生物監測在跨界河流中的應用進展

汪　星,劉錄三,李　黎

1.中國環境科學研究院環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2.中國環境科學研究院國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012

生物監測，即利用生物組分、個體、種群或群落對環境污染或變化所產生的反應，從生物學角度，為環境質量的監測和評價提供依據。一般來說，水體中生長繁殖的大部分生物都可作為生物監測的指示類群，它們能從不同的時間和空間尺度上對外界環境變化做出響應，然而，由于人們對不同生物類群的認知水平及生物類群間的敏感性存在差異，用于生物監測的主要生物類群包括細菌、藻類、浮游動物、大型浮游植物、大型底棲無脊椎動物(下稱大型底棲動物)以及魚類等。其中，藻類、大型底棲動物和魚類成為目前河流系統生物監測中最重要的生物類群。生物監測在河流健康評價中發揮著重要作用，具體可歸為4方面[1-3]：①長期性。能夠反映一定時間內的環境變化情況。②綜合性。能夠反映整個系統的生態完整性。③敏感性。能夠對微量污染物產生反應。④監測功能多樣性。一種生物能對多種污染物產生反應。

跨界河流，是指其組成部分位于2個或更多的國家領土之上或管轄權之下的水域，包括具有跨國界流域或共同邊界的河流、湖泊、地下水系統和濕地等。世界范圍內的跨界河流有許多，其中，較大的跨界河流達到300條以上。中國幅員遼闊，與周邊眾多國家有跨界河流，境內主要分布于東北、西北和西南3個區域且多數處于跨界河流的上游，其中著名的跨界河流有黑龍江、雅魯藏布江、瀾滄江、怒江、伊犁河以及額爾齊斯河，其年徑流量分別達到3 465、1 654、740、689、160、94億立方米，然而，關于中國跨界河流生物監測的應用研究卻罕見報道。該研究分析了跨界河流生物監測中存在的問題；選擇歐洲的多瑙河、亞洲的湄公河以及非洲的尼日爾河為典型案例，闡述了生物監測在跨界河流中的應用現狀；并對未來的跨界河流生物監測提出建議，以期為中國的跨界河流生物監測提供實踐依據。

1　跨界河流生物監測中存在的問題

1.1跨界國家的協調管理

由于地域環境、歷史背景以及經濟發展狀況等諸多方面的差異，如何統一跨界河流成員國間的生物監測方法一直以來困擾著跨界流域內的管理者和研究者。管理者喜歡縱觀監測項目全局，而缺少對各個跨界成員國的協調及實時管理，這種問題在歐盟國家也普遍存在。因此，就世界范圍來看，對跨界國家間的協調管理依舊任重而道遠，特別是在經濟和監測技術較為落后的發展中國家，協調統一各跨界成員國的生物調查類群和生物監測技術更是當務之急。

1.2生物類群的選擇

如何正確選擇生物監測類群一直是研究者們競相爭論的話題。在世界范圍內，生物監測項目通常會依賴于3種生物類群進行生物評價：魚類，大型底棲動物和藻類。發達國家對大型底棲動物的使用最為廣泛[4-6]。同樣，大型底棲動物在發展中國家的使用率也比其他生物類群(細菌，原生動物、藻類和魚類)的要高。當然，流域特點、資金問題也是影響生物類群選擇的關鍵。整體而言，大型底棲動物不論是從成本還是后勤學來考慮，都是生物監測中使用最為廣泛的。

1.3生物監測技術的選擇

生物監測項目實施過程中，發達國家傾向于在使用方法上保持一致性。1個世紀以來，德國及許多東歐國家一直依賴于耐污生物指數法[7-8]，而在發展中國家，由于開展生物監測的歷史較短，又缺乏必要的調查學習，常常依賴于常規的采樣技術或是挑選發達國家成熟的監測方法[9-10]。

然而，在發展中國家，直接引用發達國家的先進技術并非總能達到預期的效果，可能是方法已經過時，或者是因為指示生物(如大型底棲動物、著生藻類)自身存在地域多樣性和對污染的耐受能力存在差異。例如單因子評價法，雖然其有效性一直受到質疑，但仍在發展中國家的監測項目中被使用(如中國、印度)[9-10]。特別是對通用監測方法的使用不當，例如，一些生物指數的計算需要用到耐污值，不同種類在區域間的生物耐污值差異較大，而在耐污值的選擇過程中，研究者所選取的生物分類級別參差不齊(如科水平替代屬或種的水平)，導致最終的監測結果產生偏差。

1.4其他

跨界河流生物監測所面臨的問題遠不止前述的跨界國家間的協調管理、調查類群與監測技術的選擇等問題，可能還會涉及到法律法規的執行、調查人員的專業程度、經費資助力度、對河流生態以及對水生生物分類學的認知程度等諸多問題，這些問題在跨界河流生物監測中往往普遍存在。

2　跨界河流生物監測現狀

2.1歐洲

歐洲有著多條跨界河流(如多瑙河、萊茵河等)，它們在這些國家的社會經濟發展中起著重要的作用。以多瑙河為例，來了解生物監測在歐洲跨界河流中的應用現狀和運行機制。多瑙河全長2 850 km，流域面積81.7萬平方公里，是歐洲第2長河。它發源于德國西南部的黑林山的東坡，自西向東流經奧地利、斯洛伐克、匈牙利、克羅地亞、塞爾維亞、保加利亞、羅馬尼亞、烏克蘭，在烏克蘭中南部注入黑海，是世界上干流流經國家最多的河流。

為了實現歐盟水框架指令對跨界流域的水資源管理要求，由聯合國開發計劃署(UNDP)/全球環境基金(GEF)共同發起了多瑙河區域項目(DRP)，該項目的宗旨是強化多瑙河流域營養鹽的削減能力以及加強流域內國家的跨界協作，最終在多瑙河流域和黑海入海口建立適宜的跨界生態環境。這就需要對多瑙河流域生態狀況進行監測，歐盟水框架指令要求，在生物監測的過程中須考慮到水體類型本身、生物群落的變化以及參照狀態的選擇。

多瑙河流域內已有的生物監測與評價方法見表1。

表1　多瑙河流域內河道生物監測與評價方法

由表1可以看出，在多瑙河流域內，使用大型底棲動物進行生物監測是主要方法，占所有方法的35％；使用底棲藻類和浮游藻類對水質進行評估也是多瑙河流域生態監測的重點，分別占據所有方法的20％、14％；使用魚類來監測人類干擾的方法僅占4％；從污染脅迫的角度來看，多瑙河流域生物監測的重點是有機污染，占據所有監測項目的比例高達34％。

為了全面執行水框架指令的要求，項目組成員對多瑙河流域內現有的監測項目和以往的監測方法進行重新設計，并提出評估地表水質的新方法。研究者們對各個國家的生物監測方法與監測類群進行了詳細的對比，并對常用的監測方法進行了相互校準。經歐盟及多瑙河區域項目管理者對各國監測方法的協調，最終將耐污生物監測系統整合入水框架指令當中，并在各成員國中貫徹執行，同時擬定出一套適合多瑙河跨界生物監測的方法：首先，對于整個流域，參照環境的選擇沿用Braukmann (1987)的假設[23]，該假設以可降解有機物為依托，使用“耐污生物基礎環境”作為參照環境；第二，使用大型底棲動物作為生物監測的指示生物，流域內各國生物學家經實地調查與鑒定分析后提供相關監測數據，并構建數據庫；第三，將采樣點位及其環境因子的相關信息(如采樣位置、河流長度、監測點位編碼、斷面位置以及土地使用情況)一并錄入數據庫；第四，將分類鑒定的物種名和種類豐富度錄入生物數據表，應盡可能鑒定到種，當然，在某些情況下，也可鑒定到屬；最后，在允許條件下，在采樣點位所在河道的左側、右側、中部分別采集生物樣品。

2.2亞洲

亞洲有許多知名的跨界河流，但要談到綜合管理能力，湄公河的跨界生物監測無疑是一個突出的案例。湄公河，干流全長4 880 km，是亞洲最重要的跨國水系，世界第六大河流；主源為扎曲，發源于中國青海省玉樹藏族自治州雜多縣，流經中國、老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南，于越南胡志明市流入南海。流域內除中國和緬甸外，均為湄公河委員會成員國。

20世紀末，湄公河下游水質退化問題就已經被識別為老撾、泰國、柬埔寨和越南的跨界問題。但在當時，管理者們發現，可用的數據不能充分評估湄公河流域內的跨界水質問題，為了完善生物數據，管委會提議建立湄公河流域生物監測項目，將魚類、大型底棲動物、藻類和大型植物作為調查對象，并努力搜集湄公河及其支流的生物和生態學相關信息，為該區域的綜合評價做知識儲備[24]。

針對上述跨界生物監測的問題，自2003年以來，湄公河管委會已經在各成員國內設置了20～24個監測斷面進行年度調查[27]。該監測項目旨在建立湄公河下游 “河流健康”的綜合評價，調查經費由國際組織捐贈支撐。在項目實施過程中，管委會挑選當地受過專業訓練的工作人員來對不同的生物類群進行監測，同時聘請國際專家進行指導。

該跨界生物監測項目的具體實施過程大致可以分為3個階段[25-26]：①2003年為初步實施階段，其研究重點在評估魚類(用刺網收集)、深水大型底棲動物(用艾克曼抓斗收集)、河濱帶大型底棲動物(使用D型網收集)、著生藻類(從巖石或其他硬底質上獲取)，這些生物類群連同常規理化指標共同構成湄公河生態健康的評價指標[27]。②全面貫徹實施階段，較初步研究有2處重要的改變，一個是以硅藻為核心來采集著生藻類，略去了對大型藻類的采集，因為對大型藻的定量采集非常困難；另一個是略去對魚類的采集，因為魚類的采集較其他生物類群(硅藻或大型底棲動物)的耗時更長(可能需要幾天來完成采集)，再者，魚類數據還可以從其他渠道獲取(如電魚調查，魚貨市場等)。③常規監測階段，每年3月(該區域為枯水期)，湄公河委員會的研究者們會調查新的或重復調查以往的點位來完成生物監測，與此同時，研究者們也將種類豐度、豐富度和污染耐受個體所占比例等指標納入了常規的分析項目當中。

值得一提的是，為了完善該生物監測項目，研究者們不僅使用了單變量分析，還使用了物種分類組成及其他多變量的分析方法，以此來監測生物區系的時空演變及其與環境因子的相關性[28]。

2.3非洲

非洲境內有2條著名的跨界河流，尼羅河和尼日爾河，分別為非洲的第一和第三大河流，其在全洲的流域面積均超過了100萬平方公里。這2條河流不僅跨越多個國家，而且在這些國家的社會經濟發展中起著重要的作用。

尼羅河是迄今為止缺乏流域一體化管理的跨國河流之一，由于歷史、地理和發展等因素，尼羅河水資源利用中的不對稱現象明顯，因此，很長一段時間以來，尼羅河流域不存在跨界合作監測項目。盡管如此，部分研究者還是對尼羅河流域進行了一定的生物調查工作：研究者在對尼羅河的調查中，綜合考慮流域特點和指示生物的普適性，選用了不同的采樣方法來采集大型底棲動物[29]。結果顯示，人工基質的采樣效率比抓斗式采泥器效率高，為了收集1個點位內的全部底棲動物類群，需采集15斗泥或安置5個人工基質采樣器。為了更有效地設計生物監測項目，研究者們還對該流域底棲動物的采樣季節和頻次進行了研究，例如，要詳細了解底棲動物的生活史，則需進行頻繁監測，按月進行生物調查；而如果是為水質管理服務的快速生物評價，則1年只需進行1～2次采樣。

此處，以尼日爾河為例，來了解非洲跨界河流生物監測的應用現狀與運行機制。尼日爾河，作為西非最大的河流，全長4 184 km，流域面積209萬平方公里。發源于幾內亞富塔賈隆高原東南坡，流經馬里、尼日爾、貝寧、尼日利亞等國，注入幾內亞灣。

對尼日爾河進行跨界生物監測要追溯到20世紀70年代。1974年，非洲西部國家在尼日爾河流域內使用殺蟲劑去除盤尾絲蟲病，這項滅蟲工程一直開展到2002年，涉及到11個西非國家，并以此來控制人體內寄生蟲的傳播[30]。然而，在河流中長期大量使用殺蟲劑會造成大范圍的環境損害。為了評估該流域內的生態環境狀況，各成員國間建立了跨界生物監測項目[31]，該項目的具體實施由獨立的生態監管委員會管理[32-33]，并且所有調查經費均由國際捐贈者資助并由世界銀行來管理。

盡管該生物監測項目由11個西非國家來承擔，常規的生物調查僅由4個國家完成(布基納法索、科特迪瓦、加納以及幾內亞)，而其他7個國家(塞內加爾、馬里、尼日爾、貝寧、多哥、幾內亞比紹以及塞拉利昂)則負責定期或短期的監測[34]。生物類群的選擇方面，魚類和大型底棲動物始終被選作指示生物；在監測頻次上，枯水期進行逐月調查，豐水期也盡量保證每月采樣1次；采樣方法上，魚類的采集多使用刺網，大型底棲動物的采集則使用索伯網；在后續處理方面，由專業人員對采集的樣品進行分類鑒定與計數，并完成種類組成、豐度、豐富度的分析。

3 不同生物類群監測方法的特點分析

在前述案例中，藻類、大型底棲動物以及魚類是研究者們優先考慮的生物調查對象，其中以大型底棲動物使用最為廣泛，然而，在實施生物監測項目之前，必須理清各種生物類群的環境指示特點(表2)以及不同采樣方法的優缺點(表3)，以便更好地開展生物調查工作。

表2　藻類、大型底棲動物及魚類的環境指示特點

表3　藻類、大型底棲動物及魚類采樣方法的優缺點[43-44]

續表3

類群采樣方法優點缺點大型底棲動物天然基質法(網捕法、抓斗法)人工基質法(石籠法)每次采樣只往返1次，整體成本及工作量低樣品可變性大，需要更多重復抽樣調查網捕法可以對特定生境進行采集，代表性高網捕法的處理時間較長，成本較高抓斗法能有效地在深水生境采集樣品，且采集的物種豐富度較其他方法高抓斗法對底質要求較高，攜帶不方便，樣品處理過程中會“沖失”生物體可以在難以有效采樣的位置采集樣品基質需要回收，且難以運輸和保存可以排除采樣的主觀性，使樣品標準化周期長，對快速生物評價的時效性低降低了生境差異的混淆效應和采樣可變性樣品的代表性較差魚類電魚法網捕法使得樣品采集量標準化采樣效率受水體濁度和電導率影響較大采樣耗時短，所需的人力少對魚類的傷害性較大對魚的選擇性小，且適用于各種生境采樣人員操作時危險系數較大采樣成本較低對經驗與技術要求較高，且耗人力采樣工具易于運輸和保存樣品的可變性較強采樣不受水質參數限制且對魚類傷害較小受河流底質及水體流速影響較大

4　建議

生物監測正越來越多地應用于國際跨界河流的健康評價工作當中。在中國，跨界河流的生物監測還有大量工作要做(如黑龍江的跨界生物監測工作還處于啟動探索階段)。

1)在監測項目開展前期，須指定專職人員或部門對項目進行實時協調與管理，并嚴格界定各成員國的流域監測及管理責任；在每個跨界成員國認可的基礎上，制定一項全流域內普遍適用的實施方案(如協調生物監測的頻次和時間、統一生物監測的類群及方法)。

2)在監測頻次上，應充分考慮流域的環境條件、生物類群的時間變化特點、調查目的及人力、費用投入，確定調查頻次和調查時間(如對全流域的環境基線調查，可以考慮第1年每季監測1次，之后可每年1次；流域內不同區域的常規監測可以考慮每季調查1次，尤其對受季節性影響顯著的監測區域，應當進行逐月調查)。

3)在生物類群選擇上，應根據監測的水體類型以及特定目的，充分考慮每個類群的優點、生命周期，并結合區域的環境特點，選擇適合的水生生物類群。溪流及淺水型河流生物監測的常用生物類群為著生藻類、大型底棲動物以及魚類，深水型河流生物監測可以選擇浮游藻類作為著生藻類的補充。另外，較大范圍內環境變化的長期(幾年)效應監測，首選魚類；環境變化的短期效應評價，則選擇大型底棲動物或藻類。在充分達到既定監測目的的前提下，調查類群可以根據現場采樣條件以及人員、儀器的配備情況酌情增減。

4)在采樣方法的選擇上，應充分考慮河流的水文形態、底質類型以及采集成本。溪流及淺水型河流生物監測中，適宜選用天然基質(刮石)法采集著生藻類樣本，選用網捕(D型網、索伯網)法采集大型底棲動物樣本以及在獲批條件下選用電魚法采集魚類樣本；在深水型(不可涉水)河流中，適宜選用人工基質法或直接采水法獲取藻類樣本，選用抓斗(深水區)和網捕(河岸可涉水區)相結合的方法采集大型底棲動物樣本以及在漁業部門的協助下選用網捕法采集魚類樣本。

5)在樣品的分類鑒定過程中，可以將分類檢索表重點放在區分不同的生物種類而不僅僅是鑒定和描述這些種類本身；或者將重點放在確定的種類上，比如蜉蝣目(蜉蝣)、襀翅目(石蠅)、蜻蜓目(石蛾)，這些都是容易鑒定的種類，并且這些種類能對更多的污染變化作出響應；還可以選用不涉及鑒定的方法，比如順序比較指數法(the Sequential Comparison Index, Resh 1995)[9]。

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