本文關(guān)鍵詞：流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第 30 卷第 2 期
2010 年 2 月

環(huán)　 　 　 　 　 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào) 　 Acta Scientiae Circum stantiae

Vol 30, No. 2 . Feb. , 2010

王雪梅 ,劉靜玲 ,馬牧源 ,等 . 2010. 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策 [ J ]. 環(huán)

境科學(xué)學(xué)報(bào) , 30 ( 2) : 237 - 245
W ang X M , L iu J L ,Ma M Y, et a l 2010. Aquatic ecological risk assessment and management strategies in a watershed: An overview [ J ]. Acta Scientiae . Circum stantiae, 30 ( 2) : 237 - 245

流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策
王雪梅 ,劉靜玲 ,馬牧源 ,楊志峰
北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 ,水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,北京 100875 收稿日期 : 2009 210 229 　　　 錄用日期 : 2009 212 228 目標(biāo)優(yōu)化管理提出研究展望及管理對(duì)策 . 關(guān)鍵詞 : 流域 ; 水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) ; 復(fù)合污染 3

摘要 : 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是流域水環(huán)境管理急需解決的難題和研究熱點(diǎn) ,與傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理的主要不同點(diǎn)在于流域的異質(zhì)性和復(fù)合污染問題 . 依靠單一污染物研究不足以提供全面風(fēng)險(xiǎn)信息 ,無法適應(yīng)我國(guó)流域水環(huán)境改善和生態(tài)恢復(fù)的管理需求 . 本文通過對(duì)復(fù)合污染的聯(lián)合毒性效應(yīng) 及其研究方法的分析 ,綜述和比較了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性和不足 ,探討適合于建立流域不同生態(tài)單元質(zhì)量和復(fù)合污染效應(yīng)間關(guān)系的方 法 ,發(fā)展和構(gòu)建反映流域時(shí)空尺度變化規(guī)律的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型 . 并就流域水生態(tài)毒理機(jī)理 、 水環(huán)境的生態(tài)響應(yīng)時(shí)空異質(zhì)性變化規(guī)律和流域多

文章編號(hào) : 0253 2 2468 ( 2010) 02 2237 209 　　　 中圖分類號(hào) : X171 　　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A

Aqua tic ecolog ica l r isk a ssessm en t and managem en t stra teg ies in a wa tershed: An overv iew
3

WANG Xuem ei, L I J ingling ,MA M uyuan, YANG Zhifeng U
Rece ived 29 October 2009; 　　　accepted 28 December 2009

State Key Laboratory of W ater Environment Sim ulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875

Abstract: R isk assessment of the water environment in watersheds has become an important direction and an urgent p roblem of environmental

management The key p roblem s, which are different from traditional risk management, are the heterogeneity of watersheds and the multip le pollution . sources Single pollutant based risk assessments are insufficient to p rotect aquatic environments and p rovide information for ecological restoration in the .

China Basin. In this paper, studies on ecotoxicological effects and research methods of combined pollution are summarized, and a variety of aquatic ecological risk assessment methods are compared. To develop a model of aquatic ecological risk assess ment including both spatial and temporal changes,

we discuss the methods for establishment of the relationship s between habitat quality of different ecological units and the effects of combined pollution. Recommendations are made in three fields: ecotoxicological effects in a watershed; the spatial and temporal changes of the ecological response to pollution; and op tim ization of multi2 objective management standards for the watershed. Keywords: watershed; aquatic ecological risk assess ment; combined pollution

1　 引言 ( Introduction )

水環(huán)境危機(jī)是中國(guó)環(huán)境問題中最復(fù)雜且具挑

物的濃度處在很低的水平 , 也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類 健康產(chǎn)生負(fù)效應(yīng) ( Eggen, 2007 ) . 而流域作為一個(gè)復(fù) 合生態(tài)系統(tǒng) , 不僅存在地理位置空間上的連續(xù) , 更 重要的是生物學(xué)過程和物理環(huán)境的連續(xù) , 這也使得 污染物對(duì)水環(huán)境的危害在流域尺度上存在連續(xù)性 和復(fù)雜性 (楊志峰等 , 2006 ) . 隨著流域人口 、 社會(huì)經(jīng) 濟(jì)的迅猛發(fā)展 , 使得流域水環(huán)境質(zhì)量日趨惡化 , 資 源短缺矛盾加劇 , 水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能嚴(yán)重受

戰(zhàn)性的 ,大量的污染物不斷被排放到自然水體中 , 包含了許多有毒 、 持久性 、 生物高富集的危險(xiǎn)化合 物 ,對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)以及人類的健康造成了巨大的 威脅 (W ei et a l , 2008 ) . 據(jù)統(tǒng)計(jì)大約有 250000 種人 . 工化學(xué)品進(jìn)入水體 ( OSPAR , 2000 ) , 即使這些污染

基金項(xiàng)目 : 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 ( 973) 項(xiàng)目 (No. 2006CB403403) ; 國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng) (No. 2008ZX07209 2009) 作者簡(jiǎn)介 : 王雪梅 ( 1986 —) ,女 , E 2 mail: virginiawxm @163. com; 3 通訊作者 (責(zé)任作者 ) , E 2 mail: jingling@ bnu. edu. cn
B iography: WANG Xuemei ( 1986 —) , female, E 2 mail: virginiawxm @163. com; 3 Correspond in g author, E 2 mail: jingling@ bnu. edu. cn (No. 2008ZX07209 2009)

Supported by the National Basic Research Program of China (No. 2006CB403403 ) and the National W ater Pollution Control Major Project of China

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環(huán) 　　 　　 　　 　　 　　 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)

30 卷

損 ,致使水環(huán)境系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)復(fù)雜和程度 加劇 (劉靜玲等 , 2008 ) . 風(fēng)險(xiǎn)是指遭受損失 、 損傷 、 毀壞的可能性 , 或者 指產(chǎn)生有害結(jié)果的內(nèi)在概率 . 對(duì)有害因子的影響發(fā) 生的機(jī)率進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程稱為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) . 依據(jù)評(píng)價(jià) 受體不同 ,環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)被劃分為健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) , 其中前者所針對(duì)評(píng)價(jià)受體為人 , 評(píng) 價(jià)對(duì)象為化學(xué)脅迫因子 ; 后者所針對(duì)評(píng)價(jià)受體是生 態(tài)系統(tǒng) 、 生態(tài)系統(tǒng)組分或生物棲息地 , 評(píng)價(jià)的對(duì)象 可以是化學(xué) 、 物理脅迫因子 , 也可以是生物脅迫因 子 (黃圣彪等 , 2007 ) . 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已逐漸成 為制 定 流 域 管 理 決 策 的 科 學(xué) 基 礎(chǔ) 和 重 要 依 據(jù) ( Cor ier, 2000 ) . 與單一地點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相比 , 流 m 域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)涉及的風(fēng)險(xiǎn)源以及評(píng)價(jià)受體等都 具有空間異質(zhì)性 , 即存在空間分異現(xiàn)象 , 這就使其 更具復(fù)雜性 . 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中另一個(gè)問題是復(fù) 合污染 ,環(huán)境中的化學(xué)污染物是一種混合物 , 由于 相互作用 ,它們潛在的生態(tài)毒理作用可能要比單一 化學(xué)品復(fù)雜的多 ( Zeliger, 2003 ) , 研究表明一些化 學(xué)品在混合物中即使處在極低的濃度水平仍然具 有較高的活性 ( V ighi et a l , 2003 ) . 目前大多數(shù)國(guó) . 家現(xiàn)行的水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制 , 仍主要針對(duì)目標(biāo)化合物的 濃度或主要水質(zhì)參數(shù) . 而僅對(duì)環(huán)境立法中規(guī)定的化 合物進(jìn)行分析 ,一方面會(huì)忽略對(duì)未指定化合物的風(fēng) 險(xiǎn)評(píng)價(jià) ,同時(shí)理化分析不能檢測(cè)到水體中所有危險(xiǎn) 物質(zhì)及其相互作用的產(chǎn)物 , 也不能獲得水體中所有 污染 物 的 信 息 (W adhia et a l , 2007, M ankiew icz2 .
Boczek et a l , 2008 ) ; 另一方面忽略了污染物與生 .

目前 ,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要研究工作集中在科 學(xué)技術(shù)層面 ,即依據(jù)污染物環(huán)境過程及毒性效應(yīng)之 間的研究結(jié)果 , 認(rèn)定 、 估計(jì)與評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn) (黃圣彪等 , 2007 ) . 本文通過對(duì)復(fù)合污染的聯(lián)合毒性效應(yīng)及其 研究方法的分析和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的比較 , 探討 適合于建立流域不同生態(tài)單元質(zhì)量和復(fù)合污染效 應(yīng)間關(guān)系的方法 ,發(fā)展能夠反映時(shí)間和空間尺度變 化規(guī)律的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型 , 降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確 定性 ,以期為流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管理提供科學(xué) 依據(jù) .
2 　復(fù) 合 污 染 的 聯(lián) 合 毒 性 效 應(yīng) ( Ecotoxicological effects of combined pollution )

流域由一系列復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)組成 , 水系復(fù)雜 , 受多種污染源的影響 , 污染物之間的相互作用影響 生物對(duì)某種污染物的積累過程或不同層次上的生 物毒性 ,因而復(fù)合污染的作用機(jī)理的研究有助于了 解在環(huán)境中復(fù)合污染物的毒性效應(yīng) . 復(fù)合污染問題 包括聯(lián)合毒性作用 , 交互作用和生物地球化學(xué)過程 的耦合 . 復(fù)合污染物的毒性研究早在幾十年前展開 , 美 國(guó)科學(xué)家 B liss在 1939 年第一個(gè)提出了化學(xué)混合物 作用的概念框架 ,在此基礎(chǔ)上經(jīng)過科學(xué)家努力得到 不斷發(fā)展 . 但在最初多數(shù)研究是有關(guān)二元復(fù)合物 , 后來 逐 漸 有 了 兩 個(gè) 以 上 的 復(fù) 雜 混 合 物 的 報(bào) 道 ( Konem ann et a l , 1996 ) . 根據(jù)污染物間有無相互 . 作用和污染物的作用方式 , 復(fù)合污染的聯(lián)合作用主 要可分為拮抗作用 、 協(xié)同作用和加合作用 , 而加和 作用包括濃度加和和效應(yīng)加和兩種方式 . 拮抗作用 (Antagonism )是指一種化合物阻礙或 抑制另一種化合物的吸收 、 生理效應(yīng)的現(xiàn)象 ; 協(xié)同 作用 ( Synergism ) 是指一種化合物促進(jìn)另一種或多 種化合物的吸收 ,兩種或多種化合物的聯(lián)合效應(yīng)超 過各自效應(yīng)之和的現(xiàn)象 . 當(dāng)有些化合物并不存在兩 者之間相互作用 ,但作用方式 (M echanism of Action, MOA ) 相 同 時(shí) , 聯(lián) 合 毒 性 應(yīng) 等 于 濃 度 加 和 ( Concentration Additive, CA ) ,如果作用方式不同 ,聯(lián) 合 毒 性 則 是 效 應(yīng) 加 和 ( Independent Action or
Response Additive, I ) (De Zwart et a l , 2005 ) . A .

物有效性的相互關(guān)系 , 將導(dǎo)致高估或低估真正的生 態(tài)危險(xiǎn) ( Persoone et a l , 2003 ) . 因此對(duì)環(huán)境問題的 . 關(guān)注已從單一污染物的研究轉(zhuǎn)向復(fù)合污染的形成 機(jī)理與防治研究 ,從點(diǎn)源污染控制轉(zhuǎn)向區(qū)域環(huán)境控 制與治理 (黃圣彪等 , 2007 ) . 我國(guó)對(duì)河流 、 湖泊等地表水體監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)仍基 于對(duì)水質(zhì)的物理化學(xué)分析 , 且在立法中并沒有包括 毒性評(píng)價(jià) ,在水質(zhì)的常規(guī)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中也只對(duì)部分 重金屬和有機(jī)物及細(xì)菌數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行單一污染物 的濃度而不是所有污染物的濃度進(jìn)行評(píng)價(jià) , 而這些 資料都不能提供對(duì)于水生生態(tài)系統(tǒng)潛在危害的充 足信息 ; 而且我國(guó)流域常形成復(fù)雜的復(fù)合污染如海 河流域 ,與其他國(guó)家相比更具復(fù)雜性和特殊性 , 開 展流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究 , 對(duì)于流域的水環(huán)境 高效管理和生態(tài)改善保護(hù)具有重要意義 .

按照復(fù)合污染物的組成來分 , 主要包括重金屬 復(fù)合污染 、 無機(jī) 2 機(jī)復(fù)合污染 、 有 有機(jī)復(fù)合污染幾大 類型 ,不同類型的污染物組合的聯(lián)合毒性作用均有 報(bào)道 ,表 1 列舉了近年來的一些有關(guān)研究 . 環(huán)境中廣 泛存在著多種無機(jī)和有機(jī)污染物復(fù)合污染 , 目前研


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2期

王雪梅等 : 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策

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究除了對(duì)傳統(tǒng)污染物如有機(jī)螫合劑 、 農(nóng)藥 、 石油烴 及芳香類化合物 、 重金屬等的復(fù)合污染研究 , 也逐 漸有一些對(duì)新型污染物的聯(lián)合毒性研究報(bào)道 . 藥品 和個(gè)人護(hù)理用品 ( PPCPs)這類新型有機(jī)微量污染物 對(duì)環(huán)境的污染及對(duì)生物的毒害效應(yīng)引起了廣泛的 關(guān)注 ( Schnell et a l , 2009 ) . 由抗生素等引起的生態(tài) .

毒害問題日益嚴(yán)重 , 抗生素引起的復(fù)合污染一方面 源于對(duì)生物的直接毒害 , 另一方面抗生素抗性基因 的傳播已 成 為 一 種 新 的 環(huán) 境 污 染 物 (周 啟 星 等 , 2007 ) . 不斷出現(xiàn)的新型污染物和未知污染物的復(fù) 合生態(tài) 效 應(yīng) 將 增 加 流 域 環(huán) 境 風(fēng) 險(xiǎn) 預(yù) 測(cè) 與 管 理 的 難度 .

表 1　 不同組合復(fù)合污染效應(yīng)
Table 1 　Combined pollution of different compositions

相互作用類型 重金屬組合 拮抗作用 Antagonism 無機(jī) 2 機(jī)組合 有 有機(jī)物組合 重金屬組合 協(xié)同作用 Synergism 無機(jī) 2 機(jī)組合 有 有機(jī)物組合 重金屬組合 無機(jī) 2 機(jī)組合 有 有機(jī)物組合

污染物組合
Zn /A s Cu /Cd NH3 2 /Cu2 + / Zn2 + N EDTA /Cu Cu / Pb Cd /Cr6 + Cu2 + /NO 2Pb /Hg/Cd /Cu Zn /N i/ Pb /Cd Cu /菲

受試生物 小鼠 (Modi et a l , 2005) . 藻類 ( Collection, 2006) 水蚤 (W u, 2006) 蚯蚓 (A rnold et al , 2007) . 細(xì)菌 ( Cedergreen et al , 2006) . 水稻 (黃德 , 2008) 草魚 (王少博 , 2007) 水蚤 (W u, 2006) 水蚤 ( Xie et a l , 2007) . 水蚤 ( Cedergreen et al , 2006) . 水蚤 (Meng et a l , 2008) . 菜蛾 ( Jhee et a l , 2006) . 蚤 ( Xie et a l , 2006) . 發(fā)光細(xì)菌 (宋曉青等 , 2008) 淡水魚 (張暉 , 2008) 發(fā)光細(xì)菌 (葛會(huì)林等 , 2006)

嘧菌脂 /樂果

N i /菲 咪鮮胺 /敵草快

加和作用 Addition

除草劑 /N i/Cd 雌激素 苯胺混合物

　　 除了復(fù)合污染物的組成 , 劑量水平 、 劑量使用 率、 暴露順序和暴露方式等都影響最后的毒性效 應(yīng) . 如除草劑氯嘧磺隆與 Cu、 對(duì)小麥根莖的毒 Cd 性 ,在 Cu、 低濃度的時(shí)候是拮抗作用 , 而在高濃 Cd 度時(shí)則產(chǎn)生協(xié)同作用 (W ang et a l , 2005 ) ; 有研究 . 報(bào)道以魚體中蛋白質(zhì)含量為指標(biāo) ,將同時(shí)加入 N i和 Cd 與先加 N i再加 Cd 的情況進(jìn)行比較 ,發(fā)現(xiàn)前者毒 性更大 、 協(xié)同作用更強(qiáng) ( V irk et a l , 1999 ) , 故僅用 . 簡(jiǎn)單的效應(yīng)模型來估測(cè)復(fù)合污染的毒理效應(yīng)是不 足的 . 但由于化合物間存在復(fù)雜相互作用 , 很難準(zhǔn) 確量化 ,故研究中復(fù)合污染物毒性預(yù)測(cè)集中在不存 在相互作用 時(shí) , 使用 CA 和 I 兩種 常用 模型 , 如 A
Faust等采用了這兩種模型對(duì)均三嗪混合物復(fù)合污 染的毒性進(jìn)行了估測(cè) ( Faust et a l , 2001 ) . 對(duì)于更 .

理、 毒性預(yù)測(cè)模型也有待于更多的積累 . 3 　毒 性 效 應(yīng) 的 研 究 方 法 ( M ethods of researching ecotoxicological effects) 水生態(tài)毒理研究的核心在 生物 效應(yīng) , 包括 分 子、 、 、 細(xì)胞 個(gè)體 種群和群落水平上研究生物對(duì)污染 脅迫的響應(yīng)及其反饋 . 常用研究方法 (表 2 ) 除常規(guī) 的實(shí)驗(yàn)室毒理研究 、 野外調(diào)查 、 試驗(yàn)和定點(diǎn) 、 定位的 研究和監(jiān)測(cè)外 , 還采用生物傳感器 、 建立實(shí)驗(yàn)室規(guī) 模的模式生態(tài)系統(tǒng) (微宇宙 ) 、 室外圍隔或籠養(yǎng)生物 等進(jìn)行毒性測(cè)試 ,建立生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型等方法 ( Carlisle et a l , 2006 ) . 但這些標(biāo)準(zhǔn)方法中毒性效應(yīng) . 都是跟介質(zhì)中的濃度和生物有效性相關(guān)聯(lián) , 對(duì)生物 體內(nèi)污染物的吸收和實(shí)際作用濃度往往不清楚 , 而 污染的生物效應(yīng)的劑量跟毒物在生物體內(nèi)作用的 靶位點(diǎn)直接相關(guān) . 所以通過毒理動(dòng)力學(xué)對(duì)靶位點(diǎn)的 濃度與暴露濃度相結(jié)合的研究受到了廣泛關(guān)注 , 但 由于毒物代謝過程復(fù)雜 , 很難量化這一系列的過 程 ,多數(shù)研究中多以體內(nèi)總的污染物濃度來研究其 生物效應(yīng) ( Schwarzenbach et a l , 2006 ) . .

復(fù)雜的混合物的毒性預(yù)測(cè) Junghans等 ( 2004 ) 提出 了二步預(yù)測(cè)模型 , 根據(jù)混合物的 MOA 分類 , 利用 CA 模型預(yù)測(cè) MOA 相類混合物的毒性 , 再利用 I A 模型預(yù)測(cè)各類混合物總的毒性 . 然而此模型的前提 假設(shè)是污染物不存在相互作用 , 提出后因?yàn)閷?shí)踐的 難度性也尚未有實(shí)驗(yàn)證明 , 對(duì)于復(fù)合污染的作用機(jī)

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環(huán) 　　 　　 　　 　　 　　 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)
表 2　 生態(tài)毒性效應(yīng)研究方法比較
Table 2 　Methods of ecotoxicology research

30 卷

研究水平

測(cè)試內(nèi)容

暴露類型 室內(nèi)

研究實(shí)例 污染物類型 農(nóng)藥 污水處理廠出水 消毒劑 受試對(duì)象 室內(nèi)培養(yǎng)生物膜 ( Kapanen et a l , 2007) . 人工基質(zhì)原位培養(yǎng)生物膜 ( Spaenhoff et a l , 2007) . 微宇宙 (張偉 2008) 細(xì)菌 、 藻類 ( Picado et a l , 2008) . 蜉蝣類 ( Robertson et a l , 2007) . 蚤類 (Meng et a l , 2008) . 魚 ( Rand et al , 2000) . 海膽胚胎 (孫雪峰等 , 2009) 魚 (B roeg et a l , 2005) . 肺腫瘤細(xì)胞 (Magrez et a l , 2006) . 魚肝臟細(xì)胞 (B roeg et al , 2005) . 魚 ( Scheil et a l , 2009) . 魚 (B roeg et a l , 2005) .

群落

結(jié)構(gòu) 、 功能

室外

種群

死亡 、 疾病 、 豐度 、 基因多樣性 、 恢復(fù)率 代謝 、 、 、 生殖 行為 發(fā)育

室內(nèi) 室外 室內(nèi)

工業(yè)廢水 污染河水 重金屬 殺蟲劑 農(nóng)藥 污染河水 碳納米材料 污染河水 殺蟲劑混合物 污染河水

個(gè)體

室外 細(xì)胞 代謝 、 免疫反應(yīng) 神經(jīng)元功能 、 遺傳毒性 、 酶溶體 穩(wěn)定性 酶活性 、 、 受體 離子通道 、 DNA、 RNA 室內(nèi) 室外 亞細(xì)胞 室內(nèi) 室外 室內(nèi) 室外

分子

　　 為了更全面了解污染物的毒性效應(yīng)及其對(duì)生 態(tài)環(huán)境的影響 , 研究方法也不斷發(fā)展 : 從單一污染 物到復(fù)合污染物 ,從短期急性毒性效應(yīng)到長(zhǎng)期的慢 性毒性效應(yīng) , 從簡(jiǎn)單的室內(nèi)模擬到室外的原位實(shí) 驗(yàn) ,從單一物種到多物種以及生態(tài)系統(tǒng) , 從單一水 平到多水平 . 但仍存在一些問題 , 如單一物種毒性 并不足以外推來估測(cè)群落水平的效果 , 采用群落水 平調(diào) 查 受 到 缺 少 簡(jiǎn) 單、 模 化 的 方 法 的 限 制 規(guī) ( Schm itt2 Jansen et a l , 2007 ) , 因此 , 研究逐漸采用 . 多營(yíng)養(yǎng)級(jí)的物種組合 ( Picado et a l , 2008 ) 、 . 生物膜 ( Sabater et a l , 2007 )等方法 . 此外 ,基因組學(xué) 、 . 蛋白
et a l , 2003 ) . 在技術(shù)方面如時(shí)間溫度梯度電泳 、 . 流

尺度下環(huán)境模擬與生態(tài)毒性機(jī)理如何在宏觀尺度 下流域水環(huán)境管理中應(yīng)用也是面臨的待解決科學(xué) 難題 ,急需新思路和新方法 .
4 　流 域 水 生 態(tài) 風(fēng) 險(xiǎn) 評(píng) 價(jià) 研 究 ( Aquatic ecological risk assess ent in watershed ) m

目前 ,國(guó)內(nèi)外對(duì)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究類型主 要包括水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 、 水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和水 質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) . 水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究多是針對(duì) 不同水體單元中單一或多種污染物質(zhì) , 基于毒理數(shù) 據(jù) ,利用成熟的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)研究 , 還沒有從 流域水環(huán)境整體角度出發(fā) , 無法考慮多風(fēng)險(xiǎn)源和多 脅迫因子及其相互關(guān)系 . 關(guān)于水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 還處于起步階段 ,目前已開展的一些研究一般是基 于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論和框架 , 針對(duì)具體的污染物 從水生態(tài)毒理的角度進(jìn)行研究 , 大多還僅處于理論 方法的探討階段 . 如江敏等 ( 2006 ) 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的 伊維 菌 素 的 水 生 態(tài) 風(fēng) 險(xiǎn) 進(jìn) 行 了 評(píng) 估 ; W ang 等 ( 2005 ) ,通過對(duì)黃河三角洲濕地水體中多環(huán)芳烴的 特征來源解析 , 評(píng)估了其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) . 對(duì)流域由復(fù)合 污染引起的生態(tài)系統(tǒng)問題需要化學(xué) 、 毒性和生態(tài)系 統(tǒng)評(píng)價(jià) 3 個(gè)層面的方法 . 傳統(tǒng)的根據(jù)污染物的濃度 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的化學(xué)評(píng)價(jià)方法已被廣泛研究 , 應(yīng)用 到常規(guī)的監(jiān)測(cè)管理中 , 在此本文主要對(duì)幾種毒性和 生態(tài)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探討和比較 (表 3 ) .

質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等新興技術(shù)領(lǐng)域的方法也不斷 被應(yīng)用進(jìn)來 , 如通過基因組學(xué)和毒理學(xué)的結(jié)合 , 可 以了解在污染物長(zhǎng)期或短期暴露下對(duì)生物基因表 達(dá)的 改 變 , 獲 得 其 遺 傳 毒 性 的 數(shù) 據(jù) ( M iracle Ann et a l , 2004 ) ; 又如英國(guó)建立在代謝組學(xué)基礎(chǔ)上的 . 毒理數(shù)據(jù)庫(kù) ,為毒性作用的預(yù)測(cè)提供了支持 ( L indon 式細(xì)胞儀 、 高效液相色譜法等方法的應(yīng)用也促進(jìn)了 生 態(tài) 毒 理 的 研 究 ( Stachow ski2 Haberkorn et a l , . 2009 ) . 從現(xiàn)有的研究來看 , 微觀的方法技術(shù)是毒理 研究很好的工具 ,但如何解釋并利用各類組學(xué)所獲 得的大量數(shù)據(jù) ,將分子和生化效應(yīng)與復(fù)雜的環(huán)境相 結(jié)合依然是生態(tài)毒理研究的挑戰(zhàn) . 而且僅依靠這類 方法無法描述污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜作用 . 微觀

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王雪梅等 : 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策
表 3　 復(fù)合污染的評(píng)價(jià)方法
Table 3 　Ecotoxicological assessment methods of combined pollution

241

評(píng)價(jià)方法 毒性 當(dāng) 量 因 子 法 ( Sutter
et a l , 2006) .

主要指標(biāo) 混合 物 的 毒 性 當(dāng)量 ( TEQ )

評(píng)價(jià)對(duì)象

優(yōu)點(diǎn) 通過劑量轉(zhuǎn)化為單一物 質(zhì) ,只需要考慮相對(duì)毒性 強(qiáng)度 ,不需要研究每一組 分的全面毒性 . 對(duì)組分作用方式不相似 的混合物具有較好的預(yù) 測(cè)能力 ,基于每種組分單 獨(dú)暴露的毒性反應(yīng)累加 . 快速 、 高效 , 直接反應(yīng)整 體毒性效應(yīng) . 長(zhǎng)期暴露下復(fù)合污染物 的毒性效應(yīng)的評(píng)價(jià) . 快速的室內(nèi)急性毒性實(shí) 驗(yàn)外推室外自然水體的 長(zhǎng)期的生態(tài)毒性 .

缺點(diǎn) 僅能 對(duì) 已 知 組 分 及 MOA 相同的混合 物進(jìn)行 評(píng)價(jià) , 適用范圍窄 ,要求嚴(yán)格 . 需要 確 定 每 一 組 分 的 劑 量 2 應(yīng)關(guān)系曲線 , 只有當(dāng) 反 曲線在低濃度時(shí)呈線性才 有效 . 對(duì)于低濃度的復(fù)合污染的 慢性毒性無法進(jìn)行評(píng)價(jià) . 采用單物種外推生態(tài)系統(tǒng) 安全存在不確定性 . 僅能對(duì)有機(jī)類復(fù)合污染進(jìn) 行評(píng)價(jià) .

已知 組 分 的 復(fù) 合污染物 毒性評(píng)價(jià) 反 應(yīng) 加 合 法 ( Backhaus
et a l , 2000) .

毒性效應(yīng) E
( Cm ix )

直接毒性評(píng)價(jià)法 ( Picado
et a l , 2008) .

受試生物 EC50值
BA I > 25 生 態(tài)

廢水 或 含 高 濃 度污染物水體 自然 水 體 的 污 染物 自然 水 體 中 的 有機(jī)污染物

生物效應(yīng)指數(shù)
(B roeg et a l , 2005) .

受損

生態(tài)評(píng)價(jià)

生物安全指數(shù)
(W ei et a l , 2006) .

BSR 級(jí)數(shù)

4. 1. 1 　 毒性評(píng)價(jià) 　 對(duì)復(fù)合污染物的毒性評(píng)價(jià)方法

2008 ) . 直接毒性評(píng)價(jià)的方法快速高效 , 能夠?qū)?fù)合

總結(jié)起來主要有 3 種 : ① 綜合分析法 ,將復(fù)合污染物 作為一個(gè)共同作用的整體 , 如直接毒性評(píng)價(jià)法等 ; ② 組分分析法 ,對(duì)復(fù)合物污染物中的各組分進(jìn)行單 獨(dú)研究 ,再通過組分不同的加合方式評(píng)價(jià)整體的效 應(yīng) ,如劑量加和法 、 反應(yīng)加和法 ; ③合成分析法 , 通 過研究簡(jiǎn)單的污染物組合來外推更加復(fù)雜的污染 物組合的效應(yīng) (M cCarty et a l , 2006 ) . . 直接毒性評(píng)價(jià)的方法是將包含多種已知和未 知污染物的廢水樣品作為一個(gè)整體 , 以樣品急性毒 性實(shí)驗(yàn)的受試生物效應(yīng) (半效應(yīng)濃度 EC50或半致死 濃度 LC50 )來進(jìn)行毒理評(píng)價(jià) . 美國(guó) 、 加拿大以及歐盟 等國(guó)都有詳細(xì)的利用不同生物進(jìn)行直接毒性評(píng)價(jià) 的導(dǎo)則 ,并有相應(yīng)的毒性判斷標(biāo)準(zhǔn) . 根據(jù)受試對(duì)象 的不同 ,把水生生物毒性試驗(yàn)分為 : 藻類毒性試驗(yàn) 、 細(xì)菌類毒性試驗(yàn) 、 原生動(dòng)物類毒性試驗(yàn) 、 蚤類毒性 試驗(yàn) 、 魚類毒性試驗(yàn)及群落級(jí)毒性試驗(yàn) . 國(guó)內(nèi)也有 運(yùn)用生物對(duì)工業(yè)等廢水的毒性評(píng)價(jià)研究 (李凱彬 ,
2006 ) ,但國(guó)家尚未出臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則 . 近年來 ,

污染的整體生態(tài)毒理效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià) , 提供對(duì)環(huán)境保 護(hù)和污染物控制的信息 . 但此種評(píng)價(jià)方法的毒理學(xué) 終點(diǎn)都是依賴于急性毒性實(shí)驗(yàn) , 對(duì)于低濃度的復(fù)合 污染的慢性毒性無法進(jìn)行評(píng)價(jià) . 4. 1. 2 　 生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià) 　 生態(tài)毒理學(xué)中常利用生物 標(biāo)志物和指示生物來評(píng)價(jià)污染物的生態(tài)效應(yīng) , 可以 彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室毒理實(shí)驗(yàn)的不足和限制 , 更直接準(zhǔn)確的 反應(yīng)生態(tài)狀態(tài) . 生態(tài)系統(tǒng)中的敏感物種或關(guān)鍵物種 及其特殊的反應(yīng)常被作為反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的指示生 物或生物標(biāo)志物 , 敏感生物分子 、 生化的變化到種 群、 群落的響應(yīng)變化都可以用作評(píng)價(jià)外界脅迫的生 態(tài)效應(yīng) ( Adam s, 2000 ) . 如下面介紹評(píng)價(jià)的方法都 是基于相應(yīng)的生物標(biāo)志物和指示生物 . 生物效應(yīng)評(píng)價(jià)指數(shù) ( bioeffect assessm ent index, BA I) 是 由 K B roge 等 在 健 康 評(píng) 價(jià) 指 數(shù) ( Health . assess ent index)基礎(chǔ)上改進(jìn)的生態(tài)毒理評(píng)價(jià)方法 . m
BA I是基于歐洲比目魚的肝臟在多個(gè)病理學(xué)終點(diǎn)的

直接毒性評(píng)價(jià)朝著多物種綜合評(píng)價(jià)的方向發(fā)展 , 以 求更全面的評(píng)價(jià)廢水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響 , 建立控制 污染的 標(biāo) 準(zhǔn) . 如 歐 洲 的 一 項(xiàng) 多 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) 室 聯(lián) 合 對(duì)
Trancao河流域的工業(yè)廢水生態(tài)毒理學(xué)評(píng)價(jià)中 ,利用

指標(biāo)通過加權(quán)得出的綜合性指數(shù) , 包含了分子水 平、 亞細(xì)胞水平 、 細(xì)胞水平 、 個(gè)體水平和種群水平的 生物標(biāo)志物 ,而多水平的生物標(biāo)志物可以綜合反應(yīng) 出復(fù)合污染物的毒性效應(yīng) (B roeg et a l , 2005 ) . BA I . 所獲取的長(zhǎng)期暴露下慢性毒性的生態(tài)毒理學(xué)信息 , 可對(duì)多種污染的復(fù)合污染做出評(píng)價(jià) , 不足的是這種 評(píng)價(jià)方法僅僅基于單物種 , 雖然包含多個(gè)水平的毒 性效應(yīng) ,但不能對(duì)污染物與其他物種及生態(tài)系統(tǒng)的 危害做出評(píng)價(jià) .


了不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的多種生物結(jié)合理化指標(biāo)進(jìn)行分析 評(píng)價(jià) ,廢水對(duì)受試生物的 EC50值小于 10%被認(rèn)為是 有毒的 , 并篩選出了最優(yōu)敏感的生物組合 (細(xì)菌 、 蚤 、 類 測(cè) 試 ) 作 為 立 法 的 參 考 ( Picado et a l , 藻 .

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環(huán) 　　 　　 　　 　　 　　 境 科 學(xué) 學(xué) 報(bào)

30 卷

生物安全指數(shù) ( bio 2safety rank, B SR ) 是由魏東 斌等 (W ei et a l 2006 )建立的一種通過敏感生物組 . 合的室內(nèi)短期急性毒性實(shí)驗(yàn)外推評(píng)價(jià)自然水體長(zhǎng) 期的安全等級(jí)的方法 . 此種外推的方法的基礎(chǔ)是急 性毒性與慢性毒性的比例即 ACR ( Acute 2to 2chronic ratio ) ,常使用急性毒性實(shí)驗(yàn)的半效應(yīng)濃度 ( EC50 ) 與 慢性毒性試驗(yàn)的最大無效應(yīng)濃度 ( NOEC ) 的比值
(Ahlers et a l , 2006 ) . 參考了 USEPA 的研究結(jié)果篩 .

性進(jìn)行評(píng)價(jià) (W ei et a l , 2006; 2008 ) . B SR 的方法 . 通過簡(jiǎn)單快速的室內(nèi)急性毒性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了室外自 然水體長(zhǎng)期的生態(tài)毒理效應(yīng) , 使用生物組合可以更 全面地反映有機(jī)污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響 , 但不足的 是僅對(duì)有機(jī)污染進(jìn)行了評(píng)價(jià) ,忽略了其他污染物 . 綜上可見 ,現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法可以為水生態(tài)保護(hù) 提供有用的信息 , 但仍存在各自的局限性 , 單獨(dú)應(yīng) 用在流域尺度上是不足以提供全面的信息用于流 域水生態(tài)保護(hù)和管理 . 同時(shí)流域包含了多個(gè)不同的 生態(tài)單元 ,不同地區(qū)的水體無論從水質(zhì)上還是從水 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征上都有著明顯的差異 , 且不同 生態(tài)單元質(zhì)量同時(shí)受到水質(zhì) 、 水量和水生態(tài)的共同 影響 . 因此 , 應(yīng)該根據(jù)流域的情況建立流域不同生 態(tài)單元質(zhì)量和復(fù)合污染效應(yīng)間關(guān)系 , 加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng) 的監(jiān)測(cè) ,需要將化學(xué) 、 毒性和生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià) 3 種方法 結(jié)合起來形成流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的體系 (見圖 1 ) ,發(fā)展能夠反映時(shí)間和空間尺度變化規(guī)律的生態(tài)

選出了在同類生物對(duì)污染物最敏感的藻 、 蚤和魚作 為受試生物組合 , 并由日本的毒理數(shù)據(jù)庫(kù)分析了 300 種化合物對(duì)這 3 種生物的 ACR , 在 300 種化合 物 ACR 的 80%的置信區(qū)間確定了濃縮倍數(shù) n, 并在 n 的基礎(chǔ)上確定 3 個(gè)更小的濃縮倍數(shù) . 通過分離濃 縮獲得自然水樣中的有機(jī)污染物的混合物 , 并稀釋 到指定倍數(shù)進(jìn)行急性毒性試驗(yàn) . 通過各濃縮倍數(shù)的 急性毒性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行打分 , 綜合 3 種生物的分?jǐn)?shù)進(jìn)行 BSR 分級(jí) ,可對(duì)自然水體有機(jī)污染物長(zhǎng)期的生態(tài)毒

圖 1　 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式圖

Fig 1 　Model of water risk assessment of combined pollution in a watershed .

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王雪梅等 : 流域水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及管理對(duì)策

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風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型 , 降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性 , 提供的 風(fēng)險(xiǎn)信息服務(wù)于流域的綜合管理 .
5 　展 望 及 管 理 對(duì) 策 ( Prospective and managem ent strategies)

在了解流域污染物的產(chǎn)生 、 遷移 、 轉(zhuǎn)化和富集 基礎(chǔ)上 ,加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè) , 有助于我們了解棲息 地質(zhì)量和復(fù)合污染效應(yīng)間關(guān)系 , 發(fā)展能夠反映時(shí)間 和空間尺度變化規(guī)律的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型 . 由于流 域尺度下水環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性 , 流域水生態(tài)風(fēng) 險(xiǎn)的研 究 和 管 理 在 如 下 方 面 有 待 進(jìn) 行 深 入 系 統(tǒng) 研究 . 5. 1 　 生態(tài)毒理效應(yīng)機(jī)理研究 ( 1 )污染物之間的相互作用復(fù)雜 , 而且在實(shí)際 水環(huán)境中 , 很多污染物的含量低 , 更多的是由于復(fù) 合污染造成生態(tài)破壞 , 故應(yīng)注重對(duì)污染物的聯(lián)合作 用的毒理研究 . 通過了解其聯(lián)合毒理效應(yīng)和致毒機(jī) 理 ,確定復(fù)合污染物組分間的聯(lián)合或相互作用的劑 量范圍等 . ( 2 )環(huán)境中污染物種類眾多 , 研究清楚所有污 染物的生態(tài)毒理效應(yīng)和相互作用是一項(xiàng)艱巨的工 作 ,而污染物的作用方式 (MOA ) 直接影響了復(fù)合污 染物的生態(tài)毒理效應(yīng) . 故可以考慮按 MOA 進(jìn)行污 染物的分類 ,按類進(jìn)行生態(tài)毒理的研究和管理 . ( 3 )不斷出現(xiàn)的新型污染物已經(jīng)對(duì)水環(huán)境造成 影響 ,對(duì)新型污染物的生態(tài)毒理的研究將基于化學(xué) 和生物學(xué)新型分析測(cè)試手段的進(jìn)步與發(fā)展 . 5. 2 　 流域時(shí)空異質(zhì)性變化規(guī)律研究 ( 1 ) 流域是由不同生態(tài)系統(tǒng)組成的異質(zhì)性區(qū) 域 ,不同的生態(tài)單元的水體無論從水質(zhì)上還是從水 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征上都有著明顯的差異 . 因而需 要研究適合于不同生態(tài)單元的監(jiān)測(cè)方法 , 在生態(tài)系 統(tǒng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上建立棲息地質(zhì)量與復(fù)合污染效應(yīng) 間的關(guān)系 ,反映時(shí)間和空間尺度的變化規(guī)律 . ( 2 )在毒理效應(yīng)研究的受試物種上雖然不再局 限于單一物種 , 使用了各種生物組合 , 但在反映對(duì) 生態(tài)系統(tǒng)的影響上還是存在局限性 . 故在流域尺度 上 ,為了反映復(fù)合污染對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響 , 可 以使用如生物膜 、 微宇宙等方法在流域上中下游針 對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)開展 ,以探索生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制 . ( 3 )已有研究采用的方法多局限在室內(nèi)的急性 毒性實(shí)驗(yàn) ,室外長(zhǎng)期的原位暴露實(shí)驗(yàn)將是未來的發(fā) 展趨勢(shì) ,在流域選擇具有不同水環(huán)境復(fù)合污染特征 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位 ,將低濃度條件長(zhǎng)效應(yīng)下的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

模擬結(jié)果與原位暴露的數(shù)據(jù)有效的結(jié)合起來 , 發(fā)現(xiàn) 流域水環(huán)境復(fù)合污染生態(tài)效應(yīng)及其時(shí)空變化規(guī)律 具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值 . 5. 3 　 面向流域多目標(biāo)優(yōu)化管理對(duì)策 ( 1 )流域尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) , 有利于流域的 綜合保護(hù)和管理 , 但現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法還不完善 , 不 能提供全面的評(píng)價(jià)信息和確定相應(yīng)的管理標(biāo)準(zhǔn) . 在 已有方法的基礎(chǔ)上需要研究適合于流域尺度的評(píng) 價(jià)方法體系和管理標(biāo)準(zhǔn) , 將化學(xué) 、 毒性 、 生態(tài)評(píng)價(jià) 3 種方法結(jié)合起來 . 借鑒國(guó)外的化學(xué)品登記制度加強(qiáng) 化學(xué)品管理 ,結(jié)合水資源優(yōu)化調(diào)度和生態(tài)需水保障 技術(shù) ,從水資源質(zhì)量 、 生態(tài)需水量和生態(tài)系統(tǒng)健康 3 方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理 . ( 2 )由于環(huán)境中復(fù)合污染物成分和作用機(jī)制復(fù) 雜程度 ,傳統(tǒng)的水質(zhì)的理化監(jiān)測(cè)不能提供對(duì)于水生 生態(tài)系統(tǒng)潛在危害的充足信息 , 需要加強(qiáng)長(zhǎng)期定位 的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè) ,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量 2 應(yīng)關(guān)系開展 效 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警 ,并建立共享數(shù)據(jù)的資源平臺(tái) , 以實(shí)現(xiàn)流 域的生態(tài)系統(tǒng)管理 . ( 3 ) 對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞的流 域 ,風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警已不能滿足于管理需求 , 應(yīng)注重生態(tài) 系統(tǒng)的恢復(fù)或修復(fù)評(píng)價(jià)體系的研究 , 建立動(dòng)態(tài)的評(píng) 價(jià)指標(biāo)體系 , 為流域的水生態(tài)恢復(fù)的管理提供依 據(jù) ,保障生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)性 .
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