何建波，李婕妤，單曉棟，李欲如，毛江楓，王 震，唐 娟，張杭君,4

(1. 杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江杭州 311121； 2. 浙江省環(huán)境保護科學設計研究院，浙江杭州 310007；3. 浙江省浦江縣環(huán)境保護局，浙江金華 322200； 4. 杭州師范大學生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復杭州市重點實驗室，浙江杭州 311121)

河流生態(tài)系統(tǒng)在陸地與海洋生態(tài)系統(tǒng)之間的能量流動和物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著及其重要的作用.自20世紀80年代以來，人類對河流生態(tài)系統(tǒng)的人為干預加劇.河流水大量占用和污染物排放量加大等問題愈加嚴峻，嚴重影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康[1-2].“河流健康”概念1972年由美國提出，一般來說河流生態(tài)系統(tǒng)健康包括在物理、化學和生物組成上以及在生態(tài)學功能上的完整性[3-4].為防止水體污染和水體流失等環(huán)境問題的日益惡化，在充分掌握河流健康水平的基礎上發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存問題，采取河流健康診斷分析并進行保護和修復.國內(nèi)外研究學者紛紛展開河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評價研究[5].溶解有機質(zhì)(Dissolved organic matter, DOM)普遍存在于河流生態(tài)系統(tǒng)中，基于DOM的熒光特性，運用三維熒光光譜技術可以對河流生態(tài)系統(tǒng)中的溶解性有機質(zhì)進行定性定量分析，在河流環(huán)境評價中具有較好的可操作性.

浦江縣隸屬浙江省金華市，是我國最大的水晶玻璃生產(chǎn)基地，水晶生產(chǎn)加工過程中大量污染物排入浦陽江流域，對當?shù)仃懙睾退鷳B(tài)系統(tǒng)造成了巨大污染[6].浦陽江流域生態(tài)環(huán)境保護壓力日益增大，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾凸顯.本文針對浦陽江流域(浦江段)的河流特點，運用物理化學和生物學等指標從不同方面反映河流環(huán)境健康狀況，構建了適用于浦陽江流域(浦江段)的河流健康評價的多指標綜合評價體系，以期為河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估和生態(tài)環(huán)境修復提供科學準確的理論基礎[7].

1 材料與方法

1.1 地理概況與樣點設置

圖1 浦陽江流域(浦江段)采樣點地理分布圖Fig.1 Geographical distributions of sampling sites in Puyang River basin (Pujiang section)

浦陽江流域，又稱浣江流域，中國東海流入錢塘江支流，發(fā)源于浦江縣西部嶺腳，自西向東經(jīng)浦江縣通濟橋水庫和諸暨市安華水庫，直至從右岸匯入錢塘江浦陽江流域(浦江段).河長49.61 km，流域面積492.62 km2，位于浦江縣，金華市北部，東經(jīng)119°42′～120° 07′，北緯29° 21′～29°41′之間.浦江縣屬亞熱帶季風氣候，年均降水量1 412.2 mm，年平均氣溫16.6 ℃，年日照1 996.2 h.

為準確真實反映浦陽江流域(浦江段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀，經(jīng)實地勘察調(diào)研，于2017年7月對浦陽江流域(浦江段)進行采樣調(diào)查，共選取9個采樣點，其地理位置分布如圖1所示.

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 水體理化指標測定

用便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀(HACH，MS6100)現(xiàn)場測定水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)和電導率(EC).在現(xiàn)場采集1 L水樣帶回實驗室進行水體理化指標測定，采樣點為河流中間點表層以下0.5 m，參照國家地表水質(zhì)量測定標準，分析總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH4+N)、化學需氧量(COD)、砷(As)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鉛(Pb)在河流水體中的濃度.

1.2.2 河流生物指標獲取

每個樣點用1/40 m2彼得森采泥器采集河流底泥3次，混合，并用0.5 mm分樣篩分篩底泥，放入封口袋，低溫保存.將標記好的塑料袋帶回駐地，在解剖盤中將底棲動物逐一揀出，洗凈，吸干水分，放入貼有標簽的含有10%甲醛溶液的廣口瓶中，根據(jù)底棲動物分類標準，在顯微鏡下鑒定標本至最低分類單元.

1.2.3 河流FDOM數(shù)據(jù)獲取

每個樣點用采水器采取500 mL水樣(用預先清洗的聚對苯二甲酸乙二醇脂瓶盛裝).樣品采集并運回實驗室后通過低壓抽濾裝置，經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后置于-20 ℃冰箱并避光保存，為避免變質(zhì)水樣需在二周內(nèi)完成測定.數(shù)據(jù)采用FluoroMax-4熒光光譜儀獲取，采用信參比模式收集.單個樣品掃描時間約15 min，機器穩(wěn)定時的信噪比達3 000∶1，水樣盛裝器皿為1 cm規(guī)格的雙光面石英比色皿.獲得數(shù)據(jù)進行內(nèi)濾效應校正(inner filter effects，IFEs)及瑞利和拉曼散射光譜校正，最終獲得熒光溶解有機物(FDOM)各組分的熒光強度.

1.2.4 其他指標的獲取

浦陽江流域(浦江段)河流水文指標結合專家咨詢和實地調(diào)查對每個指標進行打分.

1.3 河流健康綜合評價指數(shù)

通過專家咨詢法和現(xiàn)狀分析等，借鑒澳大利亞NRHP[8]、美國IBI[9]和英國RIVPACS[10]等國外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準及我國的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，確定河流健康多指標評價體系中各指標的評價標準，從而構建了適合于浦陽江流域(浦江段)的河流健康評價指標體系(表1)和評價標準(表2).

表1 浦陽江流域(浦江段)河流健康綜合評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of river health in Puyang River basin (Pujiang section)

表2 浦陽江流域(浦江段)河流水文指標、河流生物指標和河流FDOM指標的評價標準Tab.2 Assessment criteria for the hydrologic, heavy metaland aquatic organisms subindex of the Puyang River basin (Pujiang section)

續(xù)表2

1.3.1 權重的確定

本研究設計浦陽江流域(浦江段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權重系數(shù).問卷表根據(jù) AHP分析方法，由生態(tài)環(huán)境領域相關專家通過各指標層之間的相對重要性和二級指標相對于一級指標的重要性分析給出判斷值，構建判斷矩陣，并進行層次單排序和層次總排序得到各指標權重值[11].問卷表總共發(fā)放15份，收回13份，其中有效問卷13份.

1.3.2 評價方法

河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價[12]分3步：1)二級指標評分依據(jù)各指標評價標準獲得各二級指標值(得分在1—5之間)；2)一級指標評分通過對二級指標進行加權平均計算，并將各一級指標進行標準化獲得一級指標的得分(得分在1—5之間)；3)河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)通過對一級指標進行加權平均法計算獲得，將該健康指數(shù)劃分為4

此外，基于浦陽江流域(浦江段)河流水環(huán)境污染狀況，本文采用總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH4+N)、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、電導率(EC)、砷(As)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鉛(Pb)等15個指標反映水體理化性質(zhì).根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)，分別將達到Ⅰ類水、Ⅱ類水、Ⅲ類水、Ⅳ水和Ⅴ類劣Ⅴ類水質(zhì)量標準的指標賦值1—5分.根據(jù)生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity, IBI)對生物多樣性進行賦值.

2 結果

2.1 河流健康綜合評價

浦陽江流域(浦江段)的河流評價指標分值表見表3，評價結果見圖2和圖3，其中健康的點位有2個，占22.2%；亞健康等級的點位為3個，占33.3%；輕微病態(tài)等級的點位為4個，占44.4%.結果分析表明，檢測的點位健康水平整體處于亞健康狀態(tài)，沒有出現(xiàn)病態(tài)和差狀態(tài)的點位.

表3 浦陽江流域(浦江段)河流評價指標分值Tab.3 River Evaluation Index score of the Puyang River basin (Pujiang section)

圖2 浦陽江流域(浦江段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果Fig.2 Rive health assessment index scores of the Puyang River basin圖3 浦陽江流域(浦江段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康總得分(標準化)Fig.3 Total score of river ecosystem health of the Puyang River basin(Standardization)

浦陽江流域(浦江段)檢測的點位中，河流水文指標中點位1、6、7、8和9得分較低，因為這些點位基本處于河流的主河道，河流面縱寬較大，水流速較為穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性不高，不足以支持河流水生生物的生物多樣性；水體理化指標中點位6、7和9的得分比較低，分數(shù)均在3分以下，主要原因是受到下游區(qū)域的城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)業(yè)灌溉廢水和工業(yè)生產(chǎn)廢水的影響，主要的污染物為高濃度有機廢水；水體重金屬指標中點位6、7、8和9的得分都在3分以下，因為該幾個點位都處在水晶玻璃工藝制品銷售、加工的主要集散地附近，導致As和Cr含量較高.河流生物指標中點位3、6、7、8和9得分偏低，主要是因為河流水質(zhì)受到工業(yè)廢水中重金屬的影響，導致河流底棲動物無法適應生存.

河流健康水平較高的點位大都比較接近通濟橋水庫，通過分析采樣點的得分情況可得，從河流的上游至下游，河流整體健康水平逐漸下降.浦陽江流域(浦江段)上游點位2和4的得分都為4.02，明顯高于下游的點位，河流水體自上而下，河流健康綜合評價分值也隨之降低.因為河流上游地區(qū)當?shù)氐耐鷺蚩拷畮欤脖桓采w面積大，生物多樣性較高，基本處于自然狀態(tài)；河流中下游靠近城鎮(zhèn)區(qū)域，此區(qū)域工業(yè)產(chǎn)業(yè)和農(nóng)田面積較上游增加，產(chǎn)生的工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)化肥大量流入導致河流健康水平下降.得分低的點位周圍均為達到一定規(guī)模的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，可見城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的不斷發(fā)展會對河流健康產(chǎn)生負面影響.

2.2 河流水體理化指標與FDOM熒光強度的相關性分析

本文把水體的FDOM熒光強度指標引入到河流健康評價體系中，水體中的溶解性有機質(zhì)構成成分多樣化，且有著不同的水域環(huán)境，因此每個水體的溶解性有機質(zhì)的特征也不同，水體的FDOM熒光強度可以一定程度上表征水體受污染程度.由表4的相關性數(shù)據(jù)來看，類蛋白熒光峰D與類蛋白熒光峰T以及類蛋白熒光峰T與類腐殖質(zhì)熒光峰C呈現(xiàn)顯著的正相關(P<0.01)，相關性系數(shù)分別為0.673和0.743，其它的各類熒光峰之間都沒有呈現(xiàn)出顯著的相關性，由表4熒光強度測定值觀察可得，水體中的類腐殖質(zhì)熒光峰A的值在每一個采樣點均呈現(xiàn)出最高值.類蛋白熒光峰D熒光強度與氨氮呈現(xiàn)出顯著正相關(P<0.01)，相關性系數(shù)為0.689；類蛋白熒光峰D熒光強度與總氮呈現(xiàn)正相關(P<0.05)，相關性系數(shù)為0.533；總磷與類腐殖質(zhì)熒光峰C之間呈現(xiàn)顯著負相關(P<0.05)，相關性系數(shù)為-0.548；類腐殖質(zhì)熒光峰C熒光強度與鹽度和電導率呈現(xiàn)顯著正相關(P<0.05)，相關性系數(shù)分別為0.502和0.501.在熒光總值(D+T+C+A)、類蛋白熒光總值(D+T)、類腐殖質(zhì)熒光總值(A+C)與各類水質(zhì)參數(shù)的相關性結果中，只有氨氮與熒光總值(D+T+C+A)呈現(xiàn)出顯著正相關(P<0.01)，相關性系數(shù)為0.599，其余均沒有呈現(xiàn)出顯著相關性.

表4 水質(zhì)參數(shù)與溶解性有機質(zhì)熒光強度的Pearson相關性分析Tab.4 Pearson correlation analysis between water quality parameters and the fluorescence intensity of dissolved organic matter

注：*顯著性水平為P<0.05；**顯著性水平為P<0.014.

3 討論

本文在充分借鑒國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系研究的基礎上，根據(jù)浦陽江流域(浦江段)的河流自身特點，在河流水文、水體理化性質(zhì)、水體重金屬、河流生物和河流FDOM5個指標層選取23個二次指標構建了浦陽江流域(浦江段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系.根據(jù)我國及金華市當?shù)貥藴实幕A上，確立了各指標層下指標的評價標準，并根據(jù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康程度將健康水平劃分為5個等級，“健康、亞健康、輕微病態(tài)、病態(tài)、差”.根據(jù)建立的河流健康評價指標體系，在相關專家的建議下，采用層次分析法確立其評價權重，再利用加權平均法對浦陽江流域(浦江段)9個樣點進行了健康評價，河流健康綜合指數(shù)的值在4—5之間，其中“健康”的監(jiān)測斷面有2個，占22.2%；“亞健康”等級的樣點為3個，占33.3%; “輕微病態(tài)”等級的樣點為4個，占44.4%；“病態(tài)”和“差”等級的樣點為0個，浦陽江流域(浦江段)河流健康狀況總體處于“亞健康”級別.

利用9個點位的水體理化指標和FDOM各組分的熒光強度，在SPSS軟件下統(tǒng)計分析了部分水體理化指標與FDOM組分熒光強度指標間的相關性，結果表明類蛋白熒光峰D熒光強度與總氮和氨氮呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數(shù)分別為0.533和0.689；類腐殖質(zhì)熒光峰C熒光強度與總磷、電導率和鹽度呈顯著相關(P<0.05)，相關系數(shù)分別為-0.548、0.501和0.502.本研究發(fā)現(xiàn)TP濃度與富里酸類物質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)顯著相關，與芳香蛋白類物質(zhì)含量呈顯著正相關，表明河流水體的熒光指數(shù)變化情況可以反映水質(zhì)中TP濃度，因此對水體進行熒光參數(shù)測定可作為水質(zhì)監(jiān)測的方法之一[13].且熒光光譜技術有著測出限低、靈敏度高、無需樣品提取以及能有效判斷水體中溶解性有機質(zhì)組成的特點，可以在一定程度上利用各熒光組分熒光強度表征水質(zhì)參數(shù)的變化情況，為河流水資源保護提供一定的依據(jù).

通過研究發(fā)現(xiàn)浦陽江流域(浦江段)的河流健康狀況雖然處于中等水平，但是如果不對工農(nóng)業(yè)發(fā)展及城鎮(zhèn)化發(fā)展加以控制，則會繼續(xù)加劇其對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響.浦陽江流域(浦江段)的健康狀況表明浦陽江流域(浦江段)水生生物生存的生態(tài)系統(tǒng)遭到較為嚴重破壞，水晶生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)化的不斷推進帶來了一系列環(huán)境污染問題.因此如何保障河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能和服務功能的健康完整，不僅需要政府建立長期有效的觀測評價機制和修復規(guī)劃，而且需要廣大企業(yè)和群眾的積極參與和支持.