生态效应所引起的环境变化。许多外干扰对生态系统 的影响都因系统的功能整体性而产生链锁反应。如大气污染可影响植物的初级生产 力,采用理化的方法可对此予以定量分析。然而,初级生产力变化使系统内一系列生 态关系的改变才是大气污染影响的全部效应,也是干扰后该系统的真实的环境质量状 况。生态系统的各组分对系统功能变化的反应也是很敏感的。因此,只有通过生态监 测才能对宏观系统的复杂变化予以客观的反映 当然,从整体上看,生态监测在理论的方法上仍有许多问题亟待解决,也还有 些缺陷,其主要表现是 不能像理化监测仪器那样迅速作出反应,从而可在较短时间内就能获得监测结 果,也不能像仪器那样能精确地监测出环境中某些污染物的含量,它通常反映的只是 各监测点的相对污染或变化水平; 外界各种因子容易影响生态监测结果和生物监测性能。如利用斑豆( phaseolus vulgaris L.)监测O3,其致伤率与光照强度密切相关。SO对植物的危害受气象条 件影响很大等
4 该地的紫花苜蓿叶片，其含硫量却比对照区高出 0.87mg/g。有些生态监测结果还有 助于对某地区环境污染历史状况的分析，这也是理化监测所办不到的。 3．具有多功能性 通常，理化监测仪器的专一性很强，测定 O3的仪器不能兼测 SO2，测 SO2的也不能兼测 C2H4。生态监测却能通过指示生物的不同反应症状，分别 监测多种干扰效应。例如在污染水体中，通过对鱼类种群的分析就可获得某污染物在 鱼体内的生物积累速度以及沿食物链产生的生物学放大情况等许多信息。植物受 SO2、PAN（过氧乙酰硝酸酯）和氟化物的危害后，叶的组织结构和色泽常表现出不 同的受害症状。 4．监测灵敏度高 生态监测灵敏度高包含着两种含义。从物种的水平上说，是指 有些生物对某种污染物的反应很敏感。如有种唐昌蒲，在 0.01ppm 的氟化氢下，20 小时就出现反应症状。据记载，有的敏感植物能监测到十亿分之一浓度的氟化物污染， 而现在许多仪器也未达到这样的灵敏度水平；另外，对于宏观系统的变化，生态监测 更能真实和全面地反应外干扰的生态效应所引起的环境变化。许多外干扰对生态系统 的影响都因系统的功能整体性而产生链锁反应。如大气污染可影响植物的初级生产 力，采用理化的方法可对此予以定量分析。然而，初级生产力变化使系统内一系列生 态关系的改变才是大气污染影响的全部效应，也是干扰后该系统的真实的环境质量状 况。生态系统的各组分对系统功能变化的反应也是很敏感的。因此，只有通过生态监 测才能对宏观系统的复杂变化予以客观的反映。 当然，从整体上看，生态监测在理论的方法上仍有许多问题亟待解决，也还有一 些缺陷，其主要表现是： 不能像理化监测仪器那样迅速作出反应，从而可在较短时间内就能获得监测结 果，也不能像仪器那样能精确地监测出环境中某些污染物的含量，它通常反映的只是 各监测点的相对污染或变化水平； 外界各种因子容易影响生态监测结果和生物监测性能。如利用斑豆（phaseolus vulgaris L．）监测 O3，其致伤率与光照强度密切相关。SO2对植物的危害受气象条 件影响很大等；
生物生长发育,生理代谢状况等都制约着外干扰的作用。相同强度的同种干扰对 处于不同状态的生物常产生不同的生态效应。如水稻在抽穗、扬花、灌浆时期对污染 反应最敏感、危害最大,而成熟期的敏感性就明显降低: 指示生物同一受害症状可由多种因素造成,增加了对监测结果判别的困难。如许 多植物的落叶、矮态、卷转、僵直和扭曲等,大气氟化物的污染和低浓度除草剂的施 用均可造成上述异常现象。SO3对植物的伤害往往与霜冻或无机盐缺乏的症状也很相 但是,尽管生态监测还存在着一定的局限性,它在环境监测中的地位和作用仍然 是非常重要的。通过生态监测可揭示和评价各类生态系统在某一时段的环境质量状 况,为利用、改善和保护环境指出方向;其次,由于生态监测更侧重于研究人为干扰 与生态环境变化的关系,可使人们搞清哪些活动模式既符合经济规律又符合生态规 律,从而为协调人与自然的关系提供科学依据;另外,通过生态监测还能掌握对生态 环境变化构成影响的各种主要干扰因素及每种因素的贡献。这既能为受损生态系统的 恢复和重建提出科学依据,也可为制定相应的环保管理计划,增强环保工作的针对性 和主动性,进而提髙措施的有效性服务;最后,由于生态监测可反馈各种干扰的综合 信息,所以使人们能依此对区域生态环境质量的变化趋势作出科学预测 三)生态监测的基本要求 与理化监测不同,生态监测有些特殊要求,明确和掌握这些基本要求对于工作的 顺利开展是有益的。 1.样本容量应满足统计学要求因受环境复杂性和生物适应多样性的影响,生态 监测结果的变异幅度往往很大,要使监测结果准确可信,除监测样点设置和采样方法 科学、合理和具有代表性外,样本容量应该满足统计学的要求,对监测结果原则上都 需要进行统计学的检验。否则,不仅要浪费大量的人力和物力,且容易得出不符合客 观实际的结论。例如,有人曾专门调查了东北、安徽、贵州等地区黄鼬冬季针毛的长 度,以此来分析气候条件的差异是否对其有影响。每个地区随机取四个样本,得到了 表8-1的结果。从表中项看,地区间有一定差异,但同一地区的不同样本间也有差异。 如果对结果的分析停留在这个水平上,就容易得出“黄鼬冬季针毛长度的地区差异与 5
5 生物生长发育，生理代谢状况等都制约着外干扰的作用。相同强度的同种干扰对 处于不同状态的生物常产生不同的生态效应。如水稻在抽穗、扬花、灌浆时期对污染 反应最敏感、危害最大，而成熟期的敏感性就明显降低； 指示生物同一受害症状可由多种因素造成，增加了对监测结果判别的困难。如许 多植物的落叶、矮态、卷转、僵直和扭曲等，大气氟化物的污染和低浓度除草剂的施 用均可造成上述异常现象。SO2对植物的伤害往往与霜冻或无机盐缺乏的症状也很相 似。 但是，尽管生态监测还存在着一定的局限性，它在环境监测中的地位和作用仍然 是非常重要的。通过生态监测可揭示和评价各类生态系统在某一时段的环境质量状 况，为利用、改善和保护环境指出方向；其次，由于生态监测更侧重于研究人为干扰 与生态环境变化的关系，可使人们搞清哪些活动模式既符合经济规律又符合生态规 律，从而为协调人与自然的关系提供科学依据；另外，通过生态监测还能掌握对生态 环境变化构成影响的各种主要干扰因素及每种因素的贡献。这既能为受损生态系统的 恢复和重建提出科学依据，也可为制定相应的环保管理计划，增强环保工作的针对性 和主动性，进而提高措施的有效性服务；最后，由于生态监测可反馈各种干扰的综合 信息，所以使人们能依此对区域生态环境质量的变化趋势作出科学预测。 （三）生态监测的基本要求 与理化监测不同，生态监测有些特殊要求，明确和掌握这些基本要求对于工作的 顺利开展是有益的。 1．样本容量应满足统计学要求 因受环境复杂性和生物适应多样性的影响，生态 监测结果的变异幅度往往很大，要使监测结果准确可信，除监测样点设置和采样方法 科学、合理和具有代表性外，样本容量应该满足统计学的要求，对监测结果原则上都 需要进行统计学的检验。否则，不仅要浪费大量的人力和物力，且容易得出不符合客 观实际的结论。例如，有人曾专门调查了东北、安徽、贵州等地区黄鼬冬季针毛的长 度，以此来分析气候条件的差异是否对其有影响。每个地区随机取四个样本，得到了 表 8-1 的结果。从表中项看，地区间有一定差异，但同一地区的不同样本间也有差异。 如果对结果的分析停留在这个水平上，就容易得出“黄鼬冬季针毛长度的地区差异与