應用底棲動物為指示生物的松花江干流水生態預警研究

李中宇，金小偉，劉繼鳳, 王業耀

1. 黑龍江省環境監測中心站，哈爾濱 150056 2. 中國環境監測總站，北京 100012 3. 黑龍江省環境科學研究院，哈爾濱 150056

水環境的生態預警屬于漸變式預警[1]，能夠反映出經過長時間的潛伏和演化，經過時空累積效應才體現出來的水環境危機或警情，具有先覺性、預見性，能防患于未然，在環境發生退化質變之前，能及早提出預告、報警，以有效抑制、減緩環境惡化，變逆向演替為正向演替，使生態系統步入良性循環[2]。預警的過程注重對環境影響因子的變化趨勢進行分析、預測，并且需要考慮多種不確定因素影響。預警系統概念提出后的幾十年來，許多專家學者都對其展開了廣泛的研究，20世紀70年代，國外建立了多瑙河流域水污染預警系統和萊茵河流域水污染預警系統。隨著我國環境保護工作的不斷加強，我國的遼河、漢江等流域也都建立起了生態預警控制系統[3]。目前國內外水環境預警系統主要包括以理化監測為基礎的水質污染預警預報系統和以生物毒性監測為基礎的水質安全預警系統[4-5]，以水生生物監測為基礎的水環境生態預警的研究較少。

近年來，世界各國水環境管理政策發生了變化，開始強調生態保護，重視水體的生態質量[6]。2015年國務院印發的《水污染防治行動計劃》明確提出要全力保障水生態環境安全，迫切需要對水生生態風險進行監控和監管。水質生物監測與評價通過對水體中水生生物的調查或對水生生物的直接檢測來評價水體的生物學質量。生物監測不再是理化監測的補充，而是監測的另一層面和角度，有助于水環境管理從“污染防治”為重點到“生態健康”為目標的轉折[7-9]。研究人員利用水環境中某些物種的數量、生物量、結構指標、功能指標和一些生理指標描述生態系統的健康狀態，與傳統的理化監測方法相比較，指示生物監測的優越性：(1)生物可以反應出尚未檢測的污染物帶來的影響，發現污染，及時預報；(2)生物能夠較好地反映出環境污染對生物產生的綜合效應；(3)生物可以反映劑量小、長期作用產生的慢性毒性效應，用理化方法很難檢測；(4)生物可以反映棲息地物理環境的變化[10-11]。

在過去的一百年中提出并建立了許多成功的水質生物評價參數[12]，其中以底棲動物為指示生物的監測和評價研究廣泛應用[13-17]。我國的水質生物評價技術水平與西方發達國家相比有很大差距，特別是在水生態預警研究及水環境管理領域[9]。本文對松花江干流2012—2015年的底棲動物監測數據進行分析研究，結合現階段大型底棲動物綜合評價結果，探索應用大型底棲動物為指示生物的生態預警模式，為松花江干流水生態環境風險管理提供技術支持，對環境風險管理指標的拓展進行積極嘗試。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 研究區域的選擇

圖1 松花江干流斷面設置示意圖注：底圖源自國家測繪地理信息局網站(http://219.238.166.215/mcp/index.asp)下載的1:900萬河流水系版底圖，審圖號為GS(2008)1306號，下載日期為2016-10-26。Fig. 1 Locations of sampling sites in main stream of Songhua RiverNote: ZY, Zhaoyuan; ZST, Zhushuntun Village; ASHD, Downstream of Ashihe River Estuary; HLHD, Downstream of Hulanhe River Estuary; DDZM, Dadingzi Mountain; BDT, Baidu Town; MDJD, Downstream of Mudanjiang River; JMSU, Upstream river of Jiamusi City; JMSD, Downstream river of Jiamusi City; JNT, Jiangnantun Village; TJ, Tongjiang City.

松花江流域位于中國東北地區的北部，東經119°52'～132°31'，北緯41°42'～51°38'之間，流域面積55.68萬 km2。松花江是我國第三大河流，是黑龍江省的母親河。松花江干流從三岔河匯合后至同江鎮河口，全長939 km，由西南流向東北，流經黑龍江省的哈爾濱、佳木斯、依蘭等市縣，于同江市東北約7 km處由右岸注入黑龍江，河寬多500～600 m，最寬可達800～1 300 m[18]。本研究在松花江干流黑龍江省轄區內設置11個斷面，多數斷面設左、右2個點位，共采集21個點位，見圖1。

1.2 樣品的采集和分析

松花江干流河寬水急，岸邊帶的河底多為夾雜石塊的硬質，大型底棲動物樣品定性采樣多采用D(手抄)網法[19]、翻揀法[20]；定量采樣采用籃式采樣器[21]，每個點位安放2個，孵育時間為2周，2012—2015年間每年6月初和9月初各采集一次。樣品采用75%的酒精固定保存。底棲動物的固定和保存、物種鑒定和定量分析參考相關文獻資料、圖譜。樣品鑒定分析按“科”級分類單元進行，即降低鑒定的難度，保證準確性，又可滿足環境保護領域確定耐污值[22-23]對鑒定級別的要求，簡便易行，利于掌握和推廣。

數據來自肇源環境監測站、哈爾濱市環境監測中心站、佳木斯市環境保護監測站、三江環境監測站2012—2015年對松花江干流11個斷面21個點位的底棲動物監測。

1.3 預警指示生物的確認

從生態學的角度，中長期生態預警指標更適合在種群以上水平篩選，需要提供水生生物群落演替的信息。在正常穩定的環境中，生物的種類比較多，個體數量適當，但當水環境受到污染或棲息環境發生惡變后，敏感指示生物種類的數量會逐漸減少甚至消失，與未干擾狀態相比顯示出種類組成與數量的明顯差異[17, 24]。

對2012—2015年松花江干流11個斷面21個點位的底棲動物監測數據按“科”進行統計分析。按照調查、統計物種、常見物種確認和指示物種篩選的步驟進行研究。以4年間3年內有采集記錄的定為常見種，在常見種中選擇生態位較窄，對污染敏感性高和中等(耐污值低，小于6)的物種作為某個斷面的生態質量預警候選物種。

表1 評價等級賦值表Table 1 Evaluation rating and score for aquatic biological index

注：*以9分賦值。

Note：*full score is 9.

1.4 水生態預警閾值的確定

各斷面生態質量現狀采用底棲動物綜合評價法完成。通過Trent指數(Trent Biotic Index)、BMWP記分系統(Biological Monitoring Working Party Scoring System)、每科平均記分值(Average Score per Taxon，ASPT)、生物學污染指數法(Biology Pollution Index，BPI)、Chandler生物指數(CBI)、Margalef豐富度指數和科級生物指數(Family Biotic Index，FBI)7種單一指數，按各指數評價等級進行賦值，通過簡單疊加法進行綜合評價[25]，綜合評價賦值見表1。其中54～63為極好、40～53為優良、25～39為中等、11～24為差、0～10為極差。

以國際公認的清潔水體底棲動物指示生物即EPT物種及其耐污值，確定各斷面的生態預警的指示物種[22, 26]。預警級別按照警情的緊急程度、發展勢態和可能造成的危害程度由輕到重分3級，即黃、橙、紅色預警等級，指示生物預警以物種連續消失2年為警報(閾值)，其中黃色預警表示水環境受到一般污染或水生態退化；橙色預警表示水環境受到中度污染或水生態退化；紅色預警表示水環境受到嚴重污染或水生態退化，判斷標準見表2。

圖2 松花江干流底棲動物綜合評價結果圖Fig. 2 Biotic indexes for water quality bioassessment in main stream of Songhua River from 2012 to 2015

表2 指示生物預警等級Table 2 Classification criteria of early warning for water ecosystem

表3 松花江干流各斷面常見物種及預警指示物種表Table 3 Common species and biological indicator in main stream of Songhua River

注： “*”的物種為指示物種，“++”表示常見的優勢種類，“+”表示常見種類。ZY(L), 肇源左; ZY(R), 肇源右; ZST(L), 朱順屯左; ZST(R)， 朱順屯右; ASH(L), 阿什河口下左; ASH(R), 阿什河口下右; HLH(L), 呼蘭河口下左; HLH(R), 呼蘭河口下右; DDZM(L), 大頂子山左; DDZM(R), 大頂子山右; BDT, 擺渡鎮; MDJ(L), 牡丹江口下左; MDJ(R), 牡丹江口下右; JMSU(L), 佳木斯上左; JMSU(R), 佳木斯上右; JMSD(L), 佳木斯下左; JMSD(R), 佳木斯下右; JNT(L), 江南屯左; JNT(R), 江南屯右; TJ(L), 同江左; TJ(R), 同江右。

Note： “*” means indicator species, “++”means dominant species, “+”means common species. ZY(L), Zhaoyuan (Left); ZY(R), Zhaoyuan (Right); ZST(L), Zhushuntun Village (Left); ZST(R), Zhunshuntun Village (Right); ASH(L), Downstream of Ashihe River Estuary (Left); ASH(R), Downstream of Ashihe River Estuary (Right); HLH(L), Downstream of Hulanhe River Estuary (Left); HLH(R), Downstream of Hulanhe River Estuary (Right); DDZM(L), Dadingzi Mountain (Left); DDZM(R), Dadingzi Moutain (Right); BDT, Baidu Town; MDJ(L), Downstream of Mudanjiang River Estuary (Left); MDJ(R), Downstream of Mudanjiang River Estuary (Right); JMSU(L), Upstream of Jiamusi City (Left); JMSU(R), Upstream of Jiamusi City (Right); JMSD(L), Downstream of Jiamusi City (Left); JMSD(R), Downstream of Jiamusi City (Right); JNT(L), Jiangnantun Village (Left); JNT(R), Jiangnantun Village (Right); TJ(L), Tongjiang City (Left); TJ(R), Tongjiang City (Right).

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 預警指示生物的篩選結果

在松花江干流共發現57個科，常見種類共有23個科，從這23個科的物種里，共篩選出15個科作為預警指示生物，見表3。

2.2 預警閾值和風險級別

本研究利用底棲動物綜合評價方法對松花江干流的水生態質量進行評價，結果顯示肇源—大頂子山江段處于差～優良之間，多為中等狀態；擺渡鎮—同江江段處于中等～極好之間，多處于優良狀態(圖2)。以這種評價結果作為水生態質量的現狀，研究預警的閾值和風險的等級。

針對松花江干流的水生態質量特點及各斷面現狀，預警的指示物種按斷面統計，結合耐污值和國際公認的EPT物種(敏感物種)確認，各斷面確定的物種有所不同。預警級別按照三級預警警報，即黃、橙、紅3級，見表4。

作為中長期的生態預警，指示生物預警以物種連續消失2年為警報(閾值)，表明水體受到污染或水生態退化的程度，按照不同情況，及時上報預警信息，便于管理部門采取相應的措施。

2.3 分析與討論

近年來，為提高水環境安全控制水平，減少水環境安全事故發生，我國加強了水環境安全預警體系的建設。但目前這些系統主要是依靠常規化學分析技術進行水質檢驗和分析。化學分析易標準化，能夠準確檢出目標污染物的含量，比較直接精確地反映河道水質, 但其費時費力, 成本較高, 較難實現在線連續監測[17]。利用生物監測技術建立水環境安全預警系統是目前國內外環境科學的一個研究熱點。水生生物長期生長在水體環境中, 利用水生生物建立的信息發生系統可以在自然環境下進行長期、實時的測量，且測試成本低, 操作簡單。以大型底棲動物為主的水生生物監測逐漸成為國際上評價河流生態環境質量不可或缺的方法, 通過測定生物學參數和指標, 并構建這些指標與生物所在的水環境之間的定量關系(生物指數)，來評估水生態系統健康狀況[16, 27]。水生生物參數是更加綜合性的參數，一次監測可代表更長期(數月或數年)的河道環境狀況。大型底棲動物相當于全天候的水環境 “在線監測器”, 能真實反映河道的長期水質和生態系統狀況[17]。

然而應用指示生物的水生態預警其準確性至關重要，影響的因素大致可以歸納為以下幾種：(1)采集時間：松花江底棲動物的采集時間一般要安排在6月初和9月初左右，年際間采集時間要相對固定，確保可比性。松花江每年有近半年的冰封期，明水期生物的生活史變化快(水生昆蟲羽化等)，不同時間采集會直接影響采集的效果。(2)采集樣點：采集斷面、點位一經確定不可隨意更改，不同的棲息環境(包括底質、流速、水深等)對采集效果有影響。(3)采集方法：不同的采集方法，采到的物種有所不同，所以采集方法需統一，多年一貫制，可以增加、補充新方法，但不可擅自減少。(4)采集人員的專業性、經驗和責任心：生物監測的專業性較強，采集經驗需要不斷積累，加之采樣過程比較繁雜，勞動量大，要求采集人員具有責任心，隊伍要保持相對的穩定，有利于專業技能的提高，保證預警的準確性。(5)鑒定的準確性：底棲動物物種鑒定是一項專業性強的工作，鑒定的準確性直接影響預警的準確性。根據環保領域的實際需求，生態預警鑒定到“科級”分類單位，有經驗的人員在野外采集時可以直接判斷，有利于現場決策，調整采集方案。比較容易掌握和推廣，基本可以保證準確性。(6)指示物種的消失要經過慎重的確認：生物的分布會受到各種自然因素的影響，當年采集不到黃色預警的物種，既需要擴大采集范圍，增加采集樣方的數量，開展相應的調查，明確指示物種消失的事實。

應用指示生物的水生態預警系統還需從以下方面做進一步的研究：(1) 建立特定區域、流域水生態本底數據庫，包括生態良好區域、水生態質量改善但尚不穩定區域、污染物排放量較大水質尚可的新建的開發區或工業區，做好本底調查和監測，為水生態預警奠定基礎。(2) 在突發污染事件后期評估中，增加水生生物尤其是底棲動物的監測，探索底棲動物與已知污染物之間的關系，為科學預警提供佐證。(3) 建立生態監測與理化監測相結合的綜合環境評價體系。通過優勢互補，使生態監測方法、評價預警指標，能夠比較直接地反映環境污染程度和毒物的積累效應以及對生態環境的潛在影響，能夠真實、綜合和全面地評價水生態狀況，構建生態安全監測支撐平臺。(4) 開發針對水生生態系統監測及預警技術及信息系統。利用互聯網+、物聯網、大數據、地理信息系統等技術，通過采集、匯總、整理歷年來全國各流域的水生態監測、科研數據等方面的海量數據，建立生態監測預警數據庫和水生態遠程鑒定系統，實現資源、信息共享。

表4 松花江干流指示生物預警物種級別表Table 4 Early warning species for water ecosystem in main stream of Songhua River

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