陰 琨，李中宇，趙 然，許人驥，白 雪，劉廷良，呂怡兵，滕恩江，楊 琦，王業(yè)耀

1．中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083

2．中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

3．黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

河流是一類非常重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，如果河流水質(zhì)遭到污染或者水利工程的影響，會使自然狀態(tài)的河流結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞，生物多樣性喪失，諸多生態(tài)功能也因此而減弱或喪失［1］。20世紀(jì)七八十年代，各國針對河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和河流中水生生物的保護(hù)，發(fā)展出多種評價方法［2］，如美國的快速生物評價方案(RBPs)中利用的生物完整性指數(shù)(IBI)評價法［3-4］，歐盟水框架指令(WFD)中的多要素評價系統(tǒng)［5］，英國和澳大利亞的河流預(yù)測、分類系統(tǒng)［6-10］。

Karr［4］于1981年提出了基于河流魚類完整性指數(shù)(F-IBI)的評價方法，并對生物完整性進(jìn)行了定義，即支持和維持一個具有物種組成、多樣性和功能性組織的，平衡的、完整的、有適應(yīng)性的生物群落的能力［11］。在一個流動的水系統(tǒng)中，生物完整性依賴于河道的水流、能量輸入、水質(zhì)質(zhì)量、生物間的相互作用和生境結(jié)構(gòu)［12-13］。所以生物完整性可以反映河流的生態(tài)質(zhì)量狀況。隨著IBI應(yīng)用研究的深入，IBI已經(jīng)被發(fā)展出不同生物類群的完整性指數(shù)，如大型底棲動物［14］、硅藻［15］、浮游動物和浮游植物［16］等，被應(yīng)用到在可涉類河流、不可涉類大型河流及不同尺度范圍的評價研究中。國內(nèi)學(xué)者在東江［17］、遼河流域［18］和漓江［19］開展了利用生物完整性指數(shù)的評價研究。

松花江是我國七大河流之一，隨著松花江沿岸工業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢水和生活污水排放量增加，流域開發(fā)日益加劇，使松花江流域水環(huán)境污染越來越嚴(yán)重［20］。本文為了研究松花江流域目前的河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，開展了完整性指數(shù)的評價研究，建立了適用于松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的生物完整性指數(shù)，為松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的監(jiān)測和評價提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

選擇IBI法評價松花江流域的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。IBI法可利用大型底棲動物、藻類的多項參數(shù)信息，從生物完整性角度進(jìn)行評價。IBI法涵蓋的信息相對于單個生物指數(shù)評價法更全面、豐富，可以得到更科學(xué)、更有針對性的評價結(jié)果。方法的重點在于確定參照位點和選擇候選生物參數(shù)。參照條件可采用已有文獻(xiàn)方法，也可根據(jù)研究區(qū)情況具體確定。候選生物參數(shù)必須符合的條件:①與研究的生物類群或生物群落以及指定的項目目標(biāo)具有生態(tài)相關(guān)性;②對環(huán)境壓力具有敏感性，其響應(yīng)能夠與自然變化區(qū)分開。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)指南(試行)》中提供的參數(shù)選擇方法，一般選擇以下六大類代表性參數(shù):代表生物類群多樣性或多樣化的豐富度參數(shù);代表優(yōu)勢度的物種組成參數(shù);代表敏感性的耐受性參數(shù);生物多樣性參數(shù);代表取食策略及功能團(tuán)的食性或習(xí)性參數(shù);生物量參數(shù)。在得到的候選參數(shù)基礎(chǔ)上嚴(yán)格按照敏感性、相關(guān)性等篩選參數(shù)的方法進(jìn)行，即可得到用于流域評價的核心參數(shù)，建立針對各流域有專一性的IBI評價體系。

1.1 研究區(qū)域

以松花江流域為研究區(qū)域，研究的河流包括黑龍江、松花江干流、牡丹江、嫩江、梧桐河和第二松花江。松花江流域跨黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古，流域面積為5.333×105km2，松花江干流的年平均氣溫為2～4℃，流域內(nèi)多年平均降水量為500～700 mm，降水期主要集中在6—9月，水面封凍期為11月初至次年4月初［20-21］。底質(zhì)多以泥沙、碎石和卵石為主，水質(zhì)輕微渾濁，具有有機(jī)毒物污染的典型性特征［22］。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集和分析

2012年6—7月，對研究區(qū)30個采樣位點(圖1，S1～S30分別為松花江口上、東港、江南屯、呼蘭河口下、梧桐河口內(nèi)、小二溝、寶山、博霍頭、瀑布下、江橋、佳木斯上、佳木斯下、同江、阿什河口下、大頂子山、柴河、巴林、成吉思汗、拉哈、瀏園、富上、溪浪口、寶龍橋、劉珍屯、南樓、松花江村、松林、朱順屯、大山、肇源)進(jìn)行了底棲動物和著生藻類的采樣調(diào)查。底棲動物和著生藻類的采樣分析參照EPA RBP方法［23］及《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版增補(bǔ)版)》［24］。水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自2012年1—9月的全國地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2.2 參照位點的確定

由于參照狀態(tài)的確定在實際操作中尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［19］，主要是依據(jù)土地使用方式、生境質(zhì)量和水質(zhì)理化指標(biāo)確定參照狀態(tài)［25］。本文參照位點按照以下2個原則確定:①生境狀況 (無明顯受人類活動干擾跡象;其上游無點污染源，河岸植被帶較好)，根據(jù)EPA RBP方法中生境評分標(biāo)準(zhǔn)對生境質(zhì)量進(jìn)行評分［23］，其中人類活動和土地利用一項得分大于13分。②有襀翅目昆蟲存在［26］。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析和指數(shù)建立

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)參考文獻(xiàn)［18］;Margalef指數(shù)(d)參考文獻(xiàn)［27］;Hilsenhoff指數(shù)(HBI)參考文獻(xiàn)［28］;生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)參考文獻(xiàn)［29］;BMWP記分系統(tǒng)參考文獻(xiàn)［30］;pielou 均勻度指數(shù)(J)參考文獻(xiàn)［31］;Palmer指數(shù)參考文獻(xiàn)［32］。

圖1 采樣位點分布圖

生物各參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析在SPSS 15.0中完成。

1)采用箱線圖(box-plot)及IQ值記分法［33］，對參照位點和監(jiān)測位點的候選參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。選擇IQ≥2的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2)對候選指數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，參照Butcher等的方法［34］，參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)|r|＞0.75時，則選擇其中一個;|r|＜0.75的參數(shù)，可直接保留。

3)采用0～10賦分法［35］對篩選出的核心參數(shù)進(jìn)行記分，統(tǒng)一量綱。

4)將各個核心參數(shù)記分值加合計算IBI。

5)IBI的評價標(biāo)準(zhǔn)，采用所有位點指數(shù)值分布的95%分位數(shù)法:以95%分位數(shù)為最佳值，低于該值的分布范圍進(jìn)行5等分，評價等級按照指數(shù)分值由高到低分別定義為優(yōu)、良好、一般、較差、很差。

2 結(jié)果與討論

2.1 種類與分布

2.1.1 底棲動物

本次調(diào)查監(jiān)測到底棲動物共76個分類單元，隸屬于水生昆蟲、軟體動物、甲殼動物和環(huán)節(jié)動物4個門類中的47個科，主要以水生昆蟲數(shù)量和種類最多。黑龍江的松花江口上、東港斷面分別監(jiān)測到底棲動物17、15個分類單元，優(yōu)勢種分別為等爪蜉屬、大紋石蠶屬，數(shù)量占總數(shù)的45%、79%。松花江干流10個斷面監(jiān)測到的底棲動物分類單元數(shù)為6～16個，優(yōu)勢種主要為搖蚊科、大紋石蠶屬、多距石蠶屬、細(xì)蜉屬，優(yōu)勢物種數(shù)量占22%～74%。牡丹江的柴河、大山分別監(jiān)測到底棲動物3、4個分類單元，黑龍江短溝蜷、搖蚊科為優(yōu)勢物種，數(shù)量占總數(shù)的63%、86%。嫩江9個斷面監(jiān)測到的底棲動物分類單元數(shù)為4～10個，優(yōu)勢物種主要是紋石蠶屬、低頭石蠶屬、小裳蜉、醫(yī)蛭屬，優(yōu)勢物種數(shù)量占31% ～64%。梧桐河的梧桐河口內(nèi)斷面監(jiān)測到底棲動物分類單元18個，數(shù)量占61%的東北田螺為優(yōu)勢物種。第二松花江7個斷面監(jiān)測到的底棲動物分類單元數(shù)為0～8個，其中寶龍橋沒有監(jiān)測到底棲動物，優(yōu)勢物種分別為綠石蠅科、鉤蝦科、無齒蚌、黑龍江短溝蜷、水絲蚓屬、顫蚓屬，優(yōu)勢物種數(shù)量占 50% ～100%。

2.1.2 著生藻類

本次調(diào)查監(jiān)測到著生藻類4個門類，主要以硅藻門和綠藻門植物為主，以異極藻、舟形藻、小球藻、針桿藻、卵形藻為主要優(yōu)勢物種。黑龍江的松花江口上、東港斷面分別監(jiān)測到著生藻類27、13個屬，隸屬3個門，分別以硅藻門和綠藻門數(shù)量最多;藻類細(xì)胞密度分別為68 613、6 973個/cm2。松花江干流的10個斷面中佳木斯下、同江、肇源、阿什河口下、大頂子山斷面分別監(jiān)測到著生藻類 19、14、22、12、11 個屬，隸屬4個門，以硅藻門和綠藻門數(shù)量最多，所有斷面藻類細(xì)胞密度為107～70 107個/cm2。牡丹江的柴河、大山分別監(jiān)測到著生藻類11、10個屬，隸屬4個門，均以硅藻門數(shù)量最多;細(xì)胞密度分別為10 400、22 800個/cm2。嫩江的9個斷面中小二溝、寶山、富上、江橋斷面分別監(jiān)測到13、10、13、19個屬，分別隸屬于3個門，均以硅藻門數(shù)量最多，所有斷面細(xì)胞密度為8 114～124 480個/cm2。梧桐河的梧桐河口內(nèi)斷面監(jiān)測到著生藻類19個屬，隸屬3個門，以硅藻門數(shù)量最多，細(xì)胞密度為15 696個/cm2。第二松花江的7個斷面中瀑布下、寶龍橋、南樓斷面分別監(jiān)測到著生藻類10、8、13個屬，隸屬3個門，分別以藍(lán)藻門和硅藻門數(shù)量最多，所有斷面細(xì)胞密度為93～250 500個/cm2。

2.2 IBI的建立和評價結(jié)果

根據(jù)參照位點的確定方法，從30個采樣點中篩選出10個位點作為參照位點，為S1～S10;S11～S30共20個位點存在一定程度的受損情況，作為監(jiān)測位點。通過IBI建立的參數(shù)篩選方法，對底棲動物總分類單元數(shù)(M1)、密度(M2)、優(yōu)勢種比例(M3)、EPT分類單元數(shù)(M4)、EPT密度(M5)、搖蚊分類單元數(shù)(M6)、敏感種分類單元數(shù)(M7)、敏感種分類單元比例(M8)、敏感種數(shù)量(M9)、敏感種數(shù)量比例(M10)、耐污種分類單元數(shù)(M11)、耐污種分類單元比例(M12)、耐污種數(shù)量(M13)、耐污種數(shù)量比例(M14)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(M15)、Margalef豐富度指數(shù)(M16)、Hilsenhoff生物指數(shù)(HBI，M17)、生物學(xué)污染指數(shù)(BPI，M18)、著生藻類總分類單元數(shù)(M19)、密度(M20)、優(yōu)勢種的污染指數(shù)值(M21)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù) (M22)、Pielou均勻度指數(shù)(M23)、Palmer指數(shù)(M24)、BMWP記分系統(tǒng)(M25)共25個候選參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，得出 M1、M4、M5、M7、M8、M9、M10、M17、M25 9個參數(shù)的敏感性比較好(見圖2)，可以區(qū)分干擾位點和未干擾位點的生物質(zhì)量狀況，將9個參數(shù)進(jìn)行下一步相關(guān)性分析。

對以上敏感度較好的9個參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示，M5、M9的|r|＜0.75，可以直接保留參與評價;另有4組參數(shù)的|r|＞0.75，需要從這4組中篩選去除重復(fù)信息的參數(shù):M1與 M4、M7、M25;M4 與 M7、M25;M7 與M8、M25;M10與M17。M1攜帶的信息量大，保留M1;M4反映了敏感種的信息，保留M4;上一組舍去了M7和M25，此組保留M8;M17反映了物種耐污程度的信息，保留M17。所以最后篩選出M1、M4、M5、M8、M9、M17 作為核心參數(shù)構(gòu)成松花江IBI評價的指標(biāo)。

表1 9個參數(shù)的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

圖2 9個參數(shù)的箱線圖分析結(jié)果

這6項核心指標(biāo)包含了物種種類、敏感物種豐度、敏感物種種類和比例及物種耐污程度等幾方面的信息。其中總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、敏感種豐度等這些指標(biāo)也是在遼河、漓江等其他水體常用到的 IBI評價指標(biāo)［17，36-39］。

采用0～10賦分法將篩選出的6個核心參數(shù)統(tǒng)一量綱，計算各參數(shù)的分值，統(tǒng)計結(jié)果見表2、表3，將統(tǒng)一量綱后的參數(shù)值加合計算IBI總分(見表3)。采用所有位點指數(shù)值分布的95%分位數(shù)法，劃分IBI的評價等級，評價等級按照指數(shù)分值由高到低分別定義為優(yōu)、良好、一般、較差、很差。

表2 參數(shù)的分值統(tǒng)計結(jié)果

表3 各采樣位點IBI評價結(jié)果、水質(zhì)類別和生境質(zhì)量

根據(jù)表4中IBI評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對30個位點的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價，評價結(jié)果如表4所示。目前松花江流域各位點30.0%水生態(tài)質(zhì)量狀況為優(yōu)和良好，23.3%為一般;46.7%為較差和很差，說明流域內(nèi)近一半?yún)^(qū)域的水生態(tài)質(zhì)量存在不同程度的受損。

表4 IBI評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

IBI法是一個可以對復(fù)雜系統(tǒng)的生物狀態(tài)進(jìn)行評價的有效的評價方法，目前已經(jīng)在國內(nèi)外多條河流中得到廣泛應(yīng)用［40］。本文對建立的IBI評價體系進(jìn)行有效性的驗證分析。從參照位點和監(jiān)測位點IBI的箱線圖比較結(jié)果(見圖3)可以看出，2個箱體沒有重疊區(qū)域，說明建立的IBI評價指標(biāo)可以有效區(qū)分未顯著受干擾位點(參照位點)與受干擾位點(監(jiān)測位點)的狀態(tài)，評價指標(biāo)適用于松花江流域的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價。同時，在IBI法的研究中，還建立了以人類活動和土地利用一項得分大于13分及有襀翅目昆蟲存在2個原則來確定參照位點的方法，有效性驗證結(jié)果也說明這2個原則適用于松花江流域的河流評價。由于IBI法評價的準(zhǔn)確度依賴參照狀態(tài)的確定［41］，已有多位學(xué)者提出了不同的原則來確定參照位點［18，36］，但是目前國內(nèi)外都缺少標(biāo)準(zhǔn)來定義和確定參照狀態(tài)［42］，本研究中的確定原則在其他河流中的適用性還需要進(jìn)一步的研究。

2.3 生境與水質(zhì)質(zhì)量狀況

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析顯示，松花江流域有一半調(diào)查位點的生境質(zhì)量處于一般狀態(tài)，比例為53%;30%的位點生境質(zhì)量達(dá)到了良好狀態(tài)，另有17%的位點生境狀態(tài)比較差，這部分位點受到干擾和破壞比較重。總體上分析，松花江流域生境質(zhì)量主要處于一般－良好的狀態(tài)，一部分位點生境狀況受破壞比較重。

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表3)表明，松花江流域III類水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率為67%，IV類和劣V類超標(biāo)位點所占比例為33%。雖有個別位點污染比較重，總體水質(zhì)仍以III類為主，處于輕度污染狀態(tài)。超標(biāo)項目為 CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP 等指示有機(jī)污染和N、P營養(yǎng)元素污染的化學(xué)因子。

2.4 水生生物和水環(huán)境狀況的歷史變化

松花江干流哈爾濱江段，據(jù)白羽軍等［43］的研究數(shù)據(jù)顯示，在1991—1999年著生藻類以硅藻和綠藻為主，優(yōu)勢種以直鏈藻、小環(huán)藻、舟形藻等寡污帶-中污帶指示種為主，水體存在污染但污染較輕。本研究調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該江段優(yōu)勢物種仍以中污帶指示種小球藻、針桿藻為主。藻類Pielou均勻度指數(shù)值為0.82～1.01，水體質(zhì)量為輕污染或無污染狀態(tài)。同時，底棲動物優(yōu)勢物種以細(xì)蜉屬、大紋石蠶屬等耐污性一般的物種為主，一般和敏感種類占絕大多數(shù)，說明水環(huán)境污染程度比較輕。綜合分析，目前哈爾濱江段水生生物狀態(tài)趨于好轉(zhuǎn)，水環(huán)境狀況以一般-輕污染為主，呈現(xiàn)改善的趨勢。

蘆晏生［44］的研究表明，1980—1982 年佳木斯江段著生藻類主要出現(xiàn)綠裸藻、衣藻及硅藻門的一些耐污種。污染生物指數(shù)表明水體質(zhì)量處于多污帶。本次調(diào)查中，佳木斯江段著生藻類以寡污帶指示種異極藻為主，Pielou均勻度指數(shù)評價水體質(zhì)量處于輕污染-中污染狀態(tài)。底棲動物BPI評價水體質(zhì)量處于β-中污染狀態(tài)?？傮w分析，相較于20世紀(jì)80年代，目前松花江佳木斯段水生生物狀態(tài)和水環(huán)境狀況都有不同程度的改善。

牡丹江段，在本次調(diào)查中著生藻類香濃多樣性指數(shù)評價水體質(zhì)量為輕污染-清潔狀態(tài)。底棲動物BPI評價水體質(zhì)量為輕污染-中污染?？傮w上，2012年牡丹江處在輕污染的狀況。據(jù)王立華等［45］的調(diào)查數(shù)據(jù)，在1994—1995年牡丹江藻類Menhinich多樣性指數(shù)評價水體質(zhì)量為輕污染到重污染狀態(tài)，1994—1995年，牡丹江水環(huán)境狀況處于由β-中污染向α-中污染過渡。說明松花江流域牡丹江的水環(huán)境狀況較20世紀(jì)90年代末得到比較明顯的改善。

根據(jù) 1980—1982 年的生物調(diào)查數(shù)據(jù)［44］，嫩江和第二松花江下游2個江段以魚腥藻等β-中污染帶生物居多，水體質(zhì)量處于β-中污染狀態(tài)。本次調(diào)查中，嫩江的著生藻類以指示寡污-中污的藻為優(yōu)勢種，Pielou均勻度指數(shù)評價嫩江干流主要為中污染狀態(tài)，其支流為輕污染-無污染的狀態(tài)。底棲動物優(yōu)勢種以耐污性敏感或一般的種類為主，BPI主要為0.1～0.4，水體質(zhì)量為清潔-輕污染狀態(tài)。第二松花江以指示耐污-中污染的藻為優(yōu)勢種，Pielou均勻度指數(shù)評價第二松花江的水體質(zhì)量以輕污染為主。其下游底棲動物優(yōu)勢種為指示耐污種。BPI評價顯示，下游水體質(zhì)量處于中污染-重污染狀態(tài)，上游質(zhì)量較上游好，處于輕污染狀態(tài)。總體分析，目前嫩江的水生生物狀態(tài)和水環(huán)境狀況均較好，比20世紀(jì)80年代有了明顯的改善;第二松花江下游污染較重，上游水環(huán)境質(zhì)量相對良好。

綜合分析，松花江流域各江段的水生生物狀況以及水環(huán)境質(zhì)量都呈現(xiàn)不同程度的改善。目前松花江流域主要處于一般到輕度污染的狀態(tài)。分析認(rèn)為，這些變化與近年“十一五”、“十二五”連續(xù)10年開展的松花江污染治理和水環(huán)境保護(hù)工作有關(guān)系。研究結(jié)果也表明，保護(hù)和治理工作使松花江流域各江段水環(huán)境質(zhì)量得到了逐步的改善。

3 結(jié)論

對松花江流域30個位點的生物群落采樣調(diào)查結(jié)果顯示，著生藻類主要分布在硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門3個門類。底棲動物主要分布在水生昆蟲、軟體動物、甲殼動物和環(huán)節(jié)動物4個門類，優(yōu)勢物種為等爪蜉屬、大紋石蠶屬、搖蚊科、紋石蠶屬、低頭石蠶屬、多距石蠶屬等水生昆蟲。與歷史數(shù)據(jù)比較，目前松花江流域各河段的水生生物狀況及水環(huán)境質(zhì)量均有不同程度的改善。

建立的IBI評價結(jié)果顯示，松花江流域各位點30.0%水生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)和良好，23.3%為一般，46.7%為較差和很差，說明流域內(nèi)近一半?yún)^(qū)域的水生態(tài)質(zhì)量存在不同程度的受損。松花江流域生境質(zhì)量主要處于一般-良好的狀態(tài);水質(zhì)以III類為主，超標(biāo)因子主要為有機(jī)污染和N、P營養(yǎng)元素。

致謝:衷心感謝黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站及相關(guān)各市環(huán)境監(jiān)測站、吉林省環(huán)境監(jiān)測中心站及相關(guān)各市環(huán)境監(jiān)測站、呼倫貝爾市環(huán)境監(jiān)測站在基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)方面的支持和幫助!

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