松花江底棲動(dòng)物分布規(guī)律及與理化評(píng)價(jià)差異研究

李中宇，陳 威，胡顯安，宋 楠，白 雪，劉 允

1.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，黑龍江 哈爾濱 150001 2.佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，黑龍江 佳木斯 154001 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

松花江是黑龍江省和吉林省的母親河，是中國(guó)七大河流之一，是東北老工業(yè)基地生存和發(fā)展的命脈。在高消耗、高投入、高污染、低效率的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，大量工業(yè)廢水、生活污水未經(jīng)處理直接排放，曾給松花江造成了嚴(yán)重的污染危害，特別是有機(jī)污染更為突出[1]。松花江沿線的污染不僅造成了松花江全江水體的污染，其出境水質(zhì)不可避免地對(duì)界河黑龍江水質(zhì)造成一定程度影響[2-3]。2005年松花江水污染事件令國(guó)人關(guān)心、國(guó)際關(guān)注[4]。之后，政府先后出臺(tái)了《松花江流域水污染防治“十一五”規(guī)劃(2006—2010年)》和《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃(2011—2015年)》，將松花江流域水污染防治工作提到更高的戰(zhàn)略位置。環(huán)境監(jiān)測(cè)部門亟需用科學(xué)的數(shù)據(jù)反映水環(huán)境質(zhì)量的變化情況，為松花江水污染治理及環(huán)境管理提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

因?yàn)槟軌蛑苯泳_反映河流水質(zhì)，理化監(jiān)測(cè)指標(biāo)是中國(guó)評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量或水生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)狀況的最常用方法。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，理化指標(biāo)只代表采集水樣那一刻的瞬時(shí)水質(zhì)，并不能直接或全面地反映水質(zhì)與水生生物之間的關(guān)系以及生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，而且一個(gè)斷面的水質(zhì)狀況通常需要數(shù)十項(xiàng)理化指標(biāo)來(lái)反映，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高[5]。水生生物監(jiān)測(cè)可以更加綜合、全面、客觀地反映一段時(shí)期內(nèi)的水環(huán)境狀況。20世紀(jì)50年代起，隨著運(yùn)用生物學(xué)參數(shù)和指標(biāo)構(gòu)建生物指數(shù)，評(píng)估水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[6-7]的深入研究，水生生物監(jiān)測(cè)逐漸成為各國(guó)評(píng)價(jià)河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重要的手段。

本文以“十二五”期間松花江干流為期4年的底棲動(dòng)物群落監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究底棲動(dòng)物群落特征、水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)方法及變化趨勢(shì)，并結(jié)合水質(zhì)理化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，探討了“十二五”期間松花江干流底棲動(dòng)物對(duì)水生態(tài)質(zhì)量的響應(yīng)，對(duì)生物學(xué)與理化評(píng)價(jià)結(jié)果的差異進(jìn)行了對(duì)比。

1 研究區(qū)域概況

松花江流域位于中國(guó)東北地區(qū)的北部，介于東經(jīng)119°52′～132°31′、北緯41°42′～51°38′，流域面積55.68萬(wàn)km2。松花江是國(guó)內(nèi)第三大河流，南源的第二松花江，發(fā)源于長(zhǎng)白山天池；北源的嫩江，發(fā)源于大興安嶺的伊勒呼里山。兩江在三岔河口處匯合后稱松花江。干流全長(zhǎng)939 km，由西南流向東北。其中，三岔河至哈爾濱為上游段，哈爾濱至依蘭為中游段，依蘭至同江為下游段。河寬多為500～600 m，最寬可達(dá)800～1 300 m[8]。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置

結(jié)合松花江干流例行監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—200)[9]、監(jiān)測(cè)單位分布及交通狀況，共設(shè)置11個(gè)斷面(D1～D11)，見(jiàn)圖1。理化監(jiān)測(cè)每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)采樣垂線(左、中、右)。底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)除擺渡斷面只有一個(gè)采樣點(diǎn)位外，其他10個(gè)斷面均分為左、右兩個(gè)采樣點(diǎn)位，共21個(gè)采樣點(diǎn)位。

2012—2015年，理化指標(biāo)每年監(jiān)測(cè)8期(除3、4、11、12月外)，利用各監(jiān)測(cè)單位的例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；2012—2015年,生物指標(biāo)為每年監(jiān)測(cè)2期，分別在6、9月進(jìn)行。

注：底圖源自國(guó)家測(cè)繪地理信息局網(wǎng)站(http://219.238.166.215/mcp/index.asp)下載的1∶900萬(wàn)河流水系版,審圖號(hào)為GS(2008)1306號(hào)，下載日期為2016-10-26。斷面名稱：D1.肇源； D2.朱順屯； D3.阿什河口下； D4.呼蘭河口下； D5.大頂子山；D6.擺渡鎮(zhèn)； D7.牡丹江口下； D8.佳木斯上； D9.佳木斯下； D10.江南屯； D11.同江。圖1 松花江干流斷面設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cross sections in Songhua River

2.2 樣品的采集與處理

2.2.1 定性采樣

手抄網(wǎng)法[10]：在岸邊帶水體較淺且多石塊的區(qū)域，采集人左手握緊手抄網(wǎng)深插到河底，網(wǎng)口迎著水流方向，右手將手抄網(wǎng)前面邊長(zhǎng)50～60 cm區(qū)域上的石塊撿起，在網(wǎng)前用手將附著的底棲動(dòng)物剝離，使其沖入網(wǎng)內(nèi)，然后，用右腳擾動(dòng)手抄網(wǎng)前面的底質(zhì)，底棲動(dòng)物會(huì)因受到擾動(dòng)被沖入網(wǎng)兜，大約擾動(dòng)30 s提起手抄網(wǎng)，去除里面的石塊、草根、樹(shù)葉等雜質(zhì)，將采集的底棲動(dòng)物轉(zhuǎn)移到采集桶內(nèi)。深水(小于1.5 m)采集時(shí)，保持網(wǎng)口與水流方向大致成45°，探到河底，采用“弓”字型向前用力擾動(dòng)底質(zhì)，采集長(zhǎng)度大約5 m，采集完成，提起手抄網(wǎng)，去除雜質(zhì)，轉(zhuǎn)移采集的樣品。每個(gè)點(diǎn)位采集3個(gè)深度，分別為20～40 cm、50～80 cm、大于1 m。每個(gè)深度4～5個(gè)樣方。多個(gè)樣方混合挑撿。

2.2.2 定量采樣

籃式采樣器[11]：是一種圓柱形鐵籠，直徑為18 cm，高為20 cm，用鐵絲編織(8號(hào)、14號(hào))，均勻分布4～6 cm2的小孔，使用時(shí)籠底鋪0.38 mm孔徑的尼龍篩絹，內(nèi)裝拳頭大小的鵝卵石，重量約為6～7 kg。兩個(gè)采樣器之間用5～6 m的尼龍繩連接，在每個(gè)采樣點(diǎn)至少放置2個(gè)采樣器。用浮漂做標(biāo)記或用尼龍細(xì)繩固定在岸邊。

十字筐采樣器[12]：是一種長(zhǎng)方體采樣器，內(nèi)徑長(zhǎng)、寬、高分別為40、40、20 cm，在填裝基質(zhì)前，采樣室的底部放置0.38 mm孔徑的尼龍篩絹，篩絹制作成不封頂?shù)拈L(zhǎng)方體，大小與采樣室相匹配。分別裝底泥、水草、鵝卵石、砂子。水草需選擇在水體中不易腐爛的種類，鵝卵石直徑為7～9 cm，在填裝基質(zhì)時(shí)，不要將鵝卵石表面或其他基質(zhì)中的底棲動(dòng)物帶入。

采樣深度一般為1 m左右，采樣器放置14 d。

2.2.3 底棲動(dòng)物固定及保存

采樣器提出水面后，放置到白磁盤或盆里(以免采到的樣品丟失)運(yùn)到岸邊，將卵石撿入盛有少量水的桶里，其他基質(zhì)分別倒入不同的采樣桶。經(jīng)0.425 mm孔徑的分樣篩篩選，將生物撿出。用30%的酒精固定，帶回實(shí)驗(yàn)室。采集結(jié)束后在實(shí)驗(yàn)室換用70%的酒精，固定液的體積應(yīng)為動(dòng)物體積的10倍以上，常溫保存。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

底棲動(dòng)物標(biāo)本盡量鑒定至屬或種，記錄每個(gè)分類單元出現(xiàn)的個(gè)體數(shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0中完成。

按現(xiàn)階段底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)研究的進(jìn)展程度，在指標(biāo)選擇上，選擇一些適用性廣、容易獲得的指標(biāo)，然后逐步構(gòu)建“一河一策”有針對(duì)性的指標(biāo)體系[13]。本研究的單一指數(shù)評(píng)價(jià)選擇包括Trent指數(shù)、BMWP記分系統(tǒng)、每科平均記分值(ASPT)、生物學(xué)污染指數(shù)法(BPI)、Chandler生物指數(shù)(CBI)、Margalef豐富度指數(shù)、科級(jí)生物指數(shù)(FBI)，按各指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行賦值，最大得分為9分，最小得分為1分，利用簡(jiǎn)單疊加法進(jìn)行底棲動(dòng)物的綜合評(píng)價(jià)[5]。綜合評(píng)價(jià)賦值見(jiàn)表1,其中，54～63為極清潔，40～53為清潔，25～39為輕污染，11～24為中污染，0～10為重污染，沒(méi)有任何生物生存為嚴(yán)重污染。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)賦值Table 1 Evaluation level assignment table

注：“*”表示以9分賦值。

3 結(jié)果與討論

3.1 底棲動(dòng)物群落時(shí)空變化趨勢(shì)分析

監(jiān)測(cè)期間，松花江干流各點(diǎn)位底棲動(dòng)物物種較豐富，為3～34種，其中肇源-牡丹江口下江段各點(diǎn)位物種數(shù)多在15種以下，佳木斯上-同江江段多在15種以上，整體上從上游到下游物種數(shù)明顯增加。肇源-大頂子山江段各點(diǎn)位物種數(shù)在2013年后比較穩(wěn)定，多數(shù)較2012年有所增加，但水生昆蟲(chóng)尤其是襀翅目、蜉蝣目和毛翅目(EPT物種)增加不明顯；佳木斯上-江南屯江段除2014年受洪水影響，其余年份物種豐富，水生昆蟲(chóng)種類多，并且多數(shù)點(diǎn)位在2013年以后采集的物種數(shù)較2012年明顯增加，且增加的物種中水生昆蟲(chóng)尤其是敏感的EPT物種較多，見(jiàn)圖2。

注:擺渡鎮(zhèn)、牡丹江口下2012年未設(shè)采樣斷面；同江左點(diǎn)位受漁民作業(yè)影響，多年采集的效果較差；2014年松花江佳木斯-同江段受洪水影響，采集時(shí)間延后，采集的效果較差。圖2 “十二五”期間松花江干流底棲動(dòng)物物種數(shù)比較Fig.2 Comparison of species number of zoobenthos in Songhua River during the 12th Five-Year Period

優(yōu)勢(shì)種整體年際間變化不大，多數(shù)斷面都有EPT物種作為優(yōu)勢(shì)種，其中肇源-擺渡鎮(zhèn)江段優(yōu)勢(shì)種的耐污值[14]為3～6，牡丹江口下-同江江段優(yōu)勢(shì)種的耐污值為1～6，并且耐污值為1～4的優(yōu)勢(shì)物種出現(xiàn)的頻率較高，見(jiàn)表2。

表2 松花江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of Zoobenthos dominant species in mainstream of Songhua River

3.2 水環(huán)境質(zhì)量生物學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)空變化趨勢(shì)分析

監(jiān)測(cè)期間，肇源-大頂子山江段多保持在輕污染狀態(tài)，2015年肇源左、呼蘭河口下左點(diǎn)位評(píng)價(jià)等級(jí)提升到清潔狀態(tài)；擺渡鎮(zhèn)-同江江段多處于輕污染-清潔狀態(tài)，2015年均達(dá)到清潔狀態(tài)，江南屯右提升到極清潔狀態(tài)。綜合評(píng)價(jià)為清潔等級(jí)以上的點(diǎn)位數(shù)從2012年的2個(gè)增加到2015年的12個(gè)，所占比例從2012年的10%增加到2015年的57%，清潔等級(jí)主要分布在中、下游擺渡鎮(zhèn)-同江江段。總體上,松花江干流監(jiān)測(cè)期間水生態(tài)質(zhì)量明顯改善，其中擺渡鎮(zhèn)-同江江段好于肇源-大頂子山江段，詳見(jiàn)表3。

表3 底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)結(jié)果年際比較Table 3 Comparison of comprehensive evaluation results of zoobenthos in different years

注：“—”表示未采到樣品。

3.3 水環(huán)境質(zhì)量理化評(píng)價(jià)時(shí)空變化趨勢(shì)分析

監(jiān)測(cè)期間，各斷面主要理化指標(biāo)的平均值顯示，溶解氧含量高，始終維持在8 mg/L以上，滿足Ⅰ類水質(zhì)要求；五日生化需氧量多數(shù)斷面在3 mg/L以下，氨氮、總磷、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)均滿足Ⅲ類水質(zhì)要求，高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量濃度變化趨勢(shì)不明顯，氨氮濃度呈下降趨勢(shì)，總磷濃度呈波動(dòng)狀態(tài)；總氮濃度值多年較高，呈波動(dòng)狀態(tài)，見(jiàn)表4、圖3。

表4 松花江干流2012—2015年主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度變化Table 4 Concentration change of main monitoring indicators in Songhua River from 2012 to 2015 mg/L

圖3 松花江干流2012—2015年主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度變化趨勢(shì)Fig.3 Concentration trends of main monitoring indicators in mainstream of Songhua River from 2012 to 2015

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[15]，21項(xiàng)地表水評(píng)價(jià)中按照相關(guān)要求，對(duì)監(jiān)測(cè)期間松花江干流11個(gè)斷面的理化指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與分析。結(jié)果顯示，這11個(gè)斷面整體處于Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)，滿足Ⅲ類水質(zhì)的斷面從2012年的63.6%增加到2015年的90.9%，其中改善較明顯的是牡丹江口下-同江江段，該江段前2年Ⅳ類水質(zhì)出現(xiàn)的斷面較多，后2年均上升為Ⅲ類，見(jiàn)表5。總體上看，水質(zhì)狀況得到了改善，趨勢(shì)與生物學(xué)評(píng)價(jià)的一致。

表5 松花江干流各斷面2012—2015年水質(zhì)類別比較Table 5 Comparison of water quality at each section of Songhua River mainstream from 2012 to 2015

3.4 生物學(xué)評(píng)價(jià)與理化評(píng)價(jià)結(jié)果差異分析

對(duì)2012—2015年理化評(píng)價(jià)與生物學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行逐年比較，見(jiàn)表6。相同的評(píng)價(jià)結(jié)果占比分別為62%、19%、38%、33%，評(píng)價(jià)等級(jí)的相關(guān)性分析進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(Kappa檢驗(yàn))，得到kappa值分別為0.134、-0.287、-0.182、-0.017，2種評(píng)價(jià)結(jié)果之間的一致性非常差，即存在顯著差異。

同是理化評(píng)價(jià)為Ⅲ類水質(zhì)的斷面，生物學(xué)評(píng)價(jià)呈現(xiàn)出極清潔、清潔、輕污染、中污染4種狀況。說(shuō)明生物學(xué)評(píng)價(jià)不僅能夠表達(dá)出已經(jīng)監(jiān)測(cè)的各種理化因子的響應(yīng)，還可能表達(dá)出尚未監(jiān)測(cè)的化學(xué)成分等環(huán)境脅迫的響應(yīng)。

在理化指標(biāo)從Ⅳ類向Ⅲ類改善的過(guò)程中，生物群落的變化悄然發(fā)生，清潔物種的種類、數(shù)量明顯增加，同一年度生物評(píng)價(jià)好于理化評(píng)價(jià)的比例分別為38%、52%、62%、67%，生物評(píng)價(jià)好于或等于理化評(píng)價(jià)的比例分別達(dá)到100%、71%、100%、100%，對(duì)松花江干流進(jìn)行的生物評(píng)價(jià)結(jié)果要好于理化評(píng)價(jià)結(jié)果，表明生物學(xué)評(píng)價(jià)在松花江干流水質(zhì)改善的過(guò)程中更靈敏，反映出的水生態(tài)質(zhì)量改善更顯著。

表6 松花江干流各斷面2012—2015年生物學(xué)評(píng)價(jià)與理化評(píng)價(jià)比較Table 6 Comparison of biological evaluation and physicol chemical evaluation in each section of Songhua River mainstream from 2012 to 2015

4 結(jié)語(yǔ)

“十二五”期間松花江干流底棲動(dòng)物物種較豐富，整體表現(xiàn)為上、中游少和下游多，多數(shù)點(diǎn)位2013年后物種數(shù)有所增加，后3年下游佳木斯江段各點(diǎn)位物種數(shù)大多超過(guò)25種以上，水生昆蟲(chóng)尤其是EPT物種分布較多。水生態(tài)質(zhì)量穩(wěn)中趨好，2015年底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)清潔以上點(diǎn)位12個(gè)，占57.1%，主要分布在中、下游擺渡鎮(zhèn)-同江江段，其中佳木斯的江南屯右點(diǎn)位已經(jīng)躍升到極清潔等級(jí)，水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。與常規(guī)理化監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)相比，兩者之間評(píng)價(jià)等級(jí)存在顯著差異，在水質(zhì)改善的過(guò)程中生物學(xué)評(píng)價(jià)更靈敏、更顯著。

松花江干流底棲動(dòng)物群落監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)明顯反映出生物監(jiān)測(cè)的必要性和可行性，有利于完善我國(guó)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，更好地反映出水生態(tài)狀況，與國(guó)際接軌的同時(shí)也能夠作為生態(tài)文明的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為環(huán)境管理提供技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展生物監(jiān)測(cè)的地區(qū)較少，亟待推廣并在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成具有廣泛認(rèn)同的評(píng)價(jià)方法，完善水環(huán)境評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

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