淡水大型底栖无脊椎动物采样方法综述

沈伟 陈桥 张翔

（1.江苏省常州环境监测中心，江苏常州 213001；2.江苏省环境保护水环境生物监测重点实验室，江苏常州 213001）

1 引言

淡水大型底栖无脊椎动物是生活史全部或至少一个时期栖息于内陆淡水（包括流水与静水）水体底部表面或基质中，且个体不能通过425 μm（40 目）网筛的无脊椎动物。它们是淡水生态系统的重要类群，在生态系统物质循环和能量流动中具有重要作用，具有生命周期长、区域性强、迁移能力弱等特点，容易受各种外部环境条件（如水质变化、污染排放、生境破坏等）的影响，进而表现出不同的物种组成和丰度水平，起水下“哨兵”作用［1］。国际上，大型底栖无脊椎动物是已被实践证明过的、可靠的水生态环境质量状况的指示生物类群，并被广泛应用。目前，欧盟、美国、加拿大、澳大利亚等发达国家与地区［2-4］均已将针对大型底栖无脊椎动物群落的监测和评价纳入水生态环境监控与评估体系。在我国，大型底栖无脊椎动物的监测研究发端于20 世纪80 年代。环保、水利、渔业等多个部门均已将底栖动物作为重要指标纳入相应管理的内容。从2010 年至今，随着生物监测的快速发展［5］，大型底栖无脊椎动物已是生态环境监测中的重要一环［6］。

淡水生态系统可划分为静水生态系统和流水生态系统两大类［7］。针对不同的生境类型，底栖动物的采样方法有着较大的不同。本文主要根据淡水生态系统的类型，综合国内外相关方法，结合野外生态调查及环境监测实际经验，总结了大型底栖无脊椎动物的采样方法。

2 国内外采样方法研究

2.1 国外相关采样方法研究

近30 年来，美国、英国、欧盟等相继制定了大型底栖无脊椎动物监测相关技术规范并广泛推广使用。经过数十年的技术发展和不断完善，这些国家和地区的相关技术规范已具有较高的科学性和可操作性，亦被其他国家和组织广泛采纳。

2.1.1 美国

19 世纪80 年代，美国环保局（USEPA）在各州使用的方法基础上，着手开发全国性的生物监测与评价技术方案，即快速生物评价方案（Rapid Bioassessment Protocol，RBP）［8-9］。继RBP 之后，不同部门和项目为了满足自身需要，针对不同类型的河流陆续开发了其他技术方案。例如，EPA 的大型河流生物评价方案（Large River Bioassessment Protocol，LR-BP）［10］、环境监测与评价项目（Environmental Monitoring and Assessment Program，EMAP）中的小型河流方案［11］和大型河流方案［12］等，并在此基础上继续完善开发了国家河流与溪流评估（National Rivers and Streams Assessment，NRSA）的一系列技术规范。目前，经过多次修订，NRSA 的技术文件已更新至NRSA2018-19 版本［13］，是USEPA 开展国家河流水生态监测和评价的主要方法依据。

2007 年，USEPA 的环境监测与评价项目开始了5年一次的全国湖泊评价（National Lake Assessment，NLA），同时发布了一系列NLA 的技术手册。2007年，NLA 发布了野外采样操作手册（EPA841-B-07-004）和质量保证程序手册（EPA 841-B-07-003），在2012 年第二次调查时，更新了这2 个技术手册，同时新发布了实验室操作手册（EPA 841-B-11-004）和点位评价指南（EPA 841-B-11-003），大型底栖无脊椎动物的相关技术规范主要体现在野外采样、实验室分析和质量控制这3 个操作手册中。目前，NLA技术手册已更新至NLA2017 版本［14］。在NLA 中的大型底栖无脊椎动物调查中，主要对象是中小型湖泊，所以将其作为一个整体考虑，在湖滨带等距布设10 个采样点，并在其主要的栖息地生境进行采样，所使用的工具为500 μm 孔径的D 型网。最后，将10个采样点的样品混合形成混合样，作为该研究对象湖泊的大型底栖无脊椎动物样品进行分析。不过值得注意的是，NLA 技术方案的设计对象是小型湖库，因此对大型湖库的适用性较差，美国大湖区的底栖动物监测主要依据2016 年发布的大湖区项目底栖动物野外采样操作规程［15］，该方法主要针对大湖区湖底多为松软沉积物特性，采用抓斗式采泥器进行深水区底栖动物泥样采集，采集后用500 μm 孔径筛网进行洗涤，以获取底栖动物样品。

除了USEPA 外，美国材料与试验协会（American Society of Testing and Materials，ASTM）和美国公共卫生协会（American Public Health Association，APHA）也发布了相关方法标准，其规范文件的呈现形式有两种，分别为发布单规程和作为大型规程中的一个组成部分。但ASTM 的文件现已作废，不再继续更新。APHA 则仍在不断更新的水与废水标准检验方 法［16］（10500 Benthic Macroinvertebrates）中，对大型底栖无脊椎动物采样有较为详细的描述。

2.1.2 英国

英国淡水生态研究所（IFE）于1977 年开始进行“河流无脊椎动物预测及分类系统”（RIVPACS）［17］的开发工作。此方案由英国环保局进一步修订和细化，目前在欧盟AQEM/STAR 项目中也有应用。此方法中，每个位点都应当界定采样区和调查区。调查区的生境组成与采样区相似，但是比采样区的范围更宽。采样区长度为5～20 m，具体长度主要取决于河宽，河段较窄，则采样长度较长，河段较宽，则采样长度较短。调查区则在采样区两侧延伸7 倍河宽（窄河段）或50 m（宽河段）。大型底栖无脊椎动物样品的采集主要使用英国淡水生物协会（FBA）标准手网，大型河流可结合采泥器。采样过程包括3 min 的手网采集和1 min 的手动搜寻。需要注意的是，手网采集应当覆盖不同生境类型，采样量按生境覆盖比例分配；手动搜寻则包括手网无法采集到的生境以及水体表面个体。

2.1.3 欧盟

2000 年，欧盟发布了水框架指令（Directive 2000/60/EC）［18］，并提出了2015—2020 年水生态阶段目标，即达到“良好状态（good）”，其中大型底栖无脊椎动物是其评价依据之一。支撑其重要部分的为AQEM 项目［19］，全称为“利用底栖大型无脊椎动物对欧洲河流进行生态质量评价的集成评价系统的开发和验证”项目，有其配套的监测方法。欧盟的AQEM/STAR 技术指南中，大型底栖无脊椎动物的采样范围取决于河流大小，小型河流（流域面积1～100 km2）取20～50 m，中型河流（流域面积100～1 000 km2）取50～100 m，采样点位必须覆盖整个河宽。野外采样方法基本与英国方法和美国RBP 方法的“复合生境采样法”一致。

欧盟的部分成员国拥有自己的监测方法，更多的是依据ISO 方法，如ISO 10870：2012 使用较多，规定细致，其列举了12 种大型底栖无脊椎动物采样工具，并对每种工具的特点及适用环境和具体操作方法均进行了详细说明［20］，见表1。

表1 针对不同生境条件大型底栖无脊椎动物采样工具的选择

为满足WFD 的需求，英国环保局着手开发了适用于湖库生态监测的技术方案。这套方案类似于河流生态监测方法，但又有所不同。大型底栖无脊椎动物的采样点位设置在湖滨带水深小于75 cm 的区域，采样时通常使用FBA 标准手网（pond net）。采样过程包括3 min 的手网采集和1 min 的手动搜捡。为了尽可能全面采集具有代表性的样品，这套方案建议“Z”字形采样策略，即按照一深一浅的顺序重复移动。需要注意的是，手网采集应当覆盖不同的生境类型，采样量按生境覆盖比例分配；手动搜捡则包括手网无法采集到的生境及水体表面的个体。

2.1.4 加拿大

加拿大于2002 年发布的《淡水大型底栖无脊椎动物分类、指标及方法》［4］中，主要针对生态环境监测中大众参与的志愿服务进行了相关规定，其使用的方法主要参考USEPA 发布的RBP 方法。除了采样的标准操作外，该方法也充分考虑到采样频率和采样时间对大型底栖无脊椎动物数据的影响，推荐的采样时间为春季河水解冻后，即对出现新的尚未成熟的幼体，或者在深秋大多数物种已经交配且经过整个夏季发育后未成熟个体进行采样，这样所采集到的大型底栖无脊椎动物样本更能代表所调查水域的特征。

加拿大水生生物监测网（CABIN）是加拿大环境部开发的国家生物监测项目，其提供了标准的生物监测采样方法和数据分析，从而可以比较来自全国的生物监测数据。CABIN 在2012 年发布了大型底栖无脊椎动物样品处理、分类鉴定及质量控制的实验室方法［21］，其中，规定了进行亚样本挑拣时不得少于300 个大型底栖无脊椎动物个体的要求，并根据具体要求将样本鉴定至最低分类阶元，同时，在样品运输和储存、样品挑拣和处理、物种分类鉴定、数据录入、标准样品的留存等方面制定了详细的质量控制和质量保证要求。

2.1.5 澳大利亚

澳大利亚于1994 年在联邦政府的资助下开发的国家河流健康计划（NRHP）中，基于英国RIVPACS方法（河流无脊椎动物预测和分类系统，Wright 1995）的预测模型建立了澳大利亚河流评估系统（Australian River Assessment System）［22］，用于评估及预测澳大利亚河流生物健康状况。其中，大型底栖无脊椎动物采样使用60 目、边长为35 cm 的踢网，在溪流或河流的不同生境（如敞水区、沿岸带等）中进行样品采集。

2.1.6 日本

日本涉及底栖动物监测与评价的为日本陆地水域生物多样性监测调查中河流调查的部分，目的是对其陆地水域主要二级河流干流及一级河流的流域面积较大、动植物群落较丰富、流经自然地域状况较好的153 条河流开展调查。监测方法基本与英国保持一致。

2.2 国内相关采样方法研究

20 世纪80 年代以来，我国在大型底栖无脊椎动物监测技术方面的研究得到了快速发展，经过诸多学者的长期研究，覆盖了可涉水河流、不可涉水河流、湖泊和水库等各类型水域，内容包括点位的选择、样品采集、实验室分析以及质量保证和质量控制等关键技术环节，并在渔业［23］、水利［24-25］以及生物多样性调查［26-27］等领域形成了一些行业技术规范。另外，2013 年印发了《流域生态健康评估技术指南》（环办函〔2013〕320 号），2020 年生态环境部开始组织制定了以大型底栖无脊椎动物为关键生物类群之一的行业标准《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》和《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南》，并于当年9 月底开始公开征求意见。但是，目前国内的相关监测方法的部分关键技术环节还有待进一步细化，特别是考虑到我国幅员辽阔，各地水系和生态条件差异较大，很难在国家层面的技术文件中面面俱到。2014 年环境保护部发布的HJ 710.8—2014《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》主要从物种资源角度出发，调查以获得尽可能多的物种为目的，而水生态环境质量监测则以抽样调查为主，以获得具有代表性的结果，与生物多样性调查存在明显区别。

从国内各类相关监测方法的技术环节来看，点位的布设主要为满足监测目的需要，选取具有代表性的地点，同时采样点的多少应考虑河段长度、水面宽度、湖库面积、底质、水深、水质、流速等多个因素。样品采集是利用大型底栖无脊椎动物进行水生态评价的基础，所采集样品的代表性和客观性决定评价的准确性。多年来我国学者研究了很多大型底栖无脊椎动物的采集方法，针对不同的水体类型、底质和水深采用不同的采样方法。目前可涉水河流的采样方法相对较成熟，分为定量和半定量采样，与定量相比，半定量的特点是能够获得更多的代表性物种，一般由急流踢样和静水—缓流区及堤岸边D 形网样组成。对于一般的不可涉水河流、湖泊和水库，常采用彼得森采泥器、带网夹泥器、三角拖网、筒式以及人工基质采样器等进行定性和定量采样。而对于深水型水域的采样，由于受到多种因素的影响，较为复杂，国内学者也开展了不断的摸索和试验。对黑龙江、松花江、乌苏里江等大型河流所进行的大型底栖无脊椎动物调查工作表明，深水河流应尽量采用多种方法进行样品采集，才能满足样品代表性、客观性的要求。为了使采集的样品具有代表性，大型底栖无脊椎动物多样性观测技术规范要求，定量采样时每个采样点需累计采样面积达到1/8～1/3 m2，而对于深水河流每个采样点累计采样面积0.5～1.0 m2；半定量采样时，拖拽距离视底质情况而定。总体而言，因不同的大型底栖无脊椎动物类群的栖息生境有较大差异，目前的研究多选择多生境的混合样作为监测点位的样本。

对于采样频次的研究，淡水生物物种资源调查技术规定江河、湖泊和水库采样频次可以每季度进行1 次，湖泊、水库采样应在最大和最小蓄水量时进行；环保、水利部门通常春秋季各进行1 次采样。

3 淡水生态系统采样

3.1 静水生态系统采样

3.1.1 样点布设

在国外的方法中，对于属于静水生态系统的湖泊、水库等类型，一般是将其作为整体进行研究，在湖泊、水库的滨岸带等距布设10 个采样点并在主要栖息地生境中进行采样，最后形成混合样。

国内的方法中，渔业、水利部门对静水生态系统的采样点，基本上是要求覆盖大部分生境及水库的入水口区、出水口区、中心区等；在生态环境领域，则要求在湖库监测点位周边100 m 的范围设置采样区域。

3.1.2 采样工具

美国EPA 主要使用500 μm 孔径的D 型网；欧盟则根据采样的水流及采样类型来选择合适的采样工具，主要分为索伯网、各种采泥器及被动采样装置等。

国内方法中，渔业、水利部门等行业规范和HJ 710.8—2014 中规定湖库采样一般使用彼得逊采泥器或带网夹泥器和三角拖网，一般选择1～2 种或组合采样装置，《水和废水监测分析方法（第四版）》还规定了人工基质篮式采样器；水生态健康技术规程中则使用了采泥器定量采样和三角拖网半定量采样相结合的方法，该方法在实践应用及文献报道［27-28］中均显示较为科学合理。

3.1.3 采样频次及时间

美国EPA 一般3～5 年进行1 次采样，采样时间一般选择5—9 月之间；欧盟则根据区域不同来确定采样频次，主要考虑不同区域随时间变化程度，一般的，天然湖泊每3～6 年采样1 次，湖滨带每年2 次，采样时间一般选择初春或夏末。

国内方法的采样频次一般为每年2 次，或者根据不同水期进行采样，时间一般选择5 月、9 月，或宽泛一些为春季、秋季。

3.1.4 采样方法

美国EPA 的湖泊调查中要求从滨岸带优势生境中D 型网直线扫过1 m 长度，最大采样深度为1 m；欧盟则要求每个点位采集2～3 夹，全湖采集7～15 夹。

国内方法中，HJ 710.8—2014 要求用采泥器采集1/8～1/3 m2的量；渔业、水利等行业规范及《水和废水监测分析方法（第四版）》［29］中均未对具体采样量作出要求；水生态健康技术规程中，要求采泥器累计采样面积0.125～0.25 m2，三角拖网拖拽采集10～15 m，可视情况增加或减少。

3.2 流水生态系统采样

3.2.1 样点布设

国外的河流底栖动物采样布点要求中，以EPA的NRSA 规定较为详细，其将河流分为可涉水与不可涉水两种，均选取河宽的40 倍河段为采样河段，最短150 m、最长4 km，其中，可涉水河流在采样河段中等距设置11 个样点，逆流方向中间、左侧、右侧交替进行采集，不可涉水河流在采样河段等距设置11 个样点，左右岸交替采集，两者均考虑不同生境不同底质类型。欧盟关于河流点位的布设则相对简单，只规定了小型河流采样范围为20～50 m，中型河流采样范围为50～100 m，也提出了复合生境采样要求。

国内的方法中，渔业方面规范主要考虑在浅滩、深槽、泉水区、支流、洄水湾等复合生境进行采样；水利方面规范要求当河流水深小于5 m 时，监测河段长度按40 倍河宽定，当水深大于5 m 时，监测河段长度取1 km，按等距布设11 个监测断面。生态环境领域，河流点位布设基本遵循与水质采样点重合的原则，《水和废水监测分析方法（第四版）》中规定较大的河流应在断面上设左、中、右3 个采样点；HJ 710.8—2014 要求，不可涉水河流中，若河面宽度不超过200 m，可在每个断面的中部或靠岸一侧设置1个采样点；若河宽在200 m 以上，可在每个断面的中部和左右两侧分别布设1 个至多个采样点，样点距离一般在100～200 m，可涉水河流则视底质类型、水深、流速、水面宽度、人类干扰程度等进行设置采样点。

3.2.2 采样工具

国外方法中，EPA 在采样工具上，流水生态系统与静水生态系统所使用的采样工具基本一致，均为500 μm 孔径的D 型网。

国内方法中，渔业、水利等行业规范在河流采样使用的工具与湖库基本一致；HJ 710.8—2014 中，可涉水河流使用D 形抄网，河岸浅水区及可涉水湿地使用定量框，溪流、浅滩使用踢网或D 形抄网。

3.2.3 采样频次及时间

关于采样频次，国内外各类方法在流水生态系统和静水生态系统中的要求基本相同，美国EPA 一般3～5 年进行1 次采样，采样时间一般选择5—9 月之间；欧盟则根据区域不同来确定采样频次，主要考虑不同区域随时间变化程度，一般天然湖泊每3～6年采样1 次，湖滨带每年2 次，采样时间一般选择初春或夏末。国内方法的采样频次一般为每年2 次，或者根据不同水期进行采样，时间一般选择5 月、9月，或宽泛一些为春季、秋季。

3.2.4 采样方法

美国EPA 的NRSA 中要求，在可涉水河流中，样方面积0.093 m2（1 平方英尺）用脚踢底质30 s，如果无法使用采样网，则在采样点从约0.093 m2的基质上手工拾取样本30 s，对于被植被铺满的采样点，用网扫过0.093 m2内的植被30 s；在不可涉水河流中，在主要生境的10 m×15 m 范围中用D 型网直线扫过1 m 长度，采样深度在0.5～1.0 m。欧盟在河流采样中则规定采样量取决于采样工具的选择和采样生境。

国内方法中，HJ 710.8—2014 中规定，水深超过3 m 的河流采用抓斗式采泥器，累计采样面积为0.5～1.0 m2；可涉水河流使用D 形抄网或带网夹泥器，移动D 形抄网采集约1 m2，河岸浅水区及可涉水湿地使用定量框总采样累计0.25～1.00 m2，溪流、浅滩采样使用踢网或D 形抄网采集0.5～1.0 m2。

4 结语

在静水生态系统的底栖动物采样中，主要还是以采泥器为主，辅助以人工基质等被动采样手段；在流水生态系统中，采样方法比较多样，一般将采样对象分为可涉水与不可涉水。对于可涉水河流，一般采用D 型网、手抄网、踢网等，辅助手工捡拾；对于不可涉水河流，则是以采泥器为主，辅助拖网等半定量工具。

大型底栖无脊椎动物监测在我国现行水生态环境质量监测与评价体系中仍处于前期研究和试点阶段，缺少规范化、标准化的技术方法体系支撑，已成为当前我国水生态环境管理体系中突出短板。围绕水生生物构建科学、规范、可行的监测技术标准体系是一个亟待解决的问题，是切实推进流域水生态目标管理的基础和关键。

中国环境监测总站在2021 年12 月发布《水生态监测技术要求 淡水大型底栖无脊椎动物（试行）》，其中底栖动物采样部分充分考虑我国现有水环境特点及水生态实际，重点参考《水和废水监测分析方法（第四版）》中底栖动物的测定（B 类方法）、美国EPA的NRSA 及NLA 等国内外相关标准和规范的成果，同时结合国内生态环境管理的需求和监测业务的可操作性等实际特点，在点位布设、采样工具选择、采样量等方面都作出了较为科学的规定，能够满足相关生态环境标准和管理工作的需求，方法科学、规范，结果准确、可靠，取材方便、操作简明，具有普适性，易于推广使用。