水環境指示生物篩選及水質評價方法研究

周晏敏，袁 欣，李彬旭，馬德濱，劉 允

1．齊齊哈爾市環境監測中心站，黑龍江齊齊哈爾 161005

2．哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150080

3．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

生物監測是利用生物的組分、個體、種群或群落對環境污染或環境變化所產生的反應，從生物學的角度為環境質量的監測、評價提供依據。生物監測指標是指能夠清晰反映生態系統狀態及變化趨勢的可觀性特征［1］。從 Kolkwitz等在1902年首次采用生物指標評價水質至今，在環境領域提及的生物監測均指一種生物群落、生物個體或生物的生理生化指標來反映水體的環境質量［2-4］。

中國開展時間長、運用范圍廣的生物監測指標主要為底棲動物和藻類。目前利用生物指標對水體環境質量評價方法較多，都是采用多種評價方法對單一生物監測指標進行評價［5-10］，不能反映水體化學指標情況和整個生態系統的狀況。本文以理化指標為基礎，篩選出不同污染水體底棲動物、浮游生物作為指示生物，初步建立一套基于指示生物的描述水體污染程度的綜合評價體系。

1 水環境的理化指標分級

確定水體污染的生物分級不易過多、過細。因此，將齊齊哈爾市水體劃分為5個差異明顯的級別，即一級代表清潔或較清潔，二級代表輕污染，三級代表中污染，四級代表重污染，五級代表嚴重污染。

將2006—2013年與生物監測同步的272組數據進行統計分析。結果表明，與生物關系密切的高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、總磷、總氮、糞大腸菌群指標同時符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)［11］同一類水體的值僅有2008年7月拉哈斷面(左)一組，一致率占分析組的0.37%。因此利用《地表水環境質量標準》的污染分級篩選指示生物(制定生物評價標準)是有困難的。為此本研究以水體受到污染程度的情況，結合生物指標和理化指標進行水體劃分。

1.1 一級水體理化指標選擇

流經齊齊哈爾地區的嫩江源頭水體是清潔水體，但考慮到嫩江源頭為海拔高、水速急，底質以礫石為主的環境，源頭水體在流經齊齊哈爾市的過程中即使未受到污染，水質理化指標也會受到水體的稀釋、沉淀、擴散等自凈作用及氧化還原反應、酸堿反應、分解化合作用、微生物降解作用等而發生改變。所以，嫩江源頭的理化指標、生物群落與齊齊哈爾地區是有差異的。

為能獲得有代表性的齊齊哈爾市清潔或較清潔水體理化數據，制定一個科學、合理的評價指標，選用1991—1994年拉哈斷面冰封期的數據作為依據。因拉哈斷面與嫩江源頭之間僅有訥河縣、嫩江縣2個縣，在這期間，居民居住以平房為主，生活污水、小加工業廢水基本為就近湖泊排放，很少進入嫩江，加上冰封期水體與外界隔絕，基本杜絕了放牧、風沙、地表徑流等因素對水體的影響。因此，這段時期的理化數據作為齊齊哈爾清潔水體數據是可行的。1991—1994年冰封期拉哈斷面高錳酸鹽指數為1.60～2.83 mg/L，生化需氧量為0.58～1.00 mg/L，糞大腸菌群為20～340個/L。

1.2 二級、三級水體選擇

齊齊哈爾市是工業欠發達地區，嫩江上游污染源比較少，根據歷年《環境質量報告書》及《嫩江保護研究》報告數據分析［12-18］，齊齊哈爾江段各水體以有機污染為主，污染級別介于輕污染和中污染之間。因此，選擇2000— 2013年與生物采樣同步的2 298個嫩江、扎龍濕地、勞動湖的理化數據進行統計分析。為便于分析其規律性，將各指標排序，統計各指標在5% ～95%的質量分數，見表1。

表1 齊齊哈爾市主要水體理化指標排序

1.3 四級、五級水體選擇

20 世紀 80 年代，勞動湖水體 2#、3#、4#點位之間有大小排污口19個，5#、6#點位各一個排污口，例行監測的各項理化指標濃度均很高。夏季湖面常漂浮一層厚厚的微囊藻，水底冒出氣泡可見大量黑色淤泥被帶到水面，湖邊常能聞到腥臭味。6—9月表層水采樣期間，2#、3#點位水樣則經常出現溶解氧過低現象，1#、5#、6#點位水樣經常出現溶解氧過飽和現象，4#點位溶解氧過低、過飽和現象均有出現，屬于典型的重富營養化水體。以1986年《勞動湖水體污染綜合調查》報告［19］中6個點位5次采樣數據作為制定重污染和嚴重污染水體的理化指標依據，如表2所示。

表2 1986年勞動湖水質調查

1.4 理化指標分級結果

依據表1、表2，并結合《地表水環境質量標準》，清潔水體的各項指標排序應小于10%，輕污染指標排序應在10% ～50%，中污染指標排序應在50% ～80%，重污染指標排序應在80% ～95%，嚴重污染指標排序應大于95%(表3)。

表3 水體污染理化指標分級

2 指示生物的篩選及應用

生物生存與環境條件有密切的關系，優勢種群是水質污染狀態的具體體現。確定有代表性的各類水體才能知道各種優勢種生物的生存環境，才能使制定的生物評價標準更準確、更科學地反映水體污染狀況。

2.1 篩選原則

普生性生物，如藻類中的小環藻、異極藻、四尾柵藻等不列入指示生物中。根據目前從事生物監測人員的鑒定能力，不易鑒定區別的生物，如一些針桿藻、脆桿藻等不列入指示生物中。

2.2 篩選方法

不同的水環境存在不同的優勢種生物。根據表3確定的理化指標分級，對嫩江齊齊哈爾江段、尼爾基水庫、音河水庫、扎龍濕地、勞動湖、齊齊哈爾氧化塘各水體的19個點位多次采樣的水樣進行污染程度的劃分，在此基礎上篩選出相對應的優勢生物種類作為水體污染程度的指示生物，結果見表4。

表4 齊齊哈爾市各主要水體指示生物

續表4

續表4

2.3 方法應用

水體中出現指示生物最多的級別，確定為水體的污染級別。

當水體中藻類種類較多時，應選擇出現數量較多的4～5個指示生物參與評價。底棲動物種類較少時，指示生物均參與評價。

水絲蚓具有普生性，又是重污染的指示生物，在與敏感指示生物(如蜉蝣、石蠶等)出現在同一水體時，選擇敏感指示生物參與評價。

當指示生物評價結果介于兩個污染級別之間時，依據表3的理化指標分級最后確定污染級別。

根據國內經濟發展狀況、污染治理水平、民眾環保意識，目前水體污染分級標準不易過嚴。制定的理化指標分級表(表3)中的重污染范圍值，高錳酸鹽指數、生化需氧量略低于《地表水環境質量標準》的Ⅴ類水體標準，總氮、總磷高于50%左右。應用這個標準評價齊齊哈爾地區18個例行監測斷面，重污染斷面占53%。為使生物評價快速、簡單、準確地反映水體污染狀況，應關注特殊環境下的水體污染評價指標。如：①水體長期處于高濃度有機污染環境下，水體底層往往處于嚴重缺氧或無氧狀態。如果底泥發黑，有異味，說明底泥中沒有或僅有顫蚓、水絲蚓、黃色羽搖蚊等少量的幾種生物存在，該水體可直接確定為重污染水體;如果底泥發黑油亮，H2S味較大，則表明無任何底棲動物存在，該水體可直接確定為嚴重污染水體。②水體在總氮或總磷濃度很高的環境下會出現裸藻(體積或重量明顯超過其他藻類體積或質量的總和)、顫藻、鞘絲藻、膠鞘藻、微囊藻等生物的大量生長現象，該水體則屬于重污染或嚴重污染，可再通過表3的理化指標分級確定其污染程度。

3 結論

1)目前水環境質量評價是采取單因子評價方法，本文的評價方法則考慮了底棲動物、浮游動物、藻類和理化指標的多因素進行評價，可以客觀、綜合地評價水環境。

2)制定的指示生物評價方法是以理化指標為基礎，通過篩選最適合生長環境的優勢物種作為指示生物，評價結果比生物計分法、生物耐污值法更能反映水體真實情況。同時，也可避免生物多樣性評價、指數評價結果容易出現偏離的問題。

3)將指示生物評價法與典型特征水體評價判斷相結合，可減輕相關專業人員的工作難度和工作強度。

4)加強對特殊環境水體的理化指標、生物多樣性關系的研究，制定簡易、快速判斷水體污染狀況的方法。

5)廣泛開展針對不同地域、不同類型水體的指示生物篩選工作，使指示生物評價方法具有更廣泛的實用性。

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