生物及生态监测技术研究进展Word文档下载推荐.docx
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生物监测是从生物学角度为环境质量的监测和评价提供依据。
可以用来补充物理、化学分析方法的不足。
如利用敏感植物监测大气污染。
在农业环境学上，生物监测是指利用生物对环境中污染物质的反应，即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。
农业上，经常用到监测生物。
对污染物敏感的生物种类，都可以作为监测生物。
1.2生物监测的方法
生物监测方法的建立是以环境生物学理论为基础的。
根据监测生物系统的结构水平、监测指示及分析技术等，可以将生物监测的基本方法大致分为四大类，即生态学方法、生理学方法、毒理学方法及生物化学成分分析法。
其中毒理学方法是我们实验室常用到的方法。
包括急性毒性实验，亚急性毒性实验和慢性毒性实验。
常用的生物有藻类、水蚤、斑马鱼、发光细菌等。
在国外，斑马鱼因为形体较小，半透明而被广泛研究。
国内，对于斑马鱼的研究也很多。
发光细菌是最新发现可以用来监测的生物，将得到广泛的应用。
通过毒理学实验，我们能够看到污染物质对于环境的污染程度，从而能为人们制定标准等提供科学的指标。
上文提到的利用鱼类酶活性指标来检测水体污染程度，是目前我们实验室研究的一大方面。
这一方法已有相关的国家标准。
并且此方法的国际国内的应用非常广泛。
生物监测在对大气，水体，土壤的监测中都包括多种方法。
针对大气污染的生物监测手段有很多，例如利用指示植物监测大气污染，和测定植物体内污染物的含量，估测大气污染状况；
此外，还有水污染的生物测试，即利用水生生物受到污染物的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染的状况。
这种方法可以测定水体的单因素污染，对测定复合污染也能收到良好的效果。
测试方法分为静水式生物测试和流水式生物测试。
在我们实验室主要是采用静水式生物测试来模拟生物的生存水环境，从而更加接近环境的直接作用；
对土壤污染进行生物监测也是一种可行的途径，但国内外做的工作还不多。
因为环境系统十分复杂，单一的理化监测并不能监测一个环境体系的危害。
通过生物监测能够直接反映污染物质对于环境的危害。
但是，生物监测并不能对单一指标进行定性的检测。
因此只有与物理、化学监测结合起来，才能取得更好的效果。
2生态监测的定义及分类
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。
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。
50年代后，经许多学者的深入研究，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。
2.1关于生态监测与生物监测关系的几种观点
生态监测是比生物监测更复杂、更综合的一种监测技术。
但是关于生态监测与生物监测的相互关系是存在多种说法的[2]。
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：
一种观点是：
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）；
另一种观点是：
生物监测包括着生态监测。
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）。
还有观点认为，无论是生物监测还是生态监测，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，凡是利用生命系统为主进行环境监测的方法和手段都可称为生态监测。
还有观点是生态监测是生态系统层次的生物监测。
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）；
2.2生态监测的新定义
生态监测普遍的定义是在地球的全部或者局部范围内观察和收集生命支持能力的数据、并加以分析研究，以了解生态环境的现状和变化。
随着环境科学的发展，以及社会生产、科学研究等领域的监测工作实践，生态监测远远超过了上述各种定义，生态监测的内容、指标体系和监测方法等，都表现出了全面性、系统性。
生态监测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。
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[3]，见图1。
因此，生态监测是指通过各种物理、化学、生化、生态学原理等各种技术手段，对生态环境中的各个要素、生物与环境之间的相互关系、生态系统结构和功能进行监控和测试，为评价生态环境质量，保护生态环境、恢复重建生态、合理利用自然资源提供依据。
它包括环境监测和生物监测。
也就是说在环境监测和生物监测交叉的学科范围内，产生了生态监测。
同时，生态监测的产生和发展也更大地促进了生物对环境的监测[4]。
2.3生态监测的内容
生态监测的对象可分为农田、森林、草原、荒漠、湿地、湖泊、海洋、气象、物候、动植物等，还包括人类活动变化的指标。
国内对生态监测类型的划分有许多种。
常见的是：
（一）从不同生态系统的角度出发，可分为城市生态监测、农村生态监测、森林生态监测、草原生态监测及荒漠生态监测等。
（二）根据生态监测两个基本的空间尺度，生态监测可分为：
宏观生态监测，微观生态监测。
宏观生态监测研究对象的地域等级至少应在区域生态范围之内，最大可扩展到全球[6]。
微观生态监测研究对象的地域等级最大可包括由几个生态系统组成的景观生态区，最小也应代表单一的生态类型。
根据监测的具体内容，微观生态监测又可分为干扰性生态监测、污染性生态监测和治理性生态监测以及环境质量现状评价生态监测。
对于生态监测的指标体系的选择包括了生态环境中非生命成分和生命成分的监测。
（一）生态环境中的非生命成分的监测包括自然环境条件的监测（如气候、水文、地质等）和物理、化学指标的异常（如大气污染物、水体污染物、土壤污染物、噪声、热污染、放射性等）。
（二）生态环境中生命成分的监测它包括对生命系统的个体、种群、群落的组成、数量、动态的统计和监控，污染物在生物体中的量的测试。
3生态监测的方法
上面介绍了生物监测的概念和方法。
生态监测是在生物监测在与环境监测的交叉中形成的学科。
而且，在目前研究复杂环境问题下，生态监测的应用比生物监测更为普遍[7]。
因此，我们接下来讨论生态监测的一些问题。
3.1生态监测的常用方法
生物监测的方法有很多。
在个体和种群水平，有指示生物法。
在群落和生态系统水平上，包括污水生物系统法，PFU法和生物指数和生物测试法。
（一）指示生物法是指用指示生物来监测环境状况的一种方法。
指示生物是一些对环境中的某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物。
通过其所作的反应可了解环境的现状和变化，起“预警”功能。
指示生物的基本特征：
对干扰作用反应敏感且健康；
具有代表性；
对干扰作用的反应个体间的差异小、重现性高；
具有多功能。
常用的指示生物：
紫花苜蓿（SO2）、地衣和苔藓（SO2、氟化物）、菜豆、烟草（O3）等。
（二）污水生物系统法是由Kolkwiz和Marsson1909年提出，后经完善的一种用于河流污染、尤其是有机污染的一种监测方法。
由于河流受污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自净过程，即随着河水污染程度的逐渐减轻，生物的种类组成也随之发生变化，在不同的河段将出现不同的物种。
根据生物种类组成将河流划分为多污带、α-污染带、β-污染带和寡污染带。
各污染带都有各自的物理、化学和生物的特征。
亦可用群落中优势种群来划分污染带[8]。
（三）PFU法是用取氨酯泡沫塑料块采集水域中微生物和测定其群集速度来监测和评价环境质量状况的一种方法。
1969年由美国弗吉尼亚工程学院和弗吉尼亚州立大学环境研究中心的Cairns等人1969年创立的。
国内自80年代起将这种方法用于污染水体的监测和评价。
PFU法的原理是岛屿生物学原理，即原生动物集群过程实际上是集群速度随着种类上升而下降的过程，二者的交叉点就是种数的平衡点。
达到平衡点的时间取决于环境条件。
PFU法的优点：
使监测水平提高到了群落层次，使监测更符合客观事实和真实环境；
简便易行。
（四）生物指数法是指用数学公式反映生物群落结构变化，以评价环境质量。
常用的有：
生物指数（BI）＝2nA+nB（n为底栖大型无脊椎动物的种类数，A为敏感种类数，B为耐污染种类数）。
污染生物指数＝颤蚓类的个体数量／底栖动物个体数量＊100
硅藻指数＝（2A＋B－2C）／（A＋B－C）＊100，A为不耐污染的种类数；
B为对有机污染耐力强的种类数；
C为在污染区内独有的种类数。
（五）生物测试是利用生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能等变化测试污染状况的方法。
包括急性毒性试验，慢性毒性试验，致突变检测以及微核技术。
其中毒性实验的方法是我们实验室常用的一种方法。
这与生物监测的毒性方法是一致的。
在这里不再详细介绍。
3.2生态监测的新技术
生态监测可以在大范围内观测宏观生态系统的数据，涵盖环境、生物、经济和社会等多方面。
这种在大范围内的数据就需要新的观测手段。
包括3S技术、电磁台网络监测技术、激光技术等。
在本文中将着重介绍3S技术。
3.2.13S技术简介
3S是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球卫星定位系统（GPS）的统称。
（1）遥感技术，RS在生态监测方面上的应用主要有遥感数据源的选择、地理坐标的选择（主要包括投影方式的选择、影像的几何配准、色彩匹配等工作技术流域与质量控制）、遥感影像的识别（即不同生态类型或景观的判读，主要包括分析体系的确立、判读标志的建立、质量控制与质量保证、野外验证等）、数据库的建设（空间数据库的生成、属性数据库的建立、影像库的建设、标志库的建立等）。
（2）地理信息系统，GIS主要用数据空间分析，包括数据库，如地形地貌、水文、环境背景（如积温、降水、太阳辐射等）以及遥感解析所生成的矢量生态景观类型数据，通过GIS实现对这些数据的面积的量算以及空间综合分析。
（3）全球定位系统，生态监测主要是利用GPS实现对野外调查的空间定位、环境质量监测网的空间定位、示范区（点）的空间定位等，来进行生态状况的综合分析。
主要应用空间对地观测的技术资源和数据资源，结合地面考察资料和已有的研究成果，快速查明生态环境中的沙漠化、水土流失、林草、冰雪、绿洲系统、土地利用等问题的现状，摸清影响地区生态环境变化的因素和演变规律，提出遏制生态环境持续恶化的评价预警指标系统，为各级政府开展生态环境综合治理提供基础数据和科学依据。
3.2.23S技术的应用最新进展
青海省综合运用3S技术，完成了青海湖重点区域生态环境的遥感本底监测，并尝试逐步将此项技术推广应用于三江源等西北重要地区的生态监测、评价、保护和规划工作。
并且快速查清了共和县和龙羊峡库区土地利用和土地覆盖的现状，并将植被、地貌、土壤和土地利用四要素进行叠加，制作出共和县和龙羊峡库区生态环境分类图，建立了生态环境数据库，为政府规划决策、资源开发、环境保护、重点工程建设等提供科学依据和服务。
国内有些地方已经成功地应用技术进行了生态监测并获得成功，如成都理工学院遥感研究所杨武年教授等采用技术，利用卫星遥感数据，结合野外实地调查，顺利完成了对国家898主题“西部金睛行动”之一的“岷江中上游地区生态环境综合动态监测”的研究。
3S技术中已经投入应用最多的是遥感技术，如国家海洋环境监测中心暨国家海洋局海洋环保所，成功地利用卫星遥感对年渤海特大赤潮进行监测，获取了特大赤潮的光谱特征，为渤海的环境问题与富营养化评价，以及赤潮灾害的行政管理提供了科学依据。
并在渤海、长江口和珠江口三个重点海域实施业务化示范监测，进行每天一次的卫星监测，发布卫星监测通报，为赤潮灾害的减轻和防污，提供了有力的决策依据。
目前，卫星监测已正式列入全国海洋环境监测计划。
孙飒梅等也利用卫星遥感数据对城市热岛强度进行监测研究，提出城市热岛强度作为城市生态环境状况的监测指标之一。
杨玉明对在生态监测网中的应用进行了研究，提出要将坐标系转换为实用的国家或地方坐标系，并注意基准点的选择与检验。
黄建文等利用内蒙古阿拉善左旗遥感影像，进行大沙鼠鼠害防治前后梭梭林受害程度调查，在分析防治区与对照区植被生长状况，健康和受害植被的光谱特征、研究区背景纹理特征的基础上，用对比分析、土壤调节植被指数和统计分类等方法，得出了受害植被的生长状况、健康植被面积增长量及对照区植被生长情况的相关数据，为鼠害防治管理和动态监测提供了新的研究方法。
吴继友等通过比较研究金矿区与背景区赤松林的生长状况和光谱反射率特征的差异、季节差异发现赤松中金属元素均呈强积累，重金属的过量吸收使金矿区赤松的生长状况变差，针叶内叶绿素含量减少，反射光谱特征明显变化，出现明显红界蓝移现象。
发现特征波长参量“蓝移”量存在季节差异，得出了高光谱分辨率遥感探测赤松林下金属矿藏的最好季节，为通过森林资源的光谱特征寻找矿藏提供了参考。
任国业利用遥感影像，结合地面样地调查和流域多年水文资料分析的方法，对长江上游型流域森林开展了水文效益研究与评价，弄清了各流域下垫面要素的性质和结构、流域水文参数变化规律，并结合流域森林水源涵养林的涵水机理和评价方法，提出长江上游水源林地的经营措施，探索了大流域森林水文效益评价方法，为“九五”长江防护林建设研究提供了参考资料。
何永涛等根据最新遥感影像资料，计算了黄土高原地区现有林地生长季的最小生态需水量和适宜生态需水量，为干旱半干旱地区的林草建设提供了参考。
刘苏，秦建新，魏晓芳。
就公路建设影响洞庭湖湿地生态环境的主要效应进行了研究，认为公路城镇化效应以及公路水利效应是影响的主要方面。
建立了相关的评价指标体系。
指标体系由公路等级指标、公路城镇化效应指标以及公路水利效应指标构成。
为基于3S技术监测评价公路建设影响洞庭湖湿地生态环境奠定了基础。
刘瑞民，王学军。
以太湖为研究区，应用遥感和GIS一体化的方法，提出了建立太湖环境动态监测信息系统的紧迫性，重点论述了系统的技术框架、功能、数据库组成，同时也强调了系统建设中应重视的问题。
太湖污染与环境动态监测信息系统研究。
任宪友，王学雷，肖飞，对湿地环境监测的几种主要方法进行了初步分析。
论证了湿地监测指标选取的原则与路线，在此基础上制定了湿地监测指标体系。
4生态监测的优缺点及要求
4.1生态监测的特点
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；
（2）具有连续监测的功能；
（3）具有多功能性。
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；
（4）监测灵敏度高
4.2生态监测的缺陷
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：
（1）不能像理化监测仪器那样迅速作出反应；
（2）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；
（3）外界各种因子容易影响生态监测结果和生物监测性能；
（4）生物生长发育，生理代谢状况等都制约着外干扰的作用[9]。
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。
4.3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。
（2）要定期、定点连续观测生物的生命活动具有周期性特点，如生理节律、日、季节和年周期变化规律等。
这就要求生态监测在方法上应实行定期的、定点的连续观测。
每次监测最好都要保证一定的重复。
切不可用一次监测结果作依据对监测区的环境质量给出判定和评价。
（3）综合分析对监测结果要依据生态学的基本原理做综合分析。
（4）要有扎实的专业知识和严谨的科学态度生态监测涉及面广、专业性强，监测人员需有娴熟的生物种类鉴定技术和生态学知识。
5生态监测目前的发展与展望
中国生态监测体系存在的问题和对策从整体上看，中国尚未建立起有效的、完善的生态监测网络，处于分散、重复和不规范的初级阶段，尚未形成可直接应用于生态监测具体工作的完整和成熟的技术体系。
具体表现在以下几个方面：
（1）实际监测与科研脱节。
监测中遇到的问题不能在科研中得到解决、而科研成果不能及时应用到监测实践中，严重阻碍了生态监测水平的提高，并造成人力、物力的很大浪费。
（2）缺乏统一的生态监测技术规范。
生态监测指标和方法不统一，监测数据缺乏可比性，对了解和掌握全国生态状况及变化趋势、提高生态监测整体能力、加强统一监测管理和扩大国际交流与合作十分不利。
（3）生态监测装备水平普遍较低，技术落后。
（4）生态监测信息管理分散、传递慢，难以信息共享，制约了生态监测整体水平的提高。
（5）缺乏专业人才，且专业技术人员的专业素质比较低。
（6）忽视了区域生态环境质量的综合监测，诸如农田、森林、湿地等生态系统的监测力度严重不足，造成了生态环境质量变化难以量化表示。
针对我国生态监测中的问题和不足[10]。
针对以上生态监测存在的问题，为了生态监测工作的顺利进行，目前应集中精力做好以下工作：
（1）建立和完善国家统一的生态监测网。
必须加强对生态环境监测的研究，开展相应的工作，建立和完善国家统一的生态监测体系。
（2）建立一套有效可行的生态监测方法。
以往的生态监测多数侧重于污染、灾害等方面，以定性描述为主。
今后应加强对生态的演化趋势、特性的监测，加强动态监测研究；
依靠3S技术进行各因子专题分析及多时相的数据分析，建立生态环境动态监测模型，实现定量表述、定量结果落实在每一个空间位置。
（3）建立生态监测信息库。
计算机和3S技术为生态环境监测信息管理动态化、宏观化提供了一种新的技术手段，可建立管理有序、技术规范和信息共享的网络，使不同时间和空间格局下的生态监测形成一个信息互联网络，使决策者有可能迅速、准确地了解较大范围的生态环境现状和发展变化趋势，不同部门之间统一规划布局、协调管理和决策。
（4）要建立科学合理的投资机制。
即不仅要注重仪器设备投资，还要充分考虑运行费用以及专业技术人员的专业素质。
（5）引入高新技术。
只有不断地更新技术，才能与国际相接轨，开展国际合作，在全球范围内监控环境变化[11]。
总之，生态监测产生于生物监测和环境监测。
在处理复杂和大范围环境问题中，已经发挥了其不同于理化监测的优势，并且在处理环境问题中已经有了很多成功的应用的实例。
在处理宏观生态问题上，3S技术，作为一门环境学科中，发展起来的优秀技术，已经应用与生态监测中，并取得了很好的效果。
但是，生态监测因为自身的特点，在我国目前的发展中仍存在很多问题，应该集中精力解决问题。
此外，生态监测也不是万能的，在特殊问题中，要结合具体的环境来选择指标体系以及结合相关的理化监测，才能得到更好地监测效果。
这项新兴的监测技术，补充了传统监测的不足，具有新的特点，期待生态监测能够有更好更大地发展。
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