淡水大型底棲無脊椎動物采樣方法綜述

沈偉 陳橋 張翔

（1.江蘇省常州環境監測中心，江蘇常州 213001；2.江蘇省環境保護水環境生物監測重點實驗室，江蘇常州 213001）

1 引言

淡水大型底棲無脊椎動物是生活史全部或至少一個時期棲息于內陸淡水（包括流水與靜水）水體底部表面或基質中，且個體不能通過425 μm（40 目）網篩的無脊椎動物。它們是淡水生態系統的重要類群，在生態系統物質循環和能量流動中具有重要作用，具有生命周期長、區域性強、遷移能力弱等特點，容易受各種外部環境條件（如水質變化、污染排放、生境破壞等）的影響，進而表現出不同的物種組成和豐度水平，起水下“哨兵”作用［1］。國際上，大型底棲無脊椎動物是已被實踐證明過的、可靠的水生態環境質量狀況的指示生物類群，并被廣泛應用。目前，歐盟、美國、加拿大、澳大利亞等發達國家與地區［2-4］均已將針對大型底棲無脊椎動物群落的監測和評價納入水生態環境監控與評估體系。在我國，大型底棲無脊椎動物的監測研究發端于20 世紀80 年代。環保、水利、漁業等多個部門均已將底棲動物作為重要指標納入相應管理的內容。從2010 年至今，隨著生物監測的快速發展［5］，大型底棲無脊椎動物已是生態環境監測中的重要一環［6］。

淡水生態系統可劃分為靜水生態系統和流水生態系統兩大類［7］。針對不同的生境類型，底棲動物的采樣方法有著較大的不同。本文主要根據淡水生態系統的類型，綜合國內外相關方法，結合野外生態調查及環境監測實際經驗，總結了大型底棲無脊椎動物的采樣方法。

2 國內外采樣方法研究

2.1 國外相關采樣方法研究

近30 年來，美國、英國、歐盟等相繼制定了大型底棲無脊椎動物監測相關技術規范并廣泛推廣使用。經過數十年的技術發展和不斷完善，這些國家和地區的相關技術規范已具有較高的科學性和可操作性，亦被其他國家和組織廣泛采納。

2.1.1 美國

19 世紀80 年代，美國環保局（USEPA）在各州使用的方法基礎上，著手開發全國性的生物監測與評價技術方案，即快速生物評價方案（Rapid Bioassessment Protocol，RBP）［8-9］。繼RBP 之后，不同部門和項目為了滿足自身需要，針對不同類型的河流陸續開發了其他技術方案。例如，EPA 的大型河流生物評價方案（Large River Bioassessment Protocol，LR-BP）［10］、環境監測與評價項目（Environmental Monitoring and Assessment Program，EMAP）中的小型河流方案［11］和大型河流方案［12］等，并在此基礎上繼續完善開發了國家河流與溪流評估（National Rivers and Streams Assessment，NRSA）的一系列技術規范。目前，經過多次修訂，NRSA 的技術文件已更新至NRSA2018-19 版本［13］，是USEPA 開展國家河流水生態監測和評價的主要方法依據。

2007 年，USEPA 的環境監測與評價項目開始了5年一次的全國湖泊評價（National Lake Assessment，NLA），同時發布了一系列NLA 的技術手冊。2007年，NLA 發布了野外采樣操作手冊（EPA841-B-07-004）和質量保證程序手冊（EPA 841-B-07-003），在2012 年第二次調查時，更新了這2 個技術手冊，同時新發布了實驗室操作手冊（EPA 841-B-11-004）和點位評價指南（EPA 841-B-11-003），大型底棲無脊椎動物的相關技術規范主要體現在野外采樣、實驗室分析和質量控制這3 個操作手冊中。目前，NLA技術手冊已更新至NLA2017 版本［14］。在NLA 中的大型底棲無脊椎動物調查中，主要對象是中小型湖泊，所以將其作為一個整體考慮，在湖濱帶等距布設10 個采樣點，并在其主要的棲息地生境進行采樣，所使用的工具為500 μm 孔徑的D 型網。最后，將10個采樣點的樣品混合形成混合樣，作為該研究對象湖泊的大型底棲無脊椎動物樣品進行分析。不過值得注意的是，NLA 技術方案的設計對象是小型湖庫，因此對大型湖庫的適用性較差，美國大湖區的底棲動物監測主要依據2016 年發布的大湖區項目底棲動物野外采樣操作規程［15］，該方法主要針對大湖區湖底多為松軟沉積物特性，采用抓斗式采泥器進行深水區底棲動物泥樣采集，采集后用500 μm 孔徑篩網進行洗滌，以獲取底棲動物樣品。

除了USEPA 外，美國材料與試驗協會（American Society of Testing and Materials，ASTM）和美國公共衛生協會（American Public Health Association，APHA）也發布了相關方法標準，其規范文件的呈現形式有兩種，分別為發布單規程和作為大型規程中的一個組成部分。但ASTM 的文件現已作廢，不再繼續更新。APHA 則仍在不斷更新的水與廢水標準檢驗方 法［16］（10500 Benthic Macroinvertebrates）中，對大型底棲無脊椎動物采樣有較為詳細的描述。

2.1.2 英國

英國淡水生態研究所（IFE）于1977 年開始進行“河流無脊椎動物預測及分類系統”（RIVPACS）［17］的開發工作。此方案由英國環保局進一步修訂和細化，目前在歐盟AQEM/STAR 項目中也有應用。此方法中，每個位點都應當界定采樣區和調查區。調查區的生境組成與采樣區相似，但是比采樣區的范圍更寬。采樣區長度為5～20 m，具體長度主要取決于河寬，河段較窄，則采樣長度較長，河段較寬，則采樣長度較短。調查區則在采樣區兩側延伸7 倍河寬（窄河段）或50 m（寬河段）。大型底棲無脊椎動物樣品的采集主要使用英國淡水生物協會（FBA）標準手網，大型河流可結合采泥器。采樣過程包括3 min 的手網采集和1 min 的手動搜尋。需要注意的是，手網采集應當覆蓋不同生境類型，采樣量按生境覆蓋比例分配；手動搜尋則包括手網無法采集到的生境以及水體表面個體。

2.1.3 歐盟

2000 年，歐盟發布了水框架指令（Directive 2000/60/EC）［18］，并提出了2015—2020 年水生態階段目標，即達到“良好狀態（good）”，其中大型底棲無脊椎動物是其評價依據之一。支撐其重要部分的為AQEM 項目［19］，全稱為“利用底棲大型無脊椎動物對歐洲河流進行生態質量評價的集成評價系統的開發和驗證”項目，有其配套的監測方法。歐盟的AQEM/STAR 技術指南中，大型底棲無脊椎動物的采樣范圍取決于河流大小，小型河流（流域面積1～100 km2）取20～50 m，中型河流（流域面積100～1 000 km2）取50～100 m，采樣點位必須覆蓋整個河寬。野外采樣方法基本與英國方法和美國RBP 方法的“復合生境采樣法”一致。

歐盟的部分成員國擁有自己的監測方法，更多的是依據ISO 方法，如ISO 10870：2012 使用較多，規定細致，其列舉了12 種大型底棲無脊椎動物采樣工具，并對每種工具的特點及適用環境和具體操作方法均進行了詳細說明［20］，見表1。

表1 針對不同生境條件大型底棲無脊椎動物采樣工具的選擇

為滿足WFD 的需求，英國環保局著手開發了適用于湖庫生態監測的技術方案。這套方案類似于河流生態監測方法，但又有所不同。大型底棲無脊椎動物的采樣點位設置在湖濱帶水深小于75 cm 的區域，采樣時通常使用FBA 標準手網（pond net）。采樣過程包括3 min 的手網采集和1 min 的手動搜撿。為了盡可能全面采集具有代表性的樣品，這套方案建議“Z”字形采樣策略，即按照一深一淺的順序重復移動。需要注意的是，手網采集應當覆蓋不同的生境類型，采樣量按生境覆蓋比例分配；手動搜撿則包括手網無法采集到的生境及水體表面的個體。

2.1.4 加拿大

加拿大于2002 年發布的《淡水大型底棲無脊椎動物分類、指標及方法》［4］中，主要針對生態環境監測中大眾參與的志愿服務進行了相關規定，其使用的方法主要參考USEPA 發布的RBP 方法。除了采樣的標準操作外，該方法也充分考慮到采樣頻率和采樣時間對大型底棲無脊椎動物數據的影響，推薦的采樣時間為春季河水解凍后，即對出現新的尚未成熟的幼體，或者在深秋大多數物種已經交配且經過整個夏季發育后未成熟個體進行采樣，這樣所采集到的大型底棲無脊椎動物樣本更能代表所調查水域的特征。

加拿大水生生物監測網（CABIN）是加拿大環境部開發的國家生物監測項目，其提供了標準的生物監測采樣方法和數據分析，從而可以比較來自全國的生物監測數據。CABIN 在2012 年發布了大型底棲無脊椎動物樣品處理、分類鑒定及質量控制的實驗室方法［21］，其中，規定了進行亞樣本挑揀時不得少于300 個大型底棲無脊椎動物個體的要求，并根據具體要求將樣本鑒定至最低分類階元，同時，在樣品運輸和儲存、樣品挑揀和處理、物種分類鑒定、數據錄入、標準樣品的留存等方面制定了詳細的質量控制和質量保證要求。

2.1.5 澳大利亞

澳大利亞于1994 年在聯邦政府的資助下開發的國家河流健康計劃（NRHP）中，基于英國RIVPACS方法（河流無脊椎動物預測和分類系統，Wright 1995）的預測模型建立了澳大利亞河流評估系統（Australian River Assessment System）［22］，用于評估及預測澳大利亞河流生物健康狀況。其中，大型底棲無脊椎動物采樣使用60 目、邊長為35 cm 的踢網，在溪流或河流的不同生境（如敞水區、沿岸帶等）中進行樣品采集。

2.1.6 日本

日本涉及底棲動物監測與評價的為日本陸地水域生物多樣性監測調查中河流調查的部分，目的是對其陸地水域主要二級河流干流及一級河流的流域面積較大、動植物群落較豐富、流經自然地域狀況較好的153 條河流開展調查。監測方法基本與英國保持一致。

2.2 國內相關采樣方法研究

20 世紀80 年代以來，我國在大型底棲無脊椎動物監測技術方面的研究得到了快速發展，經過諸多學者的長期研究，覆蓋了可涉水河流、不可涉水河流、湖泊和水庫等各類型水域，內容包括點位的選擇、樣品采集、實驗室分析以及質量保證和質量控制等關鍵技術環節，并在漁業［23］、水利［24-25］以及生物多樣性調查［26-27］等領域形成了一些行業技術規范。另外，2013 年印發了《流域生態健康評估技術指南》（環辦函〔2013〕320 號），2020 年生態環境部開始組織制定了以大型底棲無脊椎動物為關鍵生物類群之一的行業標準《河流水生態環境質量監測與評價技術指南》和《湖庫水生態環境質量監測與評價技術指南》，并于當年9 月底開始公開征求意見。但是，目前國內的相關監測方法的部分關鍵技術環節還有待進一步細化，特別是考慮到我國幅員遼闊，各地水系和生態條件差異較大，很難在國家層面的技術文件中面面俱到。2014 年環境保護部發布的HJ 710.8—2014《生物多樣性觀測技術導則 淡水底棲大型無脊椎動物》主要從物種資源角度出發，調查以獲得盡可能多的物種為目的，而水生態環境質量監測則以抽樣調查為主，以獲得具有代表性的結果，與生物多樣性調查存在明顯區別。

從國內各類相關監測方法的技術環節來看，點位的布設主要為滿足監測目的需要，選取具有代表性的地點，同時采樣點的多少應考慮河段長度、水面寬度、湖庫面積、底質、水深、水質、流速等多個因素。樣品采集是利用大型底棲無脊椎動物進行水生態評價的基礎，所采集樣品的代表性和客觀性決定評價的準確性。多年來我國學者研究了很多大型底棲無脊椎動物的采集方法，針對不同的水體類型、底質和水深采用不同的采樣方法。目前可涉水河流的采樣方法相對較成熟，分為定量和半定量采樣，與定量相比，半定量的特點是能夠獲得更多的代表性物種，一般由急流踢樣和靜水—緩流區及堤岸邊D 形網樣組成。對于一般的不可涉水河流、湖泊和水庫，常采用彼得森采泥器、帶網夾泥器、三角拖網、筒式以及人工基質采樣器等進行定性和定量采樣。而對于深水型水域的采樣，由于受到多種因素的影響，較為復雜，國內學者也開展了不斷的摸索和試驗。對黑龍江、松花江、烏蘇里江等大型河流所進行的大型底棲無脊椎動物調查工作表明，深水河流應盡量采用多種方法進行樣品采集，才能滿足樣品代表性、客觀性的要求。為了使采集的樣品具有代表性，大型底棲無脊椎動物多樣性觀測技術規范要求，定量采樣時每個采樣點需累計采樣面積達到1/8～1/3 m2，而對于深水河流每個采樣點累計采樣面積0.5～1.0 m2；半定量采樣時，拖拽距離視底質情況而定。總體而言，因不同的大型底棲無脊椎動物類群的棲息生境有較大差異，目前的研究多選擇多生境的混合樣作為監測點位的樣本。

對于采樣頻次的研究，淡水生物物種資源調查技術規定江河、湖泊和水庫采樣頻次可以每季度進行1 次，湖泊、水庫采樣應在最大和最小蓄水量時進行；環保、水利部門通常春秋季各進行1 次采樣。

3 淡水生態系統采樣

3.1 靜水生態系統采樣

3.1.1 樣點布設

在國外的方法中，對于屬于靜水生態系統的湖泊、水庫等類型，一般是將其作為整體進行研究，在湖泊、水庫的濱岸帶等距布設10 個采樣點并在主要棲息地生境中進行采樣，最后形成混合樣。

國內的方法中，漁業、水利部門對靜水生態系統的采樣點，基本上是要求覆蓋大部分生境及水庫的入水口區、出水口區、中心區等；在生態環境領域，則要求在湖庫監測點位周邊100 m 的范圍設置采樣區域。

3.1.2 采樣工具

美國EPA 主要使用500 μm 孔徑的D 型網；歐盟則根據采樣的水流及采樣類型來選擇合適的采樣工具，主要分為索伯網、各種采泥器及被動采樣裝置等。

國內方法中，漁業、水利部門等行業規范和HJ 710.8—2014 中規定湖庫采樣一般使用彼得遜采泥器或帶網夾泥器和三角拖網，一般選擇1～2 種或組合采樣裝置，《水和廢水監測分析方法（第四版）》還規定了人工基質籃式采樣器；水生態健康技術規程中則使用了采泥器定量采樣和三角拖網半定量采樣相結合的方法，該方法在實踐應用及文獻報道［27-28］中均顯示較為科學合理。

3.1.3 采樣頻次及時間

美國EPA 一般3～5 年進行1 次采樣，采樣時間一般選擇5—9 月之間；歐盟則根據區域不同來確定采樣頻次，主要考慮不同區域隨時間變化程度，一般的，天然湖泊每3～6 年采樣1 次，湖濱帶每年2 次，采樣時間一般選擇初春或夏末。

國內方法的采樣頻次一般為每年2 次，或者根據不同水期進行采樣，時間一般選擇5 月、9 月，或寬泛一些為春季、秋季。

3.1.4 采樣方法

美國EPA 的湖泊調查中要求從濱岸帶優勢生境中D 型網直線掃過1 m 長度，最大采樣深度為1 m；歐盟則要求每個點位采集2～3 夾，全湖采集7～15 夾。

國內方法中，HJ 710.8—2014 要求用采泥器采集1/8～1/3 m2的量；漁業、水利等行業規范及《水和廢水監測分析方法（第四版）》［29］中均未對具體采樣量作出要求；水生態健康技術規程中，要求采泥器累計采樣面積0.125～0.25 m2，三角拖網拖拽采集10～15 m，可視情況增加或減少。

3.2 流水生態系統采樣

3.2.1 樣點布設

國外的河流底棲動物采樣布點要求中，以EPA的NRSA 規定較為詳細，其將河流分為可涉水與不可涉水兩種，均選取河寬的40 倍河段為采樣河段，最短150 m、最長4 km，其中，可涉水河流在采樣河段中等距設置11 個樣點，逆流方向中間、左側、右側交替進行采集，不可涉水河流在采樣河段等距設置11 個樣點，左右岸交替采集，兩者均考慮不同生境不同底質類型。歐盟關于河流點位的布設則相對簡單，只規定了小型河流采樣范圍為20～50 m，中型河流采樣范圍為50～100 m，也提出了復合生境采樣要求。

國內的方法中，漁業方面規范主要考慮在淺灘、深槽、泉水區、支流、洄水灣等復合生境進行采樣；水利方面規范要求當河流水深小于5 m 時，監測河段長度按40 倍河寬定，當水深大于5 m 時，監測河段長度取1 km，按等距布設11 個監測斷面。生態環境領域，河流點位布設基本遵循與水質采樣點重合的原則，《水和廢水監測分析方法（第四版）》中規定較大的河流應在斷面上設左、中、右3 個采樣點；HJ 710.8—2014 要求，不可涉水河流中，若河面寬度不超過200 m，可在每個斷面的中部或靠岸一側設置1個采樣點；若河寬在200 m 以上，可在每個斷面的中部和左右兩側分別布設1 個至多個采樣點，樣點距離一般在100～200 m，可涉水河流則視底質類型、水深、流速、水面寬度、人類干擾程度等進行設置采樣點。

3.2.2 采樣工具

國外方法中，EPA 在采樣工具上，流水生態系統與靜水生態系統所使用的采樣工具基本一致，均為500 μm 孔徑的D 型網。

國內方法中，漁業、水利等行業規范在河流采樣使用的工具與湖庫基本一致；HJ 710.8—2014 中，可涉水河流使用D 形抄網，河岸淺水區及可涉水濕地使用定量框，溪流、淺灘使用踢網或D 形抄網。

3.2.3 采樣頻次及時間

關于采樣頻次，國內外各類方法在流水生態系統和靜水生態系統中的要求基本相同，美國EPA 一般3～5 年進行1 次采樣，采樣時間一般選擇5—9 月之間；歐盟則根據區域不同來確定采樣頻次，主要考慮不同區域隨時間變化程度，一般天然湖泊每3～6年采樣1 次，湖濱帶每年2 次，采樣時間一般選擇初春或夏末。國內方法的采樣頻次一般為每年2 次，或者根據不同水期進行采樣，時間一般選擇5 月、9月，或寬泛一些為春季、秋季。

3.2.4 采樣方法

美國EPA 的NRSA 中要求，在可涉水河流中，樣方面積0.093 m2（1 平方英尺）用腳踢底質30 s，如果無法使用采樣網，則在采樣點從約0.093 m2的基質上手工拾取樣本30 s，對于被植被鋪滿的采樣點，用網掃過0.093 m2內的植被30 s；在不可涉水河流中，在主要生境的10 m×15 m 范圍中用D 型網直線掃過1 m 長度，采樣深度在0.5～1.0 m。歐盟在河流采樣中則規定采樣量取決于采樣工具的選擇和采樣生境。

國內方法中，HJ 710.8—2014 中規定，水深超過3 m 的河流采用抓斗式采泥器，累計采樣面積為0.5～1.0 m2；可涉水河流使用D 形抄網或帶網夾泥器，移動D 形抄網采集約1 m2，河岸淺水區及可涉水濕地使用定量框總采樣累計0.25～1.00 m2，溪流、淺灘采樣使用踢網或D 形抄網采集0.5～1.0 m2。

4 結語

在靜水生態系統的底棲動物采樣中，主要還是以采泥器為主，輔助以人工基質等被動采樣手段；在流水生態系統中，采樣方法比較多樣，一般將采樣對象分為可涉水與不可涉水。對于可涉水河流，一般采用D 型網、手抄網、踢網等，輔助手工撿拾；對于不可涉水河流，則是以采泥器為主，輔助拖網等半定量工具。

大型底棲無脊椎動物監測在我國現行水生態環境質量監測與評價體系中仍處于前期研究和試點階段，缺少規范化、標準化的技術方法體系支撐，已成為當前我國水生態環境管理體系中突出短板。圍繞水生生物構建科學、規范、可行的監測技術標準體系是一個亟待解決的問題，是切實推進流域水生態目標管理的基礎和關鍵。

中國環境監測總站在2021 年12 月發布《水生態監測技術要求 淡水大型底棲無脊椎動物（試行）》，其中底棲動物采樣部分充分考慮我國現有水環境特點及水生態實際，重點參考《水和廢水監測分析方法（第四版）》中底棲動物的測定（B 類方法）、美國EPA的NRSA 及NLA 等國內外相關標準和規范的成果，同時結合國內生態環境管理的需求和監測業務的可操作性等實際特點，在點位布設、采樣工具選擇、采樣量等方面都作出了較為科學的規定，能夠滿足相關生態環境標準和管理工作的需求，方法科學、規范，結果準確、可靠，取材方便、操作簡明，具有普適性，易于推廣使用。