中國流域水環境生物監測體系構成和發展

陰 琨，王業耀，許人驥，金小偉，劉 允，滕恩江，呂怡兵

1.中國地質大學，北京 100083 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

生物監測指利用生物個體、種群或群落對環境質量及其變化所產生的反應和影響來闡明環境污染的性質、程度和范圍，從生物學角度評價環境質量狀況的過程[1]，是流域水環境監測一個非常重要的領域。相對于理化監測從環境壓力角度來反映環境狀況，生物監測則是從環境效應的角度來反映環境問題。美國、歐盟等發達國家和地區均已建立了較完備的水環境生物監測體系。歐盟基于水框架指令(WFD)的法規要求建立了水環境監測管理體系。WFD的核心是流域綜合管理；重點是改善支持動植物群體發展的水生態環境；目標是使歐盟所有水域的水生態系統(物理水文、化學和生物要素)達到良好狀態。美國于1972年推出了聯邦水污染控制法令(清潔水法令1977),要求各州建立、發展以自然生態系統生物評估為基礎的生物基準[2]；隨后出版了利用各類水生生物進行監測和生物測試技術的參考資料[3-4]；各州也相繼開展了生物監測，其中阿肯色州、緬因州、加州、北卡羅來納州、佛蒙特州等是較早將生物監測結果作為水環境管理重要手段的地區。目前，美國已形成在法令法規、監測標準、配套監測方法和技術導則等技術文件構成的體系框架下的更為成熟完整的生物監測體系，監測體系主要包括生物種群或群落調查[5-7]、毒性試驗[8]、微生物測試和魚組織污染物分析[9]4個部分；同時，也建立起強大的環境監測網絡和成熟的監測市場[10]，這些都確保了美國水環境生物監測體系更加完備和更快速地發展。

中國流域水環境系統的生物監測體系尚未形成，基礎還比較弱，在技術體系的建立、監測網絡的構建、數據管理平臺的建立、人員梯隊等保障體系建設等諸多方面都有待探索。目前該領域已經具備了研究推廣和發展的基礎。國內眾多高校和研究機構擁有多年水環境生物監測的研究成果，近幾年環保部門和水利部門也開展了大量生物試點監測、全國性技術培訓，使得現階段在全國范圍推廣流域水環境生物監測、完善體系、制定標準等具備了支撐條件。依據目前中國流域水環境生物監測的發展基礎和方向，分析了國外水環境生物監測體系的構成和特點；剖析了中國生物監測的發展歷程、基礎、存在問題和發展需求；提出了中國流域水環境生物監測體系的發展目標、重點發展內容，并對全國監測系統生物監測體系的構成和發展提出建議。

1 國外水環境生物監測體系

美國已建立了較完備的水環境生物監測體系。1972年美國推出了聯邦水污染控制法令，明確了生物監測的法律地位[2]；隨后出版了很多生物測試的技術文件和標準[3-4]，使生物監測發展成為流域水環境評價和管理的重要環節。目前，美國已形成在法令法規、監測標準、配套監測方法和技術導則等技術文件構成的體系框架下的更為成熟完整的生物監測體系，主要包括水體生物種群或群落調查評價[5-7]、生物毒性試驗[8]、微生物測試和魚組織污染物分析[9]4個部分，監測結果被用于環境評價、了解污染狀況、決定污染控制重點、評價污染控制效果等流域水環境的管理中。同時，美國的環境監測體系形成了由EPA主導，多個單位部門共同協作完成的運行體制。并且，在EPA制訂的一系列環境監測法規及分析標準[11-18]的規范下，成熟的環境監測市場化運作模式得以實現。其次，美國還建立了由EPA收集管理并存儲數據的數據庫管理體系。最后，在技術發展和更新方面，美國每年都會召開一次國家環境監測大會(NEMC)，目的在于提供一個交流的平臺，便于各方研討環境監測新方法，解決環境監測領域相關問題，并向各州管理機構和公眾發布監測動態[10]，建立一個良好的技術保障體系。

歐盟的水環境監測管理體系是基于水框架指令的法規要求建立的。WFD[19]的核心是流域綜合管理，流域區是綜合管理的組成單元；重點是改善支持動植物群體發展的水生態環境；目標是使歐盟所有水域的水生態系統(物理水文、化學和生物要素)達到良好狀態。在管理體系方面，歐盟成員國需要有能力的主管機構來負責(如英國由環境保護署負責運行)。在數據報告制度方面，各成員國需要向歐洲委員會提交每個流域的監測分析報告、監測計劃和流域管理規劃，委員會在各成員國報告基礎上向歐洲議會提交總報告；同時，歐盟也建立了數據傳輸和管理的程序規定。其次，法令還要求監測網絡要涵蓋流域所在的所有范圍，已建立的地表水監測點位約57 000個[20]。再次，WFD監測標準體系非常完善，包含國家標準化組織(ISO)標準體系和歐盟標準體系中的多種監測和評價方法，這是對監測體系良好運行的有效技術保障。WFD對生態質量狀況評價的特點在于體現了多要素綜合評價，強調了流域尺度綜合管理，遵循多要素最低評價原則，建立了標準方法體系，有嚴格的數據報告管理制度。

國外水環境生物監測體系的構成、開展領域以及管理運行的模式有諸多值得中國借鑒的地方。在中國流域水環境生物監測具備推廣和運行條件的前提下，應該階段性地吸納這些內容和發展模式。

2 中國生物監測的發展歷程和問題

2.1 中國生物監測的發展歷程及基礎

中國的生物監測工作始于20世紀60年代，并隨著20世紀70年代的環境污染調查，與中國的環境監測事業一同發展。1989年，中國第一部環保基本法《中華人民共和國環境保護法》正式出臺實施，20世紀80年代，隨著國家和地方環境監測機構的成立，部分城市開展了生物監測工作。此后，生物監測經歷了一個快速發展的時期。至20世紀90年代，國家環保局組織編寫、出版了多個生物監測規范及技術指導手冊[21]，并在這個時期初次建立起國家水生生物監測網，開始在全國范圍開展例行的生物監測工作。這一時期是全國環境監測系統內生物監測能力快速提升的一個階段，監測指標主要包括生物群落監測、細菌學、生物毒性；出現了一批具有生物監測能力的監測站，并培養起一批生物監測技術人員，為生物監測的發展打下了重要的基礎。

20世紀90年代中后期，理化監測技術體系的快速發展以及理化監測任務的加重，使得中國環境監測工作的重點集中到理化方面。這個時期，中國的環保工作是以“污染防治”為重點，在國家專項資金的大力投入下，水、空氣、酸雨、沙塵、噪聲監測網絡均建立發展起來，形成了國家環境質量監測網；同時，理化常規監測站點也顯著增加[22]。生物監測的優勢在于指示生態質量的變化，在以“污染防治”為重點的政策指導下，生物監測很難發揮其優勢，使得環境質量標準中生物監測指標和保護目標缺失，導致生物監測在水環境監測體系中沒有明確的地位。加之國家在經費、人力、物力上沒能提供正常的能力建設支持和監測運行保障，生物監測工作陷入了無的放矢的尷尬境地，很多20世紀80年代中后期開展生物監測的監測站也弱化甚至取消了這方面工作，只保留了地表水標準中要求的微生物分析能力。

近幾年隨著環保需求的加強及各省、市、地區發展對環境的重視，很多地方站的監測能力也得到了不同程度的加強和完善。2012年的能力調查統計顯示，全國開展生物監測工作的監測站約118個，監測的河流約115條，湖庫約169個。其中，開展生物群落監測的監測站約98個；開展生物組織污染物分析和生物綜合毒性監測的監測站約20個。監測內容主要涵蓋：生物群落監測、生物組織污染物分析、生物綜合毒性試驗等方面。湖南、山東、上海、南京等省市級監測站還開展了生物監測的相關研究(如生物多樣性監測的評價和應用研究[23-24]，潮間帶生態環境質量研究[25]，生物體中微量有機物檢測方法研究[26], 生物毒性試驗在廢水監測中的應用[27]，水環境生物監測指標研究[28]，生物實驗室管理[29]等)，少數監測站還開展了活體在線監測和細胞及分子水平監測的研究。其次，國家在“十二五”重大專項中也積極開展了針對“流域水生態環境質量監測與評價”的研究；環保公益項目投入600萬元，開展了針對“水體有毒污染物健康效應”、“化學品毒性評價方法”、“重金屬健康風險評價生物監測指標”等相關課題的研究，其研究成果為建立綜合有效的流域水生態環境質量的監測和評價體系，開展保障水安全的生物監測評價工作提供了有力的技術支持和決策支撐。在生物監測標準的發展上，積極制修訂了發光菌，淡水魚(斑馬魚、真骨魚、稀有鮈鯽)，浮游動物(大型蚤)，雙殼類軟體動物，蝦蟹，遺傳毒性(蠶豆根尖試驗)，指示微生物等19項生物監測標準。國家為了實現從流域水生態完整性角度開展監測和評價，環保部于2012、2013年組織黑龍江、江蘇、湖北等13個省26個監測站在松花江流域、南水北調源頭、太湖、滇池等全國重點河流和湖庫開展了生物監測的試點工作；同時，建立了長江三峽工程生態與環境監測系統和環境衛星遙感解析系統[22]，這些生態監測工作提供了重要的監測數據和研究成果，為中國全面推廣水環境生物監測提供了有力的技術和基礎支撐。發展中國流域水環境生物監測體系成為事在必行的重要任務。

2.2 中國生物監測存在的問題

缺少背景數據和背景資料。生物監測要求對生物個體、群落乃至生態系統進行連續監測，通過其在不同時間的變化數據反映環境質量的變化。但目前中國開展生物監測的地區還不多，大部分地區的監測系統對于本地生物種類、群落分布等基本數據仍不清楚。缺少歷史數據和背景資料，很難對環境質量的發展趨勢進行評價和預測。

標準體系更新滯后，缺乏生物監測的技術規范和評價標準。目前國內沒有統一的關于生物采樣方法、監測方法的標準和技術規范，這種情況有生物監測方法本身技術制約的原因，但缺乏標準勢必會影響生物監測的應用范圍。同時，現階段生物監測僅用于一次或不定期的環境評價描述，生物監測的目的還局限在對污染程度的評價上，沒有拓展到對生態質量的評價層面，缺乏有效的評價方法，不能全面反映環境質量的變化狀況。這些問題也是生物監測不能在環境管理中發揮作用的根本原因。

尚未形成全國流域水環境生物監測網絡。由于沒有統一的技術要求和規劃，再加上經費來源和數量不同，各地監測站在開展的監測業務、具備的監測能力及儀器設備的配置等方面差別較大，很難形成流域尺度的跨省監測網絡、國家監測網絡，數據分散難以解決全國范圍的流域水環境問題。

缺乏人員、資金和技術上的支持。從事生物監測的人員少，大部分市級及以下監測站生物監測職能沒有獨立出來，裝備水平普遍較低，技術落后(如生物鑒定所必需的顯微鏡和解剖鏡，全國監測站合計僅373臺套，其中超過5萬元的僅53臺，且主要分布在江蘇、浙江、福建和廣東，中西部地區僅4個一級站和4個二級站有配置)。

具有專業背景的生物監測人員缺乏。僅有59個一級或二級監測站設立生物監測室，招聘專業人員。根據2012年生物監測能力調查情況，目前監測系統從事生物監測的人員僅1 000余人，其中非生物背景的超過一半。20世紀80年代參加生物監測工作的監測人員現在基本已經退休或接近退休年齡，出現年齡斷層，缺乏工作的承接連續性。

3 水環境生物監測體系的發展目標

中國流域水環境生物監測體系的總體發展目標應該定位在以流域為單元，以各級支流為監測區段，發展以實現流域水環境生態完整性評價為目的的綜合監測體系。基于總體目標，實現中國環境管理以“污染防治”為重點到以“生態健康”為目的的轉折。具體的發展目標涵蓋4個方面：

3.1 構建水環境生物監測技術體系

構建適合監測系統的生物監測指標，建立技術方法標準以及評價方法體系，構建涵蓋微生物監測、生物群落監測、生物毒理試驗以及水環境生態質量監測4個核心板塊的業務體系。技術體系能支撐流域水環境生態完整性評價和流域水環境管理。

3.2 構建全國水環境生物監測網絡

在現有生物監測網絡基礎上，補充監測網點、完善監測能力，構建以流域為單元的全國水環境生物監測網絡。網絡應覆蓋長江水系，黃河水系、珠江水系、松花江水系、海灤河水系、大遼河水系、太湖流域巢湖流域、三峽庫區7大流域，三河三湖重點流域地區。

3.3 建立數據管理與評價平臺

在現有環境監測數據報送平臺基礎上，開發建立生物監測數據的報送、存儲、管理，以及數據的分析、處理和評價的平臺。平臺能實現全國監測數據的收集管理和流域的環境質量評價。

3.4 建立運行保障體系

通過建立專業人才引進、培訓機制，技術交流和多部門合作機制，建立系統內生物監測專家庫，各級監測站生物監測能力建設機制，實現運行保障體系的建立。保障體系能支持在水環境領域形成每個流域都有一支能力強的生物監測隊伍，全國監測系統有一支專家團隊，保障水環境生物監測體系的順利運行。

4 水環境生物監測體系發展的重點工作

4.1 以市級站為核心構建監測網絡

監測網絡是形成監測體系的支撐和基礎，在全國范圍建設生物監測網絡也是發展生物監測體系的首要任務，而且中國已經具備了一定的基礎[1]。目前，全國開展生物監測的省市級監測站約118個，涉及河流約115條，湖庫約169個，其中包括7大流域、三河三湖的部分河段。開展生物群落監測的監測站約98個，監測覆蓋約104條河流，159個湖庫；開展魚類組織污染和生物綜合毒性監測的監測站約20個，監測覆蓋約11條河流，10個湖庫。開展生物群落監測的監測站中，涵蓋長江水系12個站點，黃河水系0個站點，珠江水系3個站點，淮河水系2個站點，松花江水系8個站點，海灤河水系0個站點，大遼河6個站點，太湖、巢湖流域和滇池共有7個站點，三峽庫區2個站點。

基于以上現有網絡基礎，建議應以市級站為核心建設單元，在已具有生物監測能力的省市級監測站基礎上，增加新的生物監測網點，形成能承擔國家重點流域(7大流域、三河三湖一庫)常規生物監測任務的監測網絡。重點流域網點建設新增53個站點；重點旅游城市、沿海開放城市、經濟特區網點建設新增7個站點；省會城市網點建設新增13個站點。建成由約191個監測網點構成的，以流域為單元的國家水環境生物監測網絡(表1)。

表1 全國水環境生物監測網絡基本組成

注：“—”表示未設置站點；“*”表示其中的瀘州、宜賓已在長江水系中增設，未重復列入。

4.2 建立核心業務監測能力

依據建立以流域水環境生態完整性評價為目的的綜合監測體系總體目標要求，構建涵蓋微生物監測、生物群落監測、生物毒理試驗以及水環境生態質量監測4個核心板塊的業務體系。

首先，在以單一種群進行監測評價的工作基礎上，開展用多個種群進行監測評價的業務，拓展生物群落監測業務水平，形成從長期效應角度對環境脅迫效應進行監測和評價的能力。其次，拓展生物毒理試驗業務能力，從利用單一發光菌進行急性毒性監測，發展利用藻、蚤類、魚類等多級生物測試系統進行水體急性毒性評價的業務，形成從短期效應角度對環境脅迫響應進行監測和評價的能力。

在“十二五”末期至“十三五”期間，在前3項監測業務的基礎上，逐步建立起水環境生態質量監測能力。評價水環境生態質量狀況和變化趨勢，說清流域水環境污染的影響和程度，更有效地為國家水環境保護和管理服務。

4.3 開展生物監測業務標準化建設

一個監測領域的業務標準化建設是這個領域監測體系運行的重要基礎支撐。生物監測業務標準化建設應涵蓋：建立獨立的生物監測機構(科室)，配置專業背景的生物監測人員，建設和管理規范化生物實驗室，建立設備儀器的配置更新機制，制定監測任務和建立監測數據報送制度。參考建設方案：①機構。每個監測站應建立一個專門負責生物監測業務工作及科研工作的獨立科室。②人員。配置2～5名生物專業的監測人員(專業背景主要是毒理學、微生物學、水生生物學、生物化學和分子生物學)。③實驗室。應按基本功能劃分為采樣間、樣品前處理間、無菌室、毒性試驗間、受試生物培養室等多個功能獨立的實驗室，并建立規范的實驗室管理制度。④業務工作。承擔核心監測業務，專項監測和科研任務。⑤數據報送。依托數據管理平臺，按照監測周期向國家級監測中心或相關地方上級管理部門提供數據和質量報告。

4.4 進一步完善水環境質量評價報告

完善中國水環境質量評價報告，也是生物監測體系建設中另一項重要內容。應將生物監測的數據和結果納入到現有水環境質量評價報告書中，在現有理化指標評價基礎上，融入生物指標的評價內容，開展流域水生態環境質量評價，更全面地反映中國水環境質量的狀況和變化趨勢，實現流域綜合評價。

5 結論

生物監測是流域水環境監測的一個重要領域，對生物監測的定位，在新的發展階段應該有更清晰的認識。生物監測是對環境脅迫響應的監測，理化監測是對環境脅迫壓力的監測，一個是果、一個是因，是2個同等重要的方面。生物監測的地位不是理化監測的補充，而是監測的另一層面和角度，要全面說清環境質量問題，理化監測和生物監測必須并行，這樣才能真正實現中國水環境管理從以“污染防治”為重點到以“生態健康”為目的的轉折。

中國正處在生物監測發展的一個新階段。在“十二五”時期，國家對環境保護及環境監測提出了更高更新的要求，從各方面都體現出對生物監測能力建立發展的支持和關注。相對國外成熟完善的水環境生物監測體系，中國雖然發展晚，但在新的發展環境和需求下，在這個階段推廣和發展水環境生物監測體系已成為迫在眉睫的重要任務。

建立中國流域水環境生物監測體系，無疑是監測系統一個艱巨而充滿開拓性的任務。要在以流域為單元，以各級支流為監測區段，以實現流域水環境生態完整性評價為目的的綜合監測體系總體發展目標的指導下，完成構建水環境生物監測技術體系、全國水環境生物監測網絡體系、數據管理與評價平臺和運行保障體系4個分目標。全國監測系統和國家監測中心應該積極承擔并完成各自的發展任務，實現中國環境管理以“污染防治”為重點到以“生態健康”為目的的轉折，共同推動中國流域水環境監測工作的快速發展。研究針對體系發展的目標和任務提出些許思考和建議，還有很多欠缺不足，需要在體系運行中逐步調整和完善。

致謝：常州市環境監測站徐東炯總工，上海市環境監測中心張錦平副主任，南京市環境監測站張澤海副站長對研究提出諸多寶貴意見，在此表示誠摯的感謝。

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