劉 哲,張 寧,彭定華,張彥崢,張 笛,秦祥朝

生態(tài)環(huán)境部黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心,河南 鄭州 450000

水生態(tài)監(jiān)測(Aquatic Ecological Monitoring)是通過對水文、水生生物、水質(zhì)等水生態(tài)要素的監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集,分析評價水生態(tài)現(xiàn)狀和變化趨勢,為水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)提供依據(jù)的活動,是新時期水資源保護、監(jiān)督和管理的重要基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測相比,水生態(tài)監(jiān)測從生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā),更加關(guān)注水環(huán)境因子對生物的影響和生物對各種水生態(tài)條件的適應(yīng)。 美國[1-2]、澳大利亞[3]、英國[4]等國家在河流生態(tài)監(jiān)測與評價方面起步較早,已開展了大量研究和應(yīng)用,其中具有代表性的有美國快速生物評價方案(RBPs)[1]、歐盟水框架指令(WFD)[5]等。 部分國家已將對河流生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的監(jiān)測與評價列為環(huán)境管理的重要內(nèi)容[6]。 我國水生態(tài)監(jiān)測起步于20 世紀90 年代。 伴隨水生態(tài)環(huán)境保護意識的增強,河流生態(tài)健康基礎(chǔ)理論、評價體系等方面的研究逐步開展起來,相關(guān)標準及技術(shù)規(guī)范也相繼發(fā)布,有力地推動了我國流域水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[7]。

河流是人類文明的搖籃,也是地球上受人類影響最為嚴重的生態(tài)系統(tǒng)之一[8]。 黃河是我國第二長河流。 黃河流域橫跨東中西部,是我國重要的生態(tài)安全屏障,也是人口活動和經(jīng)濟發(fā)展的重要區(qū)域。 加強黃河水生態(tài)監(jiān)測,維護流域水生態(tài)系統(tǒng)健康,對促進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。 本文對當前我國水生態(tài)監(jiān)測方法的研究進展及在黃河流域的應(yīng)用實踐進行了綜述,并結(jié)合黃河流域水生態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀,探討了當前黃河流域水生態(tài)監(jiān)測存在的問題和發(fā)展方向,以期為黃河流域水生態(tài)系統(tǒng)保護和綜合管理提供參考。

1 常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測

常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測的方式包括常規(guī)監(jiān)測和自動監(jiān)測。 我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展歷經(jīng)初創(chuàng)期(1973—1980 年)、成長期(1980—2005 年)、躍升期(2005—2012 年)和改革期(2012 年至今)[9]。經(jīng)過多年努力,我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測事業(yè)取得了長足進步。 水質(zhì)監(jiān)測作為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容,也得到了同步發(fā)展。 20 世紀50 年代,我國部分區(qū)域依托水文部門開啟了以水化學(xué)為主的水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測。 1956—1970 年,研究人員收集了天然河流的水質(zhì)資料,并開展了大量研究[10]。 20 世紀70 年代末,水利和環(huán)保部門分別開展了以地表水為主要對象的水環(huán)境監(jiān)測工作。 1980 年,中國環(huán)境監(jiān)測總站的組建標志著我國環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的正式起步。 1983 年,我國首次發(fā)布的《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—1983)中包含了20 項水質(zhì)監(jiān)測指標。 該標準在我國水環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展中具有重要意義,并經(jīng)歷次修訂形成了現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)。 經(jīng)2002年修訂后,該標準的變化主要表現(xiàn)在水質(zhì)監(jiān)測項目顯著增加。 從飲水安全角度考慮,該標準在基本項目之外增加了集中式生活飲用水地表水源地補充項目和特定項目,總項目數(shù)增至109 項,且首次明確規(guī)定了部分水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的水樣處理方式[11]。 伴隨著我國水環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展,黃河流域水環(huán)境監(jiān)測工作也取得了顯著進步,國控斷面數(shù)量由2006 年的44 個增至2020 年的137 個,記錄了黃河流域水質(zhì)由總體中度污染到良好、Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占比從50% 到84.7% 的變化歷程[12-13]。 同時,監(jiān)測能力也得到了較大提升,分析測試手段實現(xiàn)了從化學(xué)方法到電化學(xué)方法、分光光度法再到色譜法、質(zhì)譜法的逐步升級。

自動監(jiān)測技術(shù)具有及時、連續(xù)、遠程控制等優(yōu)勢,于20 世紀70 年代起源于美國等發(fā)達國家。我國對水質(zhì)自動監(jiān)測的應(yīng)用始于20 世紀80 年代,1998 年后取得了較快發(fā)展[14]。 截至2018 年底,我國環(huán)境管理部門共建成國控水質(zhì)自動監(jiān)測站1 903 座,并實現(xiàn)穩(wěn)定運行[15]。 為有效應(yīng)用自動監(jiān)測技術(shù),研究人員在水樣采集、樣品前處理、系統(tǒng)遠程監(jiān)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)付出了諸多努力[16-17],成功克服了黃河水體泥沙含量高、河道水文情勢復(fù)雜的不利條件。 截至2021 年底,環(huán)境管理部門在黃河流域共建設(shè)運行國控水質(zhì)自動監(jiān)測站125座。 目前,自動監(jiān)測系統(tǒng)已成為我國水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。 在地表水環(huán)境質(zhì)量考核與評價中,多數(shù)斷面實施采測分離常規(guī)監(jiān)測,部分斷面同步推進水質(zhì)在線自動監(jiān)測與常規(guī)手工監(jiān)測相結(jié)合的考核方式。

2 生境監(jiān)測

河流生境是水生生物賴以生存的環(huán)境[18]。由于河流生境具有提供生物棲息地、維持生物物種多樣性和結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)成生態(tài)廊道的重要作用[19],兼具變化周期長、相對穩(wěn)定的特征,評價和改善河流生境質(zhì)量已成為河流生態(tài)管理的重要內(nèi)容。 國際上已報道的生境監(jiān)測和調(diào)查方法眾多,涉及多空間要素的方法超過50 種[20],得到廣泛應(yīng)用的主流方法有英國的河流生境調(diào)查(RHS)、河流地貌生境調(diào)查(GeoRHS),澳大利亞的物理生境評估導(dǎo)則(AusRivAS-PAP)、溪流狀況指數(shù)(ISC),美國環(huán)境監(jiān)測評估計劃中的河流評估方法(EMAP-NRSA)、生物快速評價(RBPs)等[21]。由于服務(wù)主體和管理目標不同,各國生境監(jiān)測方法采用的特征參數(shù)具有一定的差異性,高頻使用的有河岸穩(wěn)定性、河道底質(zhì)、工程設(shè)施、河岸帶緩沖區(qū)植被結(jié)構(gòu)、水流類型及流量流速特征、相鄰?fù)恋乩们闆r、大型樹木等植物殘體和河道內(nèi)植被特征等。 獲得廣泛應(yīng)用的幾類生境監(jiān)測方法中,60%以上的方法已將這些參數(shù)納入其中[21]。 其中, 英 國 GeoRHS[22]和 澳 大 利 亞 AusRivASPAP[23]所含的特征參數(shù)最為豐富,包含70 項以上信息和至少10 項要素類別。

我國也在水生態(tài)調(diào)查與河流健康評估中構(gòu)建了適宜我國河流的生境評價指標體系。 在國家層面,已制定及制訂中的有《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》[24]和《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南》[25]。 前者[24]涵蓋形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性、水文完整性、化學(xué)完整性、生物完整性、社會服務(wù)功能可持續(xù)性5 個方面的指標,于2010—2016 年在全國36 個河湖水體中進行了試點,黃河小浪底水庫及其下游河段即被納入其中,綜合評級處于“亞健康”狀態(tài)[26]。 后者[25]包含的生境監(jiān)測是基于河段尺度,涵蓋10 個指標,分別于2020 年、2021 年在黃河干流及主要支流布設(shè)了57 個、123 個點位開展試點,綜合水化學(xué)、生境和生物3 類指標,探索開展河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價。 兩種指標體系在生境監(jiān)測方面均選取了河岸帶穩(wěn)定性、河岸帶人工干擾(人類活動強度)等高頻應(yīng)用參數(shù)。

在生境監(jiān)測中,獲取不同尺度特征參數(shù)的方法主要有遙感、無人機、人工現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)收集[21]。 人工現(xiàn)場調(diào)查是生境監(jiān)測的傳統(tǒng)手段,在絕大多數(shù)情況下,小尺度下的生境監(jiān)測仍以此方法為基礎(chǔ)[19]。 遙感技術(shù)能夠?qū)Υ笾谐叨认碌暮恿餍螒B(tài)、河岸帶植被覆蓋率等多數(shù)生境指標進行定量化分析。 無人機技術(shù)可獲取河段以下尺度的近地面高分辨率數(shù)據(jù),有效彌補遙感技術(shù)空間分辨率低和訪問周期長的不足,以及人工現(xiàn)場調(diào)查效率低、數(shù)據(jù)質(zhì)量和代表性差的缺陷[27]。 在黃河流域推進生境調(diào)查業(yè)務(wù)化運行的過程中,人工現(xiàn)場調(diào)查和無人機技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。此外,有學(xué)者借助遙感技術(shù)實現(xiàn)了對2000—2019 年黃河流域陸表水域時空變化[28]、河口區(qū)渾濁水體年內(nèi)和年際分布變化[29]等的研究,并基于無人機航測完成了對黃河源彎曲河道泥沙虧損量的計算[30];也有學(xué)者基于土地利用/覆被數(shù)據(jù),采用InVEST 模型整體評估了黃河流域生境質(zhì)量的時空演變,發(fā)現(xiàn)黃河流域2000—2018年生境質(zhì)量指數(shù)整體呈小幅下降趨勢,在空間上表現(xiàn)出西高東低的分布特征[31]。 湖泊水庫方面,遙感技術(shù)在對水體面積[32-33]和植被覆蓋[34]的動態(tài)監(jiān)測中有較多應(yīng)用,尤其是在高原湖泊烏梁素海[35]和青海湖[36]的藻類監(jiān)測與預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。

3 生物監(jiān)測

生物監(jiān)測是利用生物個體、種群或群落對環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng),闡明環(huán)境污染狀況的監(jiān)測方法。 該方法能夠從生物學(xué)角度出發(fā),為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和評價提供依據(jù),具有敏感性、長期性、富集性、綜合性等優(yōu)勢[37]。 在水生態(tài)監(jiān)測中,可用于指示水環(huán)境質(zhì)量的水生生物種類不勝枚舉,具有代表性的有大型底棲無脊椎動物、著生藻類、魚類等。

3.1 大型底棲無脊椎動物

大型底棲無脊椎動物是河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中的重要消費者之一,其體型較大、遷移能力較弱,多數(shù)營固著生活,兼具水質(zhì)敏感性和壽命較長等特點,能夠反映出特定點位一定時期內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)[38-39],是目前水環(huán)境評估中應(yīng)用最廣泛的指示生物。 其群落結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)境干擾產(chǎn)生一系列響應(yīng),GRAY[40]將這些響應(yīng)歸納為3 類:多樣性降低、機會種(生活周期更短、繁殖更快)占優(yōu)、優(yōu)勢種體型減小。 在實際應(yīng)用中,大型底棲動物可用于監(jiān)測河流生態(tài)系統(tǒng)受到的各種環(huán)境壓力,包括重金屬污染[41]、有機污染[42]、酸化[43]、水形態(tài)退化[44]及整體環(huán)境壓力[45]等。 該類群構(gòu)成了歐洲和北美洲大多數(shù)河流生物監(jiān)測體系的基礎(chǔ)[46],比利時[47]、英國[48]、瑞士[49]等國家還基于大型底棲動物開發(fā)出適合當?shù)丨h(huán)境的生物指數(shù)。 在我國,大型底棲動物也被廣泛用于環(huán)境響應(yīng)分析及水生態(tài)系統(tǒng)健康評價。 針對我國底棲動物區(qū)系組成,張汲偉等[50]構(gòu)建了符合中國可涉水水體(溪流等)和不可涉水水體(河流、湖泊等)特征的底棲動物指數(shù)。

大型底棲動物在黃河流域水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用可追溯至20 世紀80 年代,顏京松等[51-52]首次以底棲動物為研究對象,采用Trent 生物指數(shù)(TBI)、Chandler 生物指數(shù)(CBI)、Shannon-Wiener指數(shù)和Goodnight 指數(shù)評價了黃河干支流枯水期水質(zhì),認為TBI 和CBI 更適用于評價黃河水質(zhì)。同期,金德美等[53]探索開展了黃河底棲動物與化學(xué)因子相關(guān)性分析。 20 世紀90 年代的相關(guān)研究較少,宋玉珍等[54-55]通過群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢種分析了黃河蘭州段的水質(zhì)狀況。 進入21 世紀,伴隨我國水生態(tài)監(jiān)測理念的轉(zhuǎn)變,底棲動物的指示作用在黃河流域得到了更多關(guān)注與應(yīng)用。 在黃河干流,陳鍔等[56-57]應(yīng)用生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)和CBI 對春秋兩季黃河蘭州段的水質(zhì)進行了生物學(xué)評價。 黃旭蕾等[58]對比20 世紀80 年代和2008年生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù),應(yīng)用9 種指數(shù)分析了黃河干流水質(zhì)。 其分析結(jié)果表明,Shannon-Wiener 指數(shù)、Margalef 指數(shù)、BMWP 系統(tǒng)和科級生物指數(shù)(FBI)可作為黃河水質(zhì)評價指標。 針對源頭區(qū)和河口區(qū)的研究較多,其中:潘保柱等[59]以底棲動物作為指示生物分析了黃河源的生態(tài)狀況;LIU 等[60]在黃河源頭區(qū)應(yīng)用FBI、生物指數(shù)(BI)、Shannon-Wiener 指數(shù)進行的底棲動物狀況評價顯示,源頭區(qū)的生態(tài)健康狀況比下游白河更為脆弱;田靜[61]分析了河口區(qū)的水環(huán)境狀況、沉積環(huán)境狀況及大型底棲動物分布特征,對海洋生物指數(shù)(AMBI)進行了校正,建立了基于大型底棲動物的黃河口及鄰近海域生態(tài)質(zhì)量評價指標體系。 支流方面,殷旭旺等[62]和惠曉梅等[63]分別在渭河全流域和沁河山西段探索應(yīng)用底棲動物綜合評估水環(huán)境狀態(tài),發(fā)現(xiàn)渭河上游、洛河中上游地區(qū)的健康狀況較好,渭河中下游、涇河全流域及洛河下游地區(qū)的健康狀況較差,沁河山西段沁水縣以上河段的水環(huán)境狀態(tài)好于其余河段。 湖庫方面,在劉家峽水庫[58]、沙湖[64]、烏梁素海[65]、三門峽水庫[58]、小浪底水庫[58]、東平湖[66]等黃河流域重點湖泊水庫,均有應(yīng)用底棲動物評估湖庫水環(huán)境狀況的報道,多使用生物量、密度及多樣性指數(shù)反映湖庫的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

上述研究充分肯定了底棲動物在黃河流域水生態(tài)監(jiān)測中的重要作用和廣闊的應(yīng)用前景。目前,已陸續(xù)開展了針對黃河全流域的廣泛調(diào)查[67-69]和針對部分河段[70]及支流[71]的重點調(diào)查,但主要關(guān)注底棲動物群落的分布、結(jié)構(gòu)與相關(guān)變化等,在應(yīng)用底棲動物進行水環(huán)境監(jiān)測與河流健康評價方面較其他流域仍相對薄弱,監(jiān)測范圍不全,評價指數(shù)也不盡相同(表1),尚未形成覆蓋全流域的監(jiān)測指標體系。 2005 年傅小城等[65]的調(diào)查顯示,黃河流域底棲動物的平均密度和生物量都較低,且干流相對支流明顯偏低。 在這種情況下,使用傳統(tǒng)的采樣及分類鑒定方式在黃河流域開展底棲動物監(jiān)測相對困難,而采樣量小、靈敏度高的環(huán)境DNA 技術(shù)[72]或能為黃河流域的生物監(jiān)測提供新的選擇。 同時,根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ),如何通過合理布設(shè)點位、制定盡可能簡便的標準化采樣方案來獲取具有代表性的可靠數(shù)據(jù),并篩選適宜的評價體系,也將成為應(yīng)用底棲動物監(jiān)測黃河生態(tài)狀況的重要研究內(nèi)容。

3.2 著生藻類

作為初級生產(chǎn)者,著生藻類位于河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的起始端,具有繁殖速度快、生存周期短的特點,能夠反映水環(huán)境的短期效應(yīng)和瞬時變化[73]。 著生藻類種類多、分布廣,通常附著在底質(zhì)上,在不同水體中具有特定的種類組成,其群落生長和繁殖的特征與數(shù)量可直接響應(yīng)水體內(nèi)的物理、化學(xué)及生物變化,因此,著生藻類成為河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指示生物[47]。 著生藻類(尤其是硅藻)的豐度、多樣性、生物量、葉綠素a濃度及類群相似性等指標均可作為環(huán)境壓力的指示參數(shù)[73],物種敏感性和耐受性則可用于多種生物指數(shù)的開發(fā),以評估水體富營養(yǎng)化、酸化、鹽堿化、重金屬污染及有機污染等水環(huán)境狀態(tài)。 在英國、美國、南非等國家,著生藻類已經(jīng)被納入水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測體系[74]。

著生藻類在我國河流水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用相當廣泛,在長江[75]、松花江[76]、遼河[77]等均有報道,但在黃河流域僅少數(shù)支流及湖泊有報道。 徐宗學(xué)團隊[78-81]在渭河流域持續(xù)開展了著生藻類研究,不僅從12 種硅藻指數(shù)中篩選出6 種較適用于渭河流域水生態(tài)健康評價的指數(shù)[78],還成功構(gòu)建了綜合物理完整性、化學(xué)完整性和著生藻類生物完整性的渭河生態(tài)系統(tǒng)完整性評價體系(IEI)[81],有效彌補了著生藻類完整性評價和水質(zhì)評價的不足。 其評價結(jié)果顯示,渭河水系整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況優(yōu)于洛河水系和涇河水系,且渭河水系上游的健康水平較高,中上游的評價等級高于下游,洛河水系和涇河水系也表現(xiàn)出相同的趨勢。 這與殷旭旺等[62]應(yīng)用底棲動物得到的評價結(jié)果一致。 在東平湖,劉雙爽等[82]使用Shannon-Wiener 指數(shù)和Pielous 均勻度指數(shù)揭示了東平湖水體由中度污染到輕度污染的變化。

著生藻類在世界范圍內(nèi)廣泛分布,其物種組成具有地域特征。 物種在不同地理區(qū)域的生態(tài)需求,可能會對基于同種指標的生物監(jiān)測的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[83]。 由于著生藻類通常附著在底質(zhì)上,種群的定植模式和規(guī)模還受河流底質(zhì)類型的影響[84]。 項珍龍等[85]發(fā)現(xiàn),卵石型底質(zhì)的藻類物種多樣性比泥沙型底質(zhì)更高。 黃河中下游河床多為均勻密實的砂質(zhì),這可能成為著生藻類生長的限制因素。 因此,使用著生藻類指標在黃河流域進行水生態(tài)監(jiān)測時,需充分考慮地域適用性。

3.3 魚類

魚類處于河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的頂端,其壽命較長且運動能力較強,能有效反映河流的綜合生態(tài)條件[2],可作為反映長期效應(yīng)和廣域生境狀態(tài)的優(yōu)秀指示生物[1]。 魚類群落能夠響應(yīng)包括流量調(diào)節(jié)、化學(xué)污染、富營養(yǎng)化、物理生境改變、人類開發(fā)及物種引入等在內(nèi)的幾乎所有類型的人為干擾[86]。 在漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖管理中,以魚類作為水質(zhì)的反映指標已有悠久的歷史[6]。 研究者以魚類為基礎(chǔ)構(gòu)建了多種生物指數(shù),其中,KARR[2]于1981 年提出的魚類生物完整性指數(shù)(F-IBI)成為多參數(shù)指數(shù)的典型代表,在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。 LYDY 等[87]將改良后的F-IBI 應(yīng)用于美國堪薩斯州的河流評價,以反映其受城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)影響的程度。 劉明典等[88]依照長江魚類區(qū)系的組成特征,初步構(gòu)建了長江流域的魚類群落生物完整性指標體系。

研究人員在黃河流域部分河段和區(qū)域進行了F-IBI 的應(yīng)用探索。 張芮等[89]、秦祥朝等[90]分別在河口區(qū)域和伊洛河中下游各選取12 個和24 個指標,初步構(gòu)建了河口水域和伊洛河中下游F-IBI評價指標體系。 溫家華等[91]綜合了F-IBI 法(15個候選指標)、綜合污染指數(shù)法、層次分析法,分別對大汶河流域的魚類、水質(zhì)、河岸帶進行了健康評價。 其評價結(jié)果表明,大汶河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體較差。 武瑋等[92]使用改良健康指數(shù)(MIWB)評價了渭河流域的魚類完整性,評價結(jié)果顯示,渭河上游及南岸支流的魚類完整性最高,渭河關(guān)中地區(qū)、涇河和北洛河的魚類完整性較差。 該結(jié)果與著生藻類的評價結(jié)果[78]較為一致,部分差異主要源于魚類和著生藻類對環(huán)境壓力的敏感性不同。 同時,武瑋等[92]提出,由于F-IBI 計算復(fù)雜,需要豐富的魚類功能屬性資料,MIWB 比F-IBI 更適用于魚類資料缺乏且人類干擾劇烈的渭河流域。 該建議為應(yīng)用魚類進行黃河水生態(tài)監(jiān)測提供了新的思路。 此外,長期以來,通過魚類反映污染物的生物累積和毒性效應(yīng)一直是黃河流域水污染監(jiān)測的重要方式,如魚體重金屬的富集情況[93]、水污染對魚類的遺傳毒性[94]等,魚類群落結(jié)構(gòu)特征也被用于探究黃河調(diào)水調(diào)沙對生態(tài)環(huán)境的影響[95]。

黃河水系魚類主要分布在下游,共約141種,大部分屬于鯉科[96]。 在應(yīng)用魚類反映水環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)方面,現(xiàn)有研究多使用多樣性指數(shù)( 如 Shannon-Wiener 指 數(shù)、 Simpson 指 數(shù)、Margalef 指數(shù))反映魚類群落結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化,較少應(yīng)用以生物完整性指數(shù)(IBI)為代表的多參數(shù)指數(shù)(表1),難以形成對全流域水生態(tài)監(jiān)測的有力支撐。

表1 生物監(jiān)測在黃河流域的應(yīng)用Table 1 Application of biological monitoring in the Yellow River Basin

3.4 其他生物

水生態(tài)監(jiān)測常用的生物類群還有很多,包括細菌、浮游動物、浮游植物、高等水生植物等。 將這些類群作為指示生物各有優(yōu)勢和短板,其響應(yīng)的環(huán)境變化類型也各有差異,因此,選擇合適的指示生物是有效開展河流水生態(tài)監(jiān)測的重要前提。在時間尺度上,大型底棲動物、著生藻類、浮游動物、浮游植物和細菌能夠表征水環(huán)境相對短期的變化,魚類則能夠體現(xiàn)水環(huán)境的長期變化;在響應(yīng)環(huán)境的變化類型方面,大型底棲動物易受底質(zhì)類型、流速、河道形態(tài)等生境變化的影響[97],著生藻類、浮游植物更多地受到pH、營養(yǎng)鹽等水化學(xué)因子的影響[98]。 表1 簡要列出了底棲動物、魚類和著生藻類在黃河流域水生態(tài)監(jiān)測和水環(huán)境健康評價中的應(yīng)用情況。

應(yīng)用生物類群監(jiān)測水環(huán)境時,可單獨使用某一種類群進行評價,也可使用多種生物的集合種群進行綜合評價。 浮游植物[99-101]是黃河水生態(tài)監(jiān)測中除底棲動物、魚類外,應(yīng)用較多的另一生物類群。 蔣曉輝等[99]綜合浮游植物、底棲動物、魚類指標對黃河干流劉家峽以下河段的研究發(fā)現(xiàn),與參照值相比,大部分河段水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均發(fā)生了較大變化,部分河段水生態(tài)功能喪失。 黃旭蕾[102]綜合3 種生物類群的調(diào)查結(jié)果也表明,黃河干流水生態(tài)狀況不容樂觀。

4 黃河流域水生態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀分析

水少沙多、水沙異源、時空分布不均是黃河區(qū)別于國內(nèi)外其他河流的基本特征[104]。 黃河中游分布著世界上面積最廣、流失強度最大的水土流失區(qū)域,是黃河泥沙的主要來源[105]。 “人民治黃”以來,在水沙治理、防洪減災(zāi)等方面取得了矚目的成績,但流域內(nèi)生態(tài)脆弱問題仍十分突出,水生生物資源狀況不容樂觀。 李紅娟等[106]在2002—2006 年對黃河流域水生生物資源進行的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),黃河干流漁業(yè)產(chǎn)量與20 世紀50 年代相比下降了80% ～ 85%。 蔣曉輝等[99]分析2008 年黃河干流水生態(tài)調(diào)查資料發(fā)現(xiàn),與20 世紀50 年代、80 年代相比,除底棲動物外,其他生物的種類和數(shù)量均明顯下降。

當前,我國水環(huán)境管理正從單一的水質(zhì)管理向水生態(tài)管理轉(zhuǎn)變,構(gòu)建合理、高效的水生態(tài)監(jiān)測方法并推廣應(yīng)用對黃河流域水生態(tài)保護與管理具有重要意義。 盡管研究人員付出諸多努力,但目前黃河流域水生態(tài)監(jiān)測尤其是水生生物監(jiān)測的整體水平仍相對落后。

在常規(guī)監(jiān)測方面,黃河流域水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)日趨成熟,監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)較為完善且實現(xiàn)穩(wěn)定運行。 未來,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢,逐步擴大自動監(jiān)測的覆蓋范圍,促進水質(zhì)監(jiān)測的高效化、網(wǎng)絡(luò)化,將是提升監(jiān)測效率的重要途徑。

在生境監(jiān)測方面,現(xiàn)有研究已提出多種針對不同尺度生境的監(jiān)測方法,但仍缺少多尺度長期跟蹤監(jiān)測生境整體變化的成熟方法,也尚未根據(jù)黃河水少沙多的特征構(gòu)建有針對性的流域生境監(jiān)測體系。 其中,生態(tài)流量是一項重要的生境特征參數(shù),雖然主流生境監(jiān)測方法較少涉及該指標,但生態(tài)流量對在流域尺度下維持河流生態(tài)系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。 伴隨國民經(jīng)濟的發(fā)展,黃河的供水量不斷增加,2018 年總供水量已達516. 2 億m3,因此,將生態(tài)流量指標納入黃河生境監(jiān)測體系已成為迫切需求[20]。 受天然因素和調(diào)水調(diào)沙影響,黃河水體含沙量高且具有時間和空間異質(zhì)性,而含沙量也是對底棲動物影響最為顯著的水動力因素之一[107],但目前該指標并未被納入主流生境監(jiān)測方法,因此,在構(gòu)建黃河流域生境監(jiān)測體系時,將含沙量納入其中十分必要。

在生物監(jiān)測方面,從監(jiān)測區(qū)域上看,黃河流域?qū)ι锉O(jiān)測的應(yīng)用遠未普及,現(xiàn)有工作零星分布在局部河段、支流和湖庫,亟須擴展至整個流域,并建立長效監(jiān)測機制;從工作積累上看,黃河流域的生物監(jiān)測基礎(chǔ)薄弱,現(xiàn)有研究成果各有側(cè)重,缺乏監(jiān)測指標上的統(tǒng)一性、時間上的連續(xù)性,造成數(shù)據(jù)不可比等問題;從監(jiān)測指標上看,現(xiàn)有研究中,采用單個指標進行分析的研究較多,綜合多個指標開展深入調(diào)查的研究較少,尚未形成全面、完善的指標篩選和綜合評價體系;從監(jiān)測技術(shù)上看,目前的生物監(jiān)測以形態(tài)學(xué)鑒定為主導(dǎo),通過人工識別或鏡檢獲取樣品信息,其鑒定結(jié)果精確,但鑒定過程耗時長,且對鑒定人員鑒定經(jīng)驗的要求高,不利于大規(guī)模開展,而熒光藻類分析技術(shù)[108]、環(huán)境DNA 技術(shù)[72]等新興技術(shù)(表2)或可有效彌補該方面的不足。

表2 水生態(tài)監(jiān)測新興技術(shù)Table 2 The advantages and disadvantages of aquatic ecological monitoring emerging technologies

5 結(jié)語

伴隨黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略,黃河流域水生態(tài)監(jiān)測面臨更高的要求與挑戰(zhàn)。 結(jié)合黃河流域水生態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀,在水生態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行方面提出以下建議:

1)加快黃河流域水生態(tài)監(jiān)測能力建設(shè)。 首先,加強水生態(tài)監(jiān)測人才隊伍建設(shè)。 拓寬用人渠道,積極培養(yǎng)、引進優(yōu)秀人才加入到黃河流域水生態(tài)監(jiān)測工作中來,是迅速提高黃河流域水生態(tài)監(jiān)測能力的重要手段。 其次,大力開展流域監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)。 完善的水生態(tài)監(jiān)測站網(wǎng)是開展流域水生態(tài)監(jiān)測工作的基礎(chǔ)支撐。 加大對監(jiān)測站基礎(chǔ)設(shè)備的投入,健全水生態(tài)監(jiān)測部門專用設(shè)備儀器的配置,可以為水生態(tài)監(jiān)測工作的順利運行提供必要的物質(zhì)保障。 再次,積極推動擴大監(jiān)測范圍。生物類群方面,建議結(jié)合黃河流域已有研究成果,由單一生物類群監(jiān)測逐步擴展至多生物類群監(jiān)測,建立綜合多生物類群的水生生物監(jiān)測技術(shù);工作范圍方面,建議將水生態(tài)監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運行從河段、支流逐步擴展至流域尺度,并形成示范區(qū)域,結(jié)合不同區(qū)域的關(guān)鍵生態(tài)問題,分區(qū)分片有序擴展,定期開展生態(tài)狀況調(diào)查與評估,提升流域水生態(tài)監(jiān)測能力。

2)建立適用于黃河流域的水生態(tài)監(jiān)測與評價標準體系。 首先,開展流域數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)。開發(fā)建立集水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)報送、集中存儲和管理、統(tǒng)一分析和評價于一體的流域水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺,實現(xiàn)流域監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集管理和分析評價,可以為流域水生態(tài)監(jiān)測和評價標準化體系的建立奠定基礎(chǔ),提升流域水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、管理和生態(tài)環(huán)境狀況評估的現(xiàn)代化與信息化水平。 其次,建立具有流域特色的水生態(tài)監(jiān)測與評價標準體系。 綜合考慮黃河流域不同區(qū)域的具體情況,合理篩選監(jiān)測指標,分區(qū)域建立適用于本區(qū)域的標準化水生態(tài)監(jiān)測技術(shù);綜合考慮流域內(nèi)不同類型生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境突出問題的差異性,因地制宜、分類施策,科學(xué)確定評價指標與計算權(quán)重,分類設(shè)置針對不同類型、不同區(qū)域的生態(tài)狀況表征指標,綜合形成適用于黃河流域的水生態(tài)多指標評價標準體系,為黃河流域水生態(tài)監(jiān)測工作的常態(tài)化、深入化開展提供重要支撐。

3)探索新興監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的有機結(jié)合。 發(fā)展智慧監(jiān)測,探索推動遙感、無人機、環(huán)境DNA 等新興技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的有機結(jié)合,不斷提升水生態(tài)監(jiān)測能力,協(xié)同提升地面觀測、遙感驗證和生物多樣性監(jiān)測能力,提高監(jiān)測效率與監(jiān)測精準度,不斷拓展水生態(tài)監(jiān)測新興技術(shù)在黃河流域的應(yīng)用空間。