李中宇，胡顯安，劉錄三

1.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站,黑龍江 哈爾濱 150056

2.佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,黑龍江 佳木斯 154002

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

大型底棲動物是水質(zhì)生物評價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的一類生物，美國、歐盟、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都非常重視利用大型無脊椎動物進(jìn)行水質(zhì)生物評價(jià)[1-8]，美國環(huán)保局在2000年制定的5個(gè)水質(zhì)生物快速評價(jià)條例中，前3個(gè)均與大型底棲動物有關(guān)，后2個(gè)則是關(guān)于魚類的。大型底棲動物對外界脅迫的響應(yīng)比較敏感，其在河流中的豐富度、群落組成結(jié)構(gòu)、耐污類群和敏感類群的比例以及不同功能攝食類群的結(jié)構(gòu)特征等都可以從不同側(cè)面反映水質(zhì)的好壞，從而可以有效地指示水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。近年來，國內(nèi)研究者們也越來越多地使用大型底棲動物來進(jìn)行水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)[9-14]。

松花江是東北人民的母親河，其水質(zhì)狀況因特殊的地理位置而備受關(guān)注[15-16]，“十一五”期間松花江流域落實(shí)休養(yǎng)生息政策，加大了環(huán)境治理力度。該研究旨在以2005—2010年在松花江下游佳木斯江段開展的底棲生態(tài)調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，分析大型底棲動物群落在松花江干流的空間差異以及演化趨勢，并通過大型底棲動物指數(shù)對水質(zhì)進(jìn)行了生物學(xué)評價(jià)，探討大型底棲動物對松花江水質(zhì)狀況的反映程度，評估松花江流域水污染防治規(guī)劃實(shí)施效果，科學(xué)驗(yàn)證“讓松花江休養(yǎng)生息”政策措施的績效。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品的采集與處理

為了解松花江匯入黑龍江前的總體生態(tài)環(huán)境狀況，在松花江佳木斯江段干流分別進(jìn)行大型底棲動物野外樣品采集。如圖1所示，共設(shè)置3個(gè)采樣斷面，6個(gè)采樣點(diǎn)位，分別是佳木斯上斷面的左、右，佳木斯下斷面的左、右，江南屯斷面的左、右。佳木斯上斷面(入境斷面)位于郊區(qū)大來鎮(zhèn)境內(nèi)，距湯旺河口上游500 m左右位置，距離市區(qū)江上距離約為53 km；佳木斯下斷面(控制斷面)位于樺川縣城上游，距離市區(qū)江上距離約為37 km；江南屯斷面(出境斷面)位于江川農(nóng)場界內(nèi)，距離市區(qū)江上距離約為61 km。選擇水深1.0～1.5 m處設(shè)置采樣點(diǎn)。

注：底圖源自國家測繪局地理信息局下載，網(wǎng)址為http://www.sbsm.gov.cn/公共服務(wù)/地圖服務(wù)/地圖下載頁面/河流水系版/400萬河流水質(zhì)版,審圖號為GS(2008)1304號。

采樣方法根據(jù)原國家環(huán)?？偩株P(guān)于《水環(huán)境(生物部分)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求并結(jié)合松花江的實(shí)際水文狀況，使用人工基質(zhì)采樣器，即掛籠法[18]。鐵籠為圓柱形，直徑18 cm，高20 cm，籠底鋪1層0.38 mm孔徑尼龍篩絹，籠內(nèi)放滿約5 cm×7 cm的鵝卵石，每個(gè)采樣點(diǎn)放置2個(gè)鐵籠，在河底放置時(shí)間為14 d。樣品取出用孔徑為0.38 mm的分樣篩去除泥砂，之后撿出篩上的大型底棲動物，現(xiàn)場用30％酒精固定，回實(shí)驗(yàn)室后換用70％酒精保存，并進(jìn)行大型底棲動物鏡檢、分類鑒定。

1.2數(shù)據(jù)處理與分析

對固定的大型底棲動物進(jìn)行分類鑒定后，把每個(gè)采樣點(diǎn)所采集到的大型底棲動物按不同種類準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)個(gè)體數(shù)，并計(jì)算每一種類的密度(個(gè)/籠)。通過分析大型底棲動物群落組成和結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)合調(diào)查區(qū)域內(nèi)大型底棲動物的種類組成特點(diǎn)，采用生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)[19]、Chandler生物指數(shù)(CBI)[20]以及多樣性指數(shù)來分析大型底棲動物對水質(zhì)狀況的指示作用。

1.2.1生物學(xué)污染指數(shù)

鑒于各種大型底棲動物對環(huán)境污染的耐受性不同，敏感種類將隨著污染加重而快速減少以至消失，而耐受性物種在一定污染程度內(nèi)仍能存活，甚至數(shù)量會出現(xiàn)大幅度上升。根據(jù)2類物種隨污染變化而出現(xiàn)的不同反映，通過對搖蚊幼蟲、寡毛類等耐污種與多毛類、甲殼類等敏感種的多度進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算BPI以評價(jià)水質(zhì)污染程度。

BPI=lg(N1+2)/[lg(N2+2)+lg(N3+2)]

(1)

式中：N1為寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個(gè)體數(shù)，個(gè)/籠；N2為多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外的其他水生昆蟲的個(gè)體數(shù)，個(gè)/籠；N3為軟體類個(gè)體數(shù)，個(gè)/籠。BPI< 0.1表示清潔，0.1≤BPI<0.5表示輕污染,0.5≤BPI<1.5表示α-中污染,1.5≤BPI<5表示β-中污染,BPI> 5表示重污染,無生物存在為嚴(yán)重污染。

1.2.2Chandler 生物指數(shù)

CBI依據(jù)大型底棲無脊椎動物類群對水體污染的敏感性及各類群出現(xiàn)的多度分別給予記分[21]，按得分對污染狀況進(jìn)行評價(jià)：CBI≤45表示重污染，45300表示輕污染或未污染。

1.2.3多樣性指數(shù)

Margalef 豐富度指數(shù)[22]：

d=(S-1)/lnN

(2)

式中，d為豐富度指數(shù)，N為底棲動物總個(gè)體數(shù)，S為底棲動物總種類數(shù)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：d>3，表示輕或無污染；1≤d≤3，表示中污染；d<1，表示重污染。

Shannon-Wienner多樣性指數(shù)[23]：

(3)

式中H′為多樣性指數(shù)，Ni為i種底棲動物個(gè)體數(shù)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：H′>3.5表示清潔，2.5

2　結(jié)果與討論

2.1大型底棲動物種類組成

調(diào)查期間在采樣區(qū)域共觀察到大型底棲動物51種，其中水生昆蟲33種，占總數(shù)的64.7％；軟體動物9種，占17.6％；甲殼動物3種，占5.9％，環(huán)節(jié)動物6種，占11.8％，觀察到的種類數(shù)情況具體見表1。

表1　采樣斷面大型底棲動物監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

各斷面均以水生昆蟲的種類數(shù)最多，其次為軟體動物，該2類物種在各斷面的年度監(jiān)測中均能被觀測到，且出現(xiàn)頻率較高；而環(huán)節(jié)動物與甲殼動物的種類數(shù)較少，且出現(xiàn)頻率較低。在佳木斯上斷面的監(jiān)測中，僅在2006、2007年采集到環(huán)節(jié)動物，甲殼動物也只在2006、2008年被觀測到，如圖2所示。在佳木斯下斷面的監(jiān)測中，僅在2009年觀測到甲殼動物，在2006年的監(jiān)測中未發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)動物，如圖3所示。在江南屯斷面的監(jiān)測中，環(huán)節(jié)動物在2007、2008、2010年均被監(jiān)測到，甲殼動物在2009、2010年被觀測到，如圖4所示。

圖2　佳木斯上斷面的群落結(jié)構(gòu)圖

圖3　佳木斯下斷面的群落結(jié)構(gòu)圖

圖4　江南屯斷面的群落結(jié)構(gòu)圖

自2007年以后生物種類有所增加，增加的種類多為水生昆蟲，其中多為指示輕污染的種類，尤其是指示輕污染的翅目幼蟲(如石蠅)在整個(gè)江段均有發(fā)現(xiàn)(2006年前從未發(fā)現(xiàn)過)，因其對生存環(huán)境要求較高，所以該幼蟲的出現(xiàn)表明水質(zhì)發(fā)生了明顯的改善。大型底棲動物的部分種類組成及分布見表2。

表2　采樣斷面部分大型底棲動物的種類組成及分布

2005—2010年監(jiān)測的生物密度年均值為11～513個(gè)/籠，單次采樣最多856個(gè)/籠，發(fā)生在2007年的江南屯斷面右，各年度各斷面生物密度年平均值見表1。生物密度的增加除了表現(xiàn)在優(yōu)勢種增加外，還主要表現(xiàn)在水生昆蟲密度的增加，次優(yōu)勢種多為水生昆蟲，表明水體現(xiàn)狀已經(jīng)適應(yīng)對水質(zhì)要求較高的種類生存。

如表1、表2所示，2005—2006年各斷面的優(yōu)勢種多為指示中污染的搖蚊或軟體動物，而自2007年起，優(yōu)勢種多轉(zhuǎn)變?yōu)橹甘据p-中污染的種類，如紋石蠶、多距石蛾科的幼蟲，且占總數(shù)的比例較高，最高可分別達(dá)到78.6％和86.4％，指示輕污染的扁蜉和小蜉等蜉蝣目稚蟲在2007—2010年也都作為優(yōu)勢種多次出現(xiàn)。各斷面次優(yōu)勢種多為指示輕污染的種類，包括各種蜉蝣目稚蟲?？梢姡?007—2010年松花江佳木斯江段的水質(zhì)逐漸從中污染向輕污染(或未污染)轉(zhuǎn)變，水質(zhì)得到明顯改善。

2.2水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)

結(jié)合松花江的實(shí)際情況，根據(jù)已有的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用BPI、CBI以及生物多樣性指數(shù)分析2005—2010年大型底棲動物對調(diào)查區(qū)域水質(zhì)狀況的指示作用。由表3可知：2005—2010年的BPI僅有一項(xiàng)對水質(zhì)的評價(jià)為中污染，其余均評價(jià)為輕污染狀態(tài)，對于輕污染的評價(jià)范圍較大，大型底棲動物優(yōu)勢種、生物多樣性等群落結(jié)構(gòu)的變化不能得到很好體現(xiàn)，對水質(zhì)的年間變化指示作用相對較弱，與其他3種評價(jià)結(jié)果差異較大；CBI、d和H′對各監(jiān)測斷面的評價(jià)結(jié)果差異較小，部分d和H′的評價(jià)結(jié)果優(yōu)于CBI，這可能是由于多樣性指數(shù)僅考慮了物種群落結(jié)構(gòu)和種類組成，沒有兼顧底棲動物自身的耐污水平，可能使得部分評價(jià)結(jié)果優(yōu)于實(shí)際水質(zhì)狀況。然而，從整體上來看，3種方法的評價(jià)結(jié)果在各監(jiān)測斷面的水質(zhì)年間變化趨勢上基本保持一致，能夠充分體現(xiàn)大型底棲動物的優(yōu)勢種、生物多樣性等群落結(jié)構(gòu)的變化，較靈敏地反映出年間水環(huán)境質(zhì)量的變化情況。

表3　調(diào)查區(qū)域水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)結(jié)果

2005—2006年各監(jiān)測點(diǎn)基本處于中污染狀態(tài)，2007—2010年各監(jiān)測點(diǎn)中已有近1/3的評價(jià)結(jié)果屬于輕或輕-中污染水平，部分被評價(jià)為中污染的監(jiān)測點(diǎn)的最終CBI也接近于輕污染水平的指數(shù)值(300)。其中，佳木斯上斷面在2007—2008年的生物評價(jià)指數(shù)值明顯上升，但水環(huán)境質(zhì)量不穩(wěn)定，2009年該斷面的生物評價(jià)指數(shù)值有所下降，2010年又有明顯上升，雖有波動，但總體上水質(zhì)處于不斷改善狀態(tài)，說明上游來水水質(zhì)經(jīng)過多年的治理已初見成效。作為佳木斯市出境的江南屯斷面，2005—2010年的評價(jià)指數(shù)值雖然也曾出現(xiàn)一定的波動，但整體呈現(xiàn)上升的趨勢，表明該斷面水質(zhì)正逐漸得到改善。可見，整個(gè)佳木斯江段在2007—2010年較2005—2006年的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)整體上升趨勢，水質(zhì)狀況正逐漸得到改善。

2.3水質(zhì)理化指標(biāo)與生物學(xué)評價(jià)的相關(guān)性分析

參考3個(gè)斷面8項(xiàng)與生物生存有關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，年均值見表4。各采樣斷面的pH均大于7，呈現(xiàn)一定的弱堿性，2010年各斷面的pH較往年有所下降；溶解氧含量2005—2007年達(dá)到地表水II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2008年接近和達(dá)到I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2009、2010年全江段達(dá)到I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這在物種的分布上也得到了充分體現(xiàn)，對氧含量要求極高的翅目幼蟲近年來在整個(gè)江段均有出現(xiàn)，而2006年前的歷次監(jiān)測中不曾有過，說明水質(zhì)已經(jīng)能夠滿足敏感生物的生存；高錳酸鹽指數(shù)在2005、2006年均維持在IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2007—2010年已有42％的數(shù)據(jù)滿足III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；佳木斯上斷面的生化需氧量年間波動較小且逐年降低，有從III類水向II類水轉(zhuǎn)變的趨勢，而佳木斯下斷面和江南屯斷面的生化需氧量調(diào)查期間變化較大，2008—2010年該指標(biāo)明顯下降，已從滿足這種III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)升至滿足I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；氨氮及總磷含量除2009年出現(xiàn)較大波動外，各監(jiān)測斷面的含量多呈現(xiàn)逐年遞減趨勢，氨氮有從III類水向II類水轉(zhuǎn)變的趨勢；化學(xué)需氧量各斷面的年際間差異較小，維持在IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；各斷面的總氮含量超標(biāo)嚴(yán)重，年間波動范圍不大，但均達(dá)到V類甚至劣V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表4　調(diào)查斷面水質(zhì)指標(biāo)年均值

結(jié)合3個(gè)斷面的水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)結(jié)果可以看出，氨氮含量、總磷含量與水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)結(jié)果存在較為一致的波動方式。另外，生物學(xué)評價(jià)指數(shù)與理化指標(biāo)間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，在8項(xiàng)水質(zhì)理化指標(biāo)中，只有氨氮、總磷與生物評價(jià)指數(shù)間存在顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于或等于0.70(P<0.01)。由此可見，佳木斯江段的水生生態(tài)質(zhì)量改善與溶解氧、氨氮以及總磷等指標(biāo)的不斷改善有著直接的關(guān)系。

2.4大型底棲動物群落特征及水質(zhì)響應(yīng)分析

采樣結(jié)果表明，水質(zhì)狀況與大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢種類、種類數(shù)和棲息密度有密切關(guān)系。多年來，松花江佳木斯江段大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，但群落組成有所變化，優(yōu)勢種也由中污染的指示種向輕污染的指示種轉(zhuǎn)變，敏感的翅目稚蟲在整個(gè)江段的出現(xiàn)，傳遞出以溶解氧為代表的重要水質(zhì)指標(biāo)好轉(zhuǎn)；群落特征的變化與水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)結(jié)果相符，充分反映了水質(zhì)狀況的變化趨勢，說明大型底棲動物群落特征與水質(zhì)狀況存在一定的響應(yīng)關(guān)系。

3　結(jié)論

調(diào)查期間在采樣區(qū)域共觀察到大型底棲動物51個(gè)種，其中水生昆蟲33種，占總數(shù)的64.7％；軟體動物9種，占17.6％；甲殼動物3種，占5.9％，環(huán)節(jié)動物6種，占11.8％。水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)顯示，2007—2010年，佳木斯江段水質(zhì)雖呈波動狀態(tài)，但整體呈不斷改善趨勢。

松花江佳木斯江段調(diào)查期間，氨氮、總磷濃度與水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)結(jié)果存在顯著的相關(guān)性，佳木斯江段的水生生態(tài)質(zhì)量改善與溶解氧、氨氮以及總磷等指標(biāo)的不斷改善直接相關(guān)。

不同種類的大型底棲動物對水體中污染的耐受能力各不相同，今后應(yīng)根據(jù)松花江的實(shí)際情況，通過開展系統(tǒng)的生態(tài)調(diào)查與數(shù)據(jù)分析，篩選更為合適的指示生物、評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建符合客觀實(shí)際的評價(jià)方法與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對松花江的水質(zhì)進(jìn)行綜合生物評價(jià)，從而更準(zhǔn)確地反映水環(huán)境狀況。目前，沿江的大型底棲動物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)還不夠完善，站點(diǎn)設(shè)置過于稀疏；大型底棲動物的采樣頻次也有待提高，以便準(zhǔn)確反映水體環(huán)境的時(shí)空變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]Growns J E, Chessman B C, Jackson J E, et al. Rapid assessment of Australian rivers using macroinvertebrates: cost and efficiency of 6 methods of sample processing[J]. J N Am Benthol Soc, 1997, 16(3): 682-693.

[2]Clarke R T, Wright J F, Furse M T. RIVPACS models for predicting the expected macroinvertebrate fauna and assessing the ecological quality of rivers[J]. Ecol Modell, 2003, 160(3): 219-233.

[3]Hering D, Buffagni A, Moog O, et al. The development of a system to assess the ecological quality of streams based on macroinvertebrates-design of the sampling programme within the AQEM project[J]. Internat Rev Hydrobiol, 2003, 88(3): 345-361.

[4]Klemm D J, Blocksom K A, Fulk F A, et al. Development and evaluation of a macroinvertebrate biotic integrity index (MBII) for regionally assessing mid-Atlantic highlands streams[J]. Environ Management, 2003, 31(5): 656-669.

[5]Gerhardt A, Bisthoven L J, Soares A M V M. Macroinvertebrate response to acid mine drainage: community metrics and on-line behavioural toxicity bioassay[J]. Environ Pollut, 2004,130(2): 263-274.

[6]Oberholster P J, Botha A M, Cloete T E. Using a battery of bioassays, benthic phytoplankton and the AUSRIVAS method to monitor long-term coal tar contaminated sediment in the Cache la Poudre River, Colorado[J]. Water Res, 2005, 39(20): 4 913-4 924.

[7]Maloney K O, Feminella J W. Evaluation of single- and multi-metric benthic macroinvertebrate indicators of catchment disturbance over time at the Fort Benning Military Installation, Georgia, USA[J]. Ecol Indicators, 2006, 6(3): 469-484.

[8]Hargett E G, ZumBerge J R, Hawkins C P, et al. Development of a RIVPACS-type predictive model for bioassessment of wadeable streams in Wyoming[J]. Ecol Indicators, 2007, 7(4): 807-826.

[9]戴友芝, 唐受印, 張建波. 洞庭湖大型底棲動物種類分布及水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 20(2): 277-282.

[10]王備新, 楊蓮芳. 大型底棲無脊椎動物水質(zhì)快速生物評價(jià)的研究進(jìn)展[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 24 (4): 107-111.

[11]黃恢柏, 王建國, 唐振華, 等. 兩種指數(shù)對廬山水體環(huán)境質(zhì)量狀況的評價(jià)[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2002, 22(5): 416-420.

[12]王建國, 黃恢柏, 楊明旭, 等. 廬山地區(qū)底棲大型無脊椎動物耐污值與水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2003, 9(3): 279-284.

[13]楊榮金, 舒儉民, 孟偉, 等. 空難對濕地底棲大型無脊椎動物的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2006, 19(2): 104-107.

[14]張敏, 邵美玲, 蔡慶華, 等. 丹江口水庫大型大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其水質(zhì)生物學(xué)評價(jià)[J]. 湖泊科學(xué), 2010, 22(2): 281-290.

[15]陸光華, 王超, 包國章. 江中有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)與生物降解性定量關(guān)系研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2003, 31(2): 200-202.

[16]李平. 松花江水環(huán)境問題剖析與污染防治對策研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2005, 30(3): 5-8.

[17]李再培, 程英, 呂琳. 松花江(哈爾濱段)底棲無脊椎動物群落構(gòu)成與水質(zhì)狀況的研究[J]. 黑龍江環(huán)境通報(bào), 2000, 24(2): 114-116.

[18]郝衛(wèi)民, 王士達(dá), 王德銘. 洪湖大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其對水質(zhì)的初步評價(jià)[J]. 水生生物學(xué)報(bào), 1995, 19(2): 124-134.

[19]尤平, 任輝. 大型底棲動物及其在水質(zhì)評價(jià)和監(jiān)測上的應(yīng)用[J]. 淮北煤師院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2001, 22(4): 44-48.

[20]Chandler J R. Applying a new score system of zoobenthos for assessing water quality[J]. Water Pollut Control, 1970, 69: 415-421.

[21]房英春, 田春, 肖友紅. 蘇子河浮游藻類多樣性與水質(zhì)的生物評價(jià)[J]. 水利漁業(yè), 2007, 27(1): 57-58.

[22]許木啟. 從浮游動物群落結(jié)構(gòu)與功能的變化看府河-白洋淀水體的自凈效果[J]. 水生生物學(xué)報(bào), 1996, 20(3) : 212-219.