基于水質及生物多樣性的污染評價方法探討

李瑤 陳敏 吳興華

摘要：利用水質綜合污染指數、生物多樣性指數分析了2020年長江口南支水域春季和秋季的污染情況，并對各分析方法進行評價。結果表明：長江口南支水域的污染等級為輕污染至嚴重污染，從上游至下游污染程度逐漸下降。水質綜合污染指數評價結果為輕污染至嚴重污染，浮游植物多樣性指數評價結果為輕中污染至重污染，浮游動物多樣性指數評價結果為輕度污染至重污染。水質綜合污染指數和浮游動物生物多樣性指數的評價結果變化趨勢大體一致。3種評價方法中浮游動物生物多樣性指數評價結果相對適中，是相對較好的水體污染程度評價指標。

關 鍵 詞：污染評價; 水質綜合污染指數; 生物多樣性指數; 長江口南支水域

中圖法分類號： X82

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.012

0 引 言

長江口是中國第一大河口，既受到上游徑流影響，又受到外海潮波影響[1]。長江口在徐六涇以下由崇明島分隔成南支和北支，南支在吳淞口以下被長興島分隔為南港和北港，南港在九段以下又被九段沙分隔成南槽和北槽，形成三級分汊、四口入海的格局[2]。受徑流和潮流的共同作用，河口區的生態環境狀況往往比較復雜。長江口是陸海相互作用的集中地帶，有著特殊的水文環境，其生物類群的分布和變化規律也有別于其他水體[3]。因此許多學者對長江口的水質和生態環境質量進行了探討。

李保等[4]研究發現長江口徐六涇至南港段總氮濃度2001～2009年呈上升趨勢，2009～2016年呈下降趨勢。余國安等[5]分析了2005年從徐六涇至南槽段9個站位的水質，研究發現吳淞口以上為Ⅳ類水質，吳淞口及其下游水質為Ⅴ類。余衛鴻等[6]研究表明南港斷面近岸水質比遠岸差。

楊位迪等[7]研究發現2014～2016年長江口夏季浮游動物種類分布大致呈現近岸低、遠岸高、南部高于北部的特征。王金輝等[8]研究了1997～2002年長江口及臨近水域的生物多樣性，研究發現海洋生物群落結構趨向簡單，表現為單種優勢，生物多樣性明顯下降;長江沖淡水區浮游植物密度和浮游動物生物量明顯高于長江口門內。鄭金秀等[3]對長江口南北支的浮游動物進行調查，結果發現南支浮游動物的種類、數量及生物多樣性都高于北支。徐兆禮[9]2003年7月和2004年1月對長江口北支水域浮游動物分布變化成因進行分析，研究發現落潮時北岸生物量明顯高于南岸，而漲潮時為南岸高于北岸。

長江口由于受長江沖淡水、臺灣暖流、江浙沿岸流和黑潮的共同影響，不同季節陸源徑流量、水溫、營養鹽等環境因素的分布特征存在差異，導致浮游植物和浮游動物的物種組成、數量、優勢種和生物多樣性等隨之改變，因此水質因子和浮游植物、浮游動物生物多樣性均可作為水環境質量的評價依據[10-13]。目前大部分長江口水環境質量評價相關研究主要為根據單一要素分析水環境現狀，即利用單因子指數法、主成分分析法等采用總磷、總氮和化學需氧量等水質因子[4，14-17]或對浮游植物、浮游動物的群落結構、種類組成、豐度、生物多樣性等[3，8，18-24]從單一的水質或者浮游生物方面進行調查分析，鮮有從多方面對長江口水體污染情況進行綜合評價。本研究根據2020年春季和秋季長江口南支水域調查數據，從水質指標、浮游植物多樣性指數和浮游動物多樣性指數3個方面判斷長江口南支水域的污染狀況，探討評價方法的合理性，為長江口水體污染情況評價和其他環境污染相關研究提供依據。

1 研究區域與分析方法

1.1 研究區域與樣品分析

為了解長江口南支水域污染情況，于2020年4月24日至5月15日（春季）和2020年11月6～12日（秋季）在長江口南支水域布設10個點位進行水質及水生生態調查（見圖1），分別為北港（1號點）、南港（2號點）、北港下游（3號點）、竹園（4號點）、北港入海口（5號點）、南漕（6號點）、橫沙淺灘附近水域（7號點）和近海水域（8～10號點），包括從長江吳淞口到長江口最大渾濁帶的長江口代表性區域。采樣及處理分析均按照GB/T 12763-2007《海洋調查規范》、GB 17378-2007《海洋監測規范》提供的標準方法執行。

各點位監測水質指標包括溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（PO4-P）、石油類、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pd）和鎘（Cd）。水生生態調查包括浮游植物調查和浮游動物調查。浮游植物采集表層（水面下0.5 m）海水1 L，采集后立即加入Lugol’s溶液（復方碘溶液）固定。浮游動物為淺水Ⅰ型網從底層至表層作垂直拖網取樣，采集大型浮游動物樣品，采集后立即加入福爾馬林溶液固定（保證樣品中福爾馬林濃度大于5%）。

分析時將1，3，5，7，9號點位看作長江口南支水域北港側代表點位;2，4，6，8，10號點位看作長江口南支水域南港側代表點位，同時將這兩組點位的調查結果進行對比分析。

1.2 評價方法

1.2.1 水質綜合污染指數評價方法

水質綜合評價包括有機污染物污染指數、石油類污染指數和有毒污染物污染指數3類污染指數[25-26]。計算公式如下：

（1） 有機污染物污染指數。

A有機=αDO+αCOD+αDIN+αPO4-P（1）

（2） 石油類污染指數。

A石油=α石油（2）

（3） 有毒污染物污染指數。

A有毒=14×（αCu+αZn+αPb+αCd）（3）

（4） 水質綜合污染指數。

A水質=A有機+A石油+A有毒（4）

式中：αi為該指標的標準指數，計算公式參照HJ 2.3-2018《環境影響評價技術導則 地表水環境》。

水質綜合污染指數計算采用GB 3097-1997《海水水質標準》中的第一類海水水質標準。水質污染指數等級劃分[25]如表1所列。

1.2.2 生物多樣性指數評價方法

浮游植物和浮游動物的評價采用Shannon-Weiner指數（H′），計算公式如下[27]：

H′=si=1Pilog2Pi（5）

式中：s為該站位的生物種類數，Pi為該站位第i種的個體數與該站總個體數的比值。

生物多樣性指數分級評價標準[28]如表2所列。

2 結果與討論

2.1 水質綜合污染指數評價結果

如圖2所示，長江口南支水域春季北港側有機污染物污染指數范圍為6.13～13.59，平均值為10.40，從上游至下游整體呈下降趨勢。石油類污染指數范圍為0.04～0.09，平均值為0.06，從上游至下游整體呈下降趨勢。有毒污染物污染指數范圍為0.12～0.59，平均值為0.35，從上游至下游整體呈先上升后下降的波動趨勢。水質綜合污染指數范圍為6.38～13.94，平均值為10.82，從上游至下游整體上呈下降趨勢。南港側有機污染物污染指數范圍為8.58～13.24，平均值為10.60，從上游至下游整體呈下降趨勢。石油類污染指數范圍為0.06～0.12，平均值為0.08，從上游至下游整體保持平穩。有毒污染物污染指數范圍為0.15～0.48，平均值為0.29，從上游至下游整體呈上升趨勢，但均未超過海水水質第二類標準。水質綜合污染指數范圍為8.94～13.57，平均值為10.97，從上游至下游呈下降趨勢。

長江口南支水域秋季北港側有機污染物污染指數范圍為3.65～10.20，平均值為7.77，從上游至下游整體呈下降趨勢。石油類污染指數范圍為0.01～0.08，平均值為0.03，從上游至下游呈波動趨勢。有毒污染物污染指數范圍為0.32～0.59，平均值為0.43，從上游至下游整體呈下降趨勢。水質綜合污染指數范圍為4.11～10.73，平均值為8.24，從上游至下游整體上看呈下降趨勢。南港側有機污染物污染指數范圍為6.89～11.67，平均值為9.71，從上游至下游整體呈下降趨勢。石油類污染指數范圍為0.04～0.24，平均值為0.09，除8號點位顯著上升外，從上游至下游整體呈下降趨勢。有毒污染物污染指數范圍為0.32～0.54，平均值為0.43，從上游至下游整體呈先上升后下降趨勢。水質綜合污染指數范圍為7.37～12.27，平均值為10.24，從上游至下游呈下降趨勢。

整體上看，從上游至下游長江口春季和秋季的水質污染指數變化趨勢均為下降趨勢。

根據水質污染指數分級評價標準，各指數等級如表3所列。春季和秋季各點位有機污染物污染指數為重污染和中等污染，石油類污染指數均為良好，有毒污染物污染指數為未污染和輕污染。根據水質綜合污染指數分級評價標準，春季和秋季北港側為嚴重污染、重污染和輕污染，南港側為嚴重污染和重污染。可以看出秋季長江口南支水域大部分點位水體污染情況好于春季。整體來看從上游至下游水質逐漸變好，污染程度逐漸下降。

通過分析水質污染指數評價結果可以看出，水質綜合污染指數結果主要受到有機污染物污染指數的影響，評價結果分為輕污染、重污染和嚴重污染3類。有機污染物污染指數是通過溶解氧、化學需氧量、無機氮和活性磷酸鹽的標準指數計算得到的。通過分析原始數據發現，春季及秋季各點位溶解氧均符合海水水質第一類標準，化學需氧量分別符合第三類標準和第二類標準，而無機氮和活性磷酸鹽均嚴重超標，無機氮絕大部分點位劣于四類標準，活性磷酸鹽大部分點位為四類和劣于四類標準。因此長江口南支水域部分點位評價結果為污染程度較重的等級主要是受有機污染物中無機氮和活性磷酸鹽的影響，與余衛鴻等[6]的研究結果一致，長江口主要污染因子為氮磷。

2.2 多樣性指數評價結果

2.2.1 浮游植物多樣性指數評價結果

如圖3所示，長江口南支水域春季北港側浮游植物多樣性指數范圍為1.33～2.88，平均值為2.11，從上游至下游整體呈下降的趨勢;南港側浮游植物多樣性指數范圍為1.31～2.31，平均值為1.73，從上游至下游整體呈先上升后下降趨勢。秋季北港側浮游植物多樣性指數范圍為0.06～1.78，平均值為0.78，從上游至下游整體呈下降的趨勢;南港側浮游植物多樣性指數范圍為0.11～1.89，平均值為0.72，從上游至下游整體呈先上升后下降的趨勢。整體上春季浮游植物多樣性指數與秋季變化趨勢一致，均為從上游至下游呈現北港側下降、南港側先上升后下降的趨勢。

根據生物多樣性指數分級評價標準（見表4），長江口南支水域春季2，4，5，6，8，9號點位浮游植物物種級別為一般，物種豐富度較低，個體分布比較均勻，水體污染程度為重中污染;1，3，7，10號點位浮游植物物種級別為較豐富，物種豐富度較高，個體分布比較均勻，水體污染程度為輕中污染。長江口南支水域秋季2，3，5～10號點位浮游植物物種貧乏，物種豐富度低，個體分布不均勻，水體污染程度為重污染;1，4號點位浮游植物物種級別為一般，物種豐富度較低，個體分布比較均勻，水體污染程度為重中污染。

通過浮游植物多樣性指數評價結果可以看出，長江口南支水域春季和秋季均為北港側水體污染程度低于南港側，但春秋兩季大部分點位物種豐富度較低、水體污染程度較重。相對春季來說秋季大部分點位浮游植物多樣性指數較低，原因是由于采用的數據為2020年11月份調查數據，浮游植物相對較少，物種相對單一，優勢種過于顯著，導致浮游植物多樣性較低，進而反映出長江口南支水域秋季污染程度較為嚴重。

2.2.2 浮游動物多樣性指數評價結果

如圖4所示，長江口南支水域春季北港側浮游動物多樣性指數范圍為0.12～2.19，平均值為1.09，從上游至下游整體呈上升的趨勢;南港側浮游動物多樣性指數范圍為1.02～3.10，平均值為1.81，從上游至下游整體呈上升的趨勢，8號點位顯著上升。秋季北港側浮游動物多樣性指數范圍為1.26～2.55，平均值為1.90，從上游至下游整體呈上升的趨勢;南港側浮游動物多樣性指數范圍為0.88～3.18，平均值為2.21，從上游至下游整體呈上升的趨勢。整體上春季浮游動物多樣性與秋季變化趨勢一致，均為從上游至下游呈上升的趨勢。大部分點位浮游動物多樣性指數均為秋季高于春季，原因為春季調查優勢種的優勢度過于顯著導致其生物多樣性指數較低。

根據生物多樣性指數分級評價標準（見表5），長江口南支水域春季1，3，9號點位及秋季2號點位浮游動物物種貧乏，物種豐富度低，個體分布不均勻，水體污染程度為重污染;春季2，4，5，6號點位及秋季1，3，9號點位浮游動物的物種級別為一般，物種豐富度較低，個體分布比較均勻，水體污染程度為重中污染;春季7，8號點位及秋季4，5，6，7，10號點位浮游動物物種級別為較豐富，物種豐富度較高，個體分布比較均勻，水體污染程度為輕中污染;春季10號點位及秋季8號點位物種種類豐富，個體分布均勻，水體污染程度為輕度污染至無污染。整體上春季和秋季下游點位的浮游動物生物多樣性高于上游點位，表明長江口遠岸的浮游動物生物多樣性要高于近岸，與楊位迪等[7]和王金輝等[8]的研究結果一致。

2.3 各指數評價結果對比分析

整體上看，水質綜合污染指數和浮游動物生物多樣性指數的評價結果變化趨勢大體一致，均為從上游至下游長江口南支水域污染程度整體呈下降的趨勢。而浮游植物生物多樣性指數波動較大，整體來說長江口南支水域污染程度從上游至下游呈北港側上升、南港側先下降后上升的趨勢。

在評價等級方面，大部分點位的水質綜合污染指數和浮游動物生物多樣性指數的評價結果均為從上游至下游有明顯污染程度降低的趨勢，而浮游植物生物多樣性指數與其他兩種方法評價結果存在差異，各點位污染程度無明顯空間趨勢，且與另兩種評價方法結果相比浮游植物生物多樣性指數的評價結果春秋兩季差異較大。這可能是由于水質綜合污染指數是評價水質的理化狀態，而多樣性指數是通過生物種類組成來進行評價，方法存在一定差異，且由于秋季調查時間為2020年11月，可能對生物多樣性評價結果產生一定的影響。其次水質污染等級劃分和多樣性指數等級劃分標準的制定可能存在一定的偏差，可能導致評價等級不完全對應。同時，采樣獲得的是一個瞬時的水體狀態，僅一次的調查無法準確的判斷多樣性降低是由于優勢種顯著還是由于種類數量減少所導致的[29]。

整體上看水質綜合污染指數評價結果較不理想，浮游植物生物多樣性評價結果波動性較大，而浮游動物生物多樣性評價結果相對來說更適中。浮游植物容易受赤潮影響[30]，而浮游動物種類分布較廣、個體生活史較短、運動能力較弱，對急性毒性能做出快速反應，對環境變化的響應更加敏感，可以反映出環境污染的綜合效應[31]。同時浮游動物在河口生態系統中起著非常重要的調控作用，其變化可直接反映河口生態系統的健康狀況[3]，許多研究也將浮游動物作為全球變化的指示種。綜上，浮游動物生物多樣性指數在三種評價方法中是相對較好的水體污染程度評價指標。

3 結 論

（1） 長江口南支水域的污染等級為輕度污染至嚴重污染，從上游至下游污染程度逐漸下降。長江口南支水域水質綜合污染指數從上游至下游呈現下降趨勢，水質逐漸變好，污染程度逐漸下降;春季7個點位為嚴重污染，1個點位為重污染，2個點位為輕污染;秋季6個點位為嚴重污染，3個點位為重污染，1個點位為輕污染。

（2） 浮游植物多樣性指數從上游至下游呈北港側下降、南港側先上升后下降的趨勢;春季6個點位為重中污染，4個點位為輕中污染;秋季8個點位水體污染程度評價結果為重污染，2個點位為重中污染。

（3） 浮游動物多樣性指數為從上游至下游整體上呈上升的趨勢，生物多樣性增加，污染程度逐漸降低;春季3個點位水體污染程度為重污染，4個點位為重中污染，2個點位為輕中污染，1個點位為輕度污染至無污染;秋季1個點位水體污染程度為重污染，3個點位為重中污染，5個點位為輕中污染，1個點位為輕度污染至無污染。

（4） 水質綜合污染指數和浮游動物生物多樣性指數的評價結果變化趨勢大體一致。與水質綜合污染指數和浮游植物生物多樣性指數相比，浮游動物生物多樣性指數是相對較好的水體污染程度評價指標。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on pollution assessment methods for South Branch of Changjiang River estuary based on water quality and biodiversity

LI Yao1，CHEN Min2，WU Xinghua2

（1.Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China; 2.China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China）

Abstract：

In this paper，we used the water comprehensive pollution index and biodiversity index （Shannon-Weiner index） to analyze the water pollution of the South Branch of the Changjiang River estuary in spring and autumn in 2020，and evaluated the results of each analysis method.The results indicated that the pollution level of the South Branch of the Changjiang River estuary were slight pollution to heavy pollution，and decreased from upstream to downstream.The results of water quality evaluated by water comprehensive pollution index were slight pollution and heavy pollution.The result of water quality evaluated by phytoplankton Shannon-Weiner index were slight-moderate pollution to heavy pollution.The result of water quality evaluated by zooplankton Shannon-Weiner index were slight pollution to heavy pollution.The variation trend of evaluation results of water comprehensive pollution index and zooplankton Shannon-Weiner index were generally consistent.Among these three methods，the evaluation results of the zooplankton Shannon-Weiner index was relatively moderate，which was a relatively good evaluation indicator for the degree of water pollution.

Key words：

pollution assessment;water comprehensive pollution index;biodiversity index;South Branch of the Changjiang River estuary