CN101713774A - 水体中农药的生态风险识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水体中农药的生态风险识别方法，其属于生态风险识别领域。其步骤为：确定水体存在的农药种类；筛选水生态系统代表性生物种；获得识别区域内水体中农药的毒性数据；利用概率风险评价方法计算保护生态系统中95％物种的浓度值HC₅；进行各农药风险商值的计算，并进行风险排序；将毒性数据应用于概率风险评价方法，计算识别区域内农药生态风险总体水平；根据结果进行识别。本发明融合了现有的风险商值法和概率风险评价方法，通过筛选水生态系统代表性物种，并利用相对较少的毒性数据，实现了水体中农药的生态风险总体水平的量化，为水生态系统的保护提供决策依据。

Description

水体中农药的生态风险识别方法

技术领域

本发明涉及一种生态风险识别方法，更具体的说，是一种适用于水体中的农药残留物对生态系统所造成的风险的识别方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展，农业现代化水平的不断提高，除草剂、杀虫剂等农药被广泛应用于农业生产。通过农业面源污染、工业生产废水排放、自然挥发残留等途径，大量农药进入自然水体。这些农药类污染物质不可避免地对水生生物产生有害影响，并通过食物链的累积作用放大这一影响。因引，针对农药进行水生态系统的生态风险识别，量化生态风险水平，明确危险农药种类，可以为生态风险削减与生态环境管理提供重要的决策依据，进而保障水生态系统的健康与安全。

美国EPA 1998年通过了生态风险评价及识别准则，将生态风险识别过程分为3个主要阶段，即问题表述、分析、风险表征。目前，许多国家和地区都用该准则来指导化学品及农药的生态风险识别。依据这一准则，化学物质风险识别相关的模型、方法不断涌现，但多针对某一种化学物质的基于实验室分析、毒理检测的风险评价手段。现有的商值法(Risk quotient method)适于初步分析，但量化程度不高，不确定性大；概率评价方法适于反映总体风险水平，但不能识别具体物质和代表性物种的风险。以上两种主要方法各有长短，但总的从农药生态风险识别与管理需求来看，缺乏紧密结合环境浓度，反应区域内多种物质整体风险水平，且毒理数据需求少、操作简便、适于风险管理的生态风险识别方法体系。

我国现行的《危险化学品安全管理条例》自2002年施行，将危险化学品专项安全评价提到了议事日程，其中有三个条款规定了安全评价，但强调的是针对危险化学品生产、储存装置的安全评价。在化学安全评估方面，开展了较多有关化学品环境毒理、环境行为的研究。总体来讲，对于化学品的风险识别工作，尤其是针对生态环境安全方面的研究较少，尚未形成健全的识别框架与技术体系。目前，也未检索到成熟的关于生态风险识别的文献。

发明内容

1.发明要解决的技术问题：

针对现有的水体中农药的生态风险识别方法存在的问题，本发明建立起水体中农药的生态风险识别方法，适用于水体环境中的农药生态风险的识别，可分析水生态系统风险水平，确定区域内高风险农药，为水环境管理服务。

2.技术方案：

本发明的原理：水体中的农药对水生生态系统的危害主要由两方面决定：暴露，即水环境中农药物质的浓度分布；效应，即特定生物种对该农药物质的可观察的反应。环境浓度分布与剂量效应分布的重合部分即为某农药对某物种的生态风险值。

本发明的技术方案如下：

水体中农药的生态风险识别方法，其包括以下步骤：

(1)采集水样进行分析，确定水体存在的农药种类；

(2)筛选水生态系统代表性生物种：考虑代表性本地物种及其毒理数据可得性，包括浮游植物、浮游动物、昆虫和鱼等类别，针对某一种农药需要筛选至少3个以上物种，建议选择的物种数在10个以内；

(3)获得识别区域内水体中农药的毒性数据：收集代表性生物种的对应于各农药的毒性数据，对于同一物种或均为半数致死浓度(LC₅₀)数据，或均为半数效应浓度(EC₅₀)数据。

(4)利用概率风险评价方法计算保护生态系统中95％物种的浓度值(HC₅)：即将毒性数据作对数转换，求得其算术平均值(x_m)和标准差(s_m)，应用公式HC₅＝exp(x_m-k_Ls_m)计算，其中m为物种数，k_L为常数。

(5)将保护生态系统中95％物种的农药浓度值HC₅应用于商值法，进行各农药风险商值的计算，并进行风险排序：某一种农药的风险商值(RQ_i)计算公式： ${\mathrm{RQ}}_i=\frac{{\mathrm{EC}}_i}{{\mathrm{HC}}_5};$ 其中，EC_i为该农药的环境浓度，HC₅为其对应的保护水生态系统中95％物种的浓度值；如果RQ≥1，表明生态风险不可接受；RQ＜1，表明生态风险可接受；

(6)将毒性数据应用于概率风险评价方法，计算识别区域内农药生态风险总体水平：

由某一种农药A_i所产生的生态风险用概率Φ表示，计算公式如下：

$\mathrm{\Φ}={\{1+\exp [\frac{x_m-\ln C}{k_L/\ln (95/5)s_m}\left]\right\}}^{-1}$

其中C为环境浓度，其它参数含义同上。

区域内n种农药所造成的综合生态风险计算公式如下：

$\mathrm{\Φ}[A_1+A_2+...+A_n]$

$=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_i\right]-\underset{i_1<i_2}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_{i1}{A}_{i2}\right]+...$

$+{(-1)}^{r+1}\underset{i_1<i_2<...<i_r}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}[A_{i1}{A}_{i2}...A_{\mathrm{ir}}]+...$

$+{(-1)}^{n+1}\mathrm{\&Phi;}[A_1{A}_2...A_n]$

(7)根据结果进行识别：若识别区域内农药生态风险总体水平Φ＞5％，则表明农药对该水生态系统所造成的生态风险水平不可接受，需要进行风险管理。同时，风险商值≥1，或相对较高的农药应被确定为需要进行重点控制与管理的农药，以削减其对水生态系统所造成的损害。

上述步骤(3)中既可以采用实验的方法获得识别区域内水体中农药的毒性数据，也可以直接收集已有的识别区域内水体中农药的毒性数据。

3.有益效果：

本发明提供了一种针对水体中农药的生态风险识别方法，融合了现有的风险商值法和概率风险评价方法的优点，形成易于操作和适合为水环境管理服务的农药生态风险识别程序。通过筛选水生态系统代表性物种，并利用相对较少的毒性数据，实现了水体中农药的生态风险总体水平的量化，基于各农药的风险值进行风险排序，从而判断水体生态风险总体水平是否应进行管理及削减，同时分析各农药所引发的潜在风险是否可接受，进而明确应控制使用的农药种类，为水生态系统的保护提供决策依据。

附图说明

图1为水体中农药的生态风险识别流程示意图；

图2为太湖水体中农药的生态风险商值对比。

具体实施方式

以下通过实施例和附图进一步说明本发明。

实施例1

太湖水体中农药的生态风险识别：

1、确定太湖水体存在的农药种类

采集水样进行分析，检测出太湖东北部梅梁湾水体中存在阿特律津、DDT、敌敌畏、乐果、林丹、马拉硫磷、对硫磷、甲基对硫磷等8种农药。

2、筛选太湖水生态系统代表性物种

针对太湖生态系统特点，考虑相应毒性数据的可得性，综合选取了9种代表性物种。包括代表浮游植物的藻类，代表浮游动物的大型蚤、蚤状涵、长臂虾，代表昆虫的淡色库蚊和摇蚊，代表鱼类的鲤鱼、鲶鱼、青鳉。

3、收集浓度数据及毒性数据

收集识别区域内水体8种农药的浓度数据(见表1)；收集太湖生态系统9种代表性生物种的对应于各农药的毒性数据(见表2)，半数致死浓度(LC₅₀)或半数效应浓度(EC₅₀)。对于某一种农药，需要至少3个以上物种(物种数为m)的毒性数据，或均为LC₅₀或均为EC₅₀。

4、利用概率风险评价方法计算保护生态系统中95％物种的浓度值(HC₅)

将表2毒性数据作对数转换，求得其算术平均值(x_m)和标准差(s_m)，并从文献中获取常数k_L(见表3)。应用公式HC₅＝exp(x_m-k_Ls_m)进行计算，求得保护太湖水生态系统中95％物种的浓度值(见表3)。

5、农药风险商值计算与排序

将HC₅作为标准，应用于风险商值法，进行各农药风险商值(RQ)的计算。某一种农药的风险商值(RQ_i)计算公式： ${\mathrm{RQ}}_i=\frac{{\mathrm{EC}}_i}{{\mathrm{HC}}_5};$ 其中，EC_i为该农药的环境浓度，HC₅为其对应的保护太湖水生态系统中95％物种的浓度值；如果RQ≥1，表明生态风险不可接受；RQ＜1，表明生态风险可接受。计算结果如图2所示，各农药均未达到标准值1，即各农药单独造成的生态风险均可接受。其中敌敌畏对生态系统造成的风险最高，风险商值接近于1；其次为乐果、马拉硫磷、对硫磷，其它农药风险商值均较低。通过分析排序，可知太湖该区域高生态风险农药为敌敌畏、乐果、马拉硫磷、对硫磷。

6、生态系统总体风险量化

将毒性数据应用于已有的概率风险评价方法，计算区域内各农药综合作用下的生态风险总体水平。由某一种农药A_i所产生的生态风险用概率Φ表示，计算公式如下：

$\mathrm{\&Phi;}={\{1+\exp [\frac{x_m-\ln C}{k_L/\ln (95/5)s_m}\left]\right\}}^{-1}$ 其中C为环境浓度，其它参数含义同上。

区域内n种农药所造成的综合生态风险计算公式如下：

$\mathrm{\&Phi;}[A_1+A_2+...+A_n]$

$=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_i\right]-\underset{i_1<i_2}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_{i1}{A}_{i2}\right]+...$

$+{(-1)}^{r+1}\underset{i_1<i_2<...<i_r}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}[A_{i1}{A}_{i2}...A_{\mathrm{ir}}]+...$

$+{(-1)}^{n+1}\mathrm{\&Phi;}[A_1{A}_2...A_n]$

据此，计算得出太湖水体中的阿特律津、DDT、敌敌畏、乐果、林丹、马拉硫磷、对硫磷、甲基对硫磷等8种农药所造成的生态风险为10.32％，即水生态系统中10.32％的物种受到了农药损害。目前我国尚无生态风险管理标准，但美国、荷兰环保部门制定的可接受标准为5％。

7、风险管理建议

综上可见，太湖水体中的农药残留对水生态系统已造成威胁，需要进行风险削减与管理。敌敌畏应被确定为太湖区域重点控制污染物，应严格限制其在太湖周边区域的使用，控制入湖总量；此外，乐果、马拉硫磷、对硫磷也是应予关注的优先控制污染物，应限制其入湖总量，防止潜在生态危害增加。通过风险控制和污染减排措施的使用，将农药对太湖水生态系统的生态风险水平限至5％以下，以确保水生态系统的安全与健康。

表1 太湖东北部区域水体中农药残留浓度值(ng/L)(来源：Ta Na等，2006)

	阿特律津	DDT	敌敌畏	乐果	林丹	马拉硫磷	甲基对硫磷	对硫磷
									浓度	217	1.06	51.6	346	1.98	11.6	4.12	2.17

表2 太湖代表性物种的毒性数据-EC₅₀/EC₅₀(μg/L)(来源：PAN Pesticide Database)

表3 HC₅计算所需数据及其结果(K_L来源：Aldenberg and Slob，1991)

农药种类	Xm(ug/L)	Sm(ug/L)	m	KL	HC5(ug/L)
						阿特律津	8.00	2.57	6	1.81	28.43
DDT	3.30	2.69	8	1.76	0.24
						敌敌畏	5.06	4.37	7	1.78	0.07
乐果	8.38	4.36	6	1.81	1.62
						林丹	5.32	2.60	9	1.75	2.15
马拉硫磷	4.86	3.55	7	1.78	0.23
						甲基对硫磷	6.22	3.64	7	1.78	0.77
对硫磷	4.02	3.87	9	1.75	0.06

Claims (2)

1.一种水体中农药的生态风险识别方法，其步骤包括：

(1)采集水样进行分析，确定水体存在的农药种类；

(2)筛选该水体中水生态系统代表性生物种：考虑代表性本地物种及其毒理数据可得性，包括浮游植物、浮游动物、昆虫和鱼类别，针对某一种农药需要筛选至少3个以上物种；

(3)获得识别区域内水体中农药的毒性数据：收集代表性生物种的对应于各农药的毒性数据，对于同一物种或均为半数致死浓度LC₅₀数据，或均为半数效应浓度EC₅₀数据；

(4)利用概率风险评价方法计算保护生态系统中95％物种的浓度值HC₅；

(5)将保护生态系统中95％物种的农药浓度值HC₅应用于商值法，进行各农药风险商值的计算，并进行风险排序：某一种农药的风险商值(RQ_i)计算公式： ${\mathrm{RQ}}_i=\frac{{\mathrm{EC}}_i}{{\mathrm{HC}}_5};$ 其中，EC_i为该农药的环境浓度，HC₅为其对应的保护水生态系统中95％物种的浓度值；如果RQ≥1，表明生态风险不可接受；RQ＜1，表明生态风险可接受；

(6)将毒性数据应用于概率风险识别方法，计算识别区域内农药生态风险总体水平：

由某一种农药A_i所产生的生态风险用概率Φ表示，计算公式如下：

$\mathrm{\&Phi;}={\{1+\exp [\frac{x_m-\ln C}{k_L/\ln (95/5)s_m}\left]\right\}}^{-1}$

其中C为环境浓度，其它参数含义同上。

区域内n种农药所造成的综合生态风险计算公式如下：

$\mathrm{\&Phi;}[A_1+A_2+...+A_n]$

$=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_i\right]-\underset{i_1<i_2}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}\left[A_{i1}{A}_{i2}\right]+...$

$+{(-1)}^{r+1}\underset{i_1<i_2<...<i_r}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&Phi;}[A_{i1}{A}_{i2}...A_{\mathrm{ir}}]+...$

$+{(-1)}^{n+1}\mathrm{\&Phi;}[A_1{A}_2...A_n];$

(7)根据结果进行识别：若识别区域内农药生态风险总体水平Φ＞5％，则表明农药对该水生态系统所造成的生态风险水平不可接受，需要进行风险管理，同时，风险商值≥1，或相对较高的农药应被确定为需要进行重点控制与管理的农药，以削减其对水生态系统所造成的损害。

2.根据权利要求1所述的水体中农药的生态风险识别方法，其特征在于步骤(3)中通过实验的方法获得识别区域内水体中农药的毒性数据或直接收集已有的识别区域内水体中农药的毒性数据。

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