汪　星,劉錄三,李　黎

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室，北京 100012

生物監(jiān)測，即利用生物組分、個體、種群或群落對環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)角度，為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價提供依據(jù)。一般來說，水體中生長繁殖的大部分生物都可作為生物監(jiān)測的指示類群，它們能從不同的時間和空間尺度上對外界環(huán)境變化做出響應(yīng)，然而，由于人們對不同生物類群的認(rèn)知水平及生物類群間的敏感性存在差異，用于生物監(jiān)測的主要生物類群包括細(xì)菌、藻類、浮游動物、大型浮游植物、大型底棲無脊椎動物(下稱大型底棲動物)以及魚類等。其中，藻類、大型底棲動物和魚類成為目前河流系統(tǒng)生物監(jiān)測中最重要的生物類群。生物監(jiān)測在河流健康評價中發(fā)揮著重要作用，具體可歸為4方面[1-3]：①長期性。能夠反映一定時間內(nèi)的環(huán)境變化情況。②綜合性。能夠反映整個系統(tǒng)的生態(tài)完整性。③敏感性。能夠?qū)ξ⒘课廴疚锂a(chǎn)生反應(yīng)。④監(jiān)測功能多樣性。一種生物能對多種污染物產(chǎn)生反應(yīng)。

跨界河流，是指其組成部分位于2個或更多的國家領(lǐng)土之上或管轄權(quán)之下的水域，包括具有跨國界流域或共同邊界的河流、湖泊、地下水系統(tǒng)和濕地等。世界范圍內(nèi)的跨界河流有許多，其中，較大的跨界河流達(dá)到300條以上。中國幅員遼闊，與周邊眾多國家有跨界河流，境內(nèi)主要分布于東北、西北和西南3個區(qū)域且多數(shù)處于跨界河流的上游，其中著名的跨界河流有黑龍江、雅魯藏布江、瀾滄江、怒江、伊犁河以及額爾齊斯河，其年徑流量分別達(dá)到3 465、1 654、740、689、160、94億立方米，然而，關(guān)于中國跨界河流生物監(jiān)測的應(yīng)用研究卻罕見報道。該研究分析了跨界河流生物監(jiān)測中存在的問題；選擇歐洲的多瑙河、亞洲的湄公河以及非洲的尼日爾河為典型案例，闡述了生物監(jiān)測在跨界河流中的應(yīng)用現(xiàn)狀；并對未來的跨界河流生物監(jiān)測提出建議，以期為中國的跨界河流生物監(jiān)測提供實踐依據(jù)。

1　跨界河流生物監(jiān)測中存在的問題

1.1跨界國家的協(xié)調(diào)管理

由于地域環(huán)境、歷史背景以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等諸多方面的差異，如何統(tǒng)一跨界河流成員國間的生物監(jiān)測方法一直以來困擾著跨界流域內(nèi)的管理者和研究者。管理者喜歡縱觀監(jiān)測項目全局，而缺少對各個跨界成員國的協(xié)調(diào)及實時管理，這種問題在歐盟國家也普遍存在。因此，就世界范圍來看，對跨界國家間的協(xié)調(diào)管理依舊任重而道遠(yuǎn)，特別是在經(jīng)濟(jì)和監(jiān)測技術(shù)較為落后的發(fā)展中國家，協(xié)調(diào)統(tǒng)一各跨界成員國的生物調(diào)查類群和生物監(jiān)測技術(shù)更是當(dāng)務(wù)之急。

1.2生物類群的選擇

如何正確選擇生物監(jiān)測類群一直是研究者們競相爭論的話題。在世界范圍內(nèi)，生物監(jiān)測項目通常會依賴于3種生物類群進(jìn)行生物評價：魚類，大型底棲動物和藻類。發(fā)達(dá)國家對大型底棲動物的使用最為廣泛[4-6]。同樣，大型底棲動物在發(fā)展中國家的使用率也比其他生物類群(細(xì)菌，原生動物、藻類和魚類)的要高。當(dāng)然，流域特點、資金問題也是影響生物類群選擇的關(guān)鍵。整體而言，大型底棲動物不論是從成本還是后勤學(xué)來考慮，都是生物監(jiān)測中使用最為廣泛的。

1.3生物監(jiān)測技術(shù)的選擇

生物監(jiān)測項目實施過程中，發(fā)達(dá)國家傾向于在使用方法上保持一致性。1個世紀(jì)以來，德國及許多東歐國家一直依賴于耐污生物指數(shù)法[7-8]，而在發(fā)展中國家，由于開展生物監(jiān)測的歷史較短，又缺乏必要的調(diào)查學(xué)習(xí)，常常依賴于常規(guī)的采樣技術(shù)或是挑選發(fā)達(dá)國家成熟的監(jiān)測方法[9-10]。

然而，在發(fā)展中國家，直接引用發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)并非總能達(dá)到預(yù)期的效果，可能是方法已經(jīng)過時，或者是因為指示生物(如大型底棲動物、著生藻類)自身存在地域多樣性和對污染的耐受能力存在差異。例如單因子評價法，雖然其有效性一直受到質(zhì)疑，但仍在發(fā)展中國家的監(jiān)測項目中被使用(如中國、印度)[9-10]。特別是對通用監(jiān)測方法的使用不當(dāng)，例如，一些生物指數(shù)的計算需要用到耐污值，不同種類在區(qū)域間的生物耐污值差異較大，而在耐污值的選擇過程中，研究者所選取的生物分類級別參差不齊(如科水平替代屬或種的水平)，導(dǎo)致最終的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生偏差。

1.4其他

跨界河流生物監(jiān)測所面臨的問題遠(yuǎn)不止前述的跨界國家間的協(xié)調(diào)管理、調(diào)查類群與監(jiān)測技術(shù)的選擇等問題，可能還會涉及到法律法規(guī)的執(zhí)行、調(diào)查人員的專業(yè)程度、經(jīng)費資助力度、對河流生態(tài)以及對水生生物分類學(xué)的認(rèn)知程度等諸多問題，這些問題在跨界河流生物監(jiān)測中往往普遍存在。

2　跨界河流生物監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1歐洲

歐洲有著多條跨界河流(如多瑙河、萊茵河等)，它們在這些國家的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。以多瑙河為例，來了解生物監(jiān)測在歐洲跨界河流中的應(yīng)用現(xiàn)狀和運行機(jī)制。多瑙河全長2 850 km，流域面積81.7萬平方公里，是歐洲第2長河。它發(fā)源于德國西南部的黑林山的東坡，自西向東流經(jīng)奧地利、斯洛伐克、匈牙利、克羅地亞、塞爾維亞、保加利亞、羅馬尼亞、烏克蘭，在烏克蘭中南部注入黑海，是世界上干流流經(jīng)國家最多的河流。

為了實現(xiàn)歐盟水框架指令對跨界流域的水資源管理要求，由聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)/全球環(huán)境基金(GEF)共同發(fā)起了多瑙河區(qū)域項目(DRP)，該項目的宗旨是強(qiáng)化多瑙河流域營養(yǎng)鹽的削減能力以及加強(qiáng)流域內(nèi)國家的跨界協(xié)作，最終在多瑙河流域和黑海入海口建立適宜的跨界生態(tài)環(huán)境。這就需要對多瑙河流域生態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)測，歐盟水框架指令要求，在生物監(jiān)測的過程中須考慮到水體類型本身、生物群落的變化以及參照狀態(tài)的選擇。

多瑙河流域內(nèi)已有的生物監(jiān)測與評價方法見表1。

表1　多瑙河流域內(nèi)河道生物監(jiān)測與評價方法

由表1可以看出，在多瑙河流域內(nèi)，使用大型底棲動物進(jìn)行生物監(jiān)測是主要方法，占所有方法的35％；使用底棲藻類和浮游藻類對水質(zhì)進(jìn)行評估也是多瑙河流域生態(tài)監(jiān)測的重點，分別占據(jù)所有方法的20％、14％；使用魚類來監(jiān)測人類干擾的方法僅占4％；從污染脅迫的角度來看，多瑙河流域生物監(jiān)測的重點是有機(jī)污染，占據(jù)所有監(jiān)測項目的比例高達(dá)34％。

為了全面執(zhí)行水框架指令的要求，項目組成員對多瑙河流域內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測項目和以往的監(jiān)測方法進(jìn)行重新設(shè)計，并提出評估地表水質(zhì)的新方法。研究者們對各個國家的生物監(jiān)測方法與監(jiān)測類群進(jìn)行了詳細(xì)的對比，并對常用的監(jiān)測方法進(jìn)行了相互校準(zhǔn)。經(jīng)歐盟及多瑙河區(qū)域項目管理者對各國監(jiān)測方法的協(xié)調(diào)，最終將耐污生物監(jiān)測系統(tǒng)整合入水框架指令當(dāng)中，并在各成員國中貫徹執(zhí)行，同時擬定出一套適合多瑙河跨界生物監(jiān)測的方法：首先，對于整個流域，參照環(huán)境的選擇沿用Braukmann (1987)的假設(shè)[23]，該假設(shè)以可降解有機(jī)物為依托，使用“耐污生物基礎(chǔ)環(huán)境”作為參照環(huán)境；第二，使用大型底棲動物作為生物監(jiān)測的指示生物，流域內(nèi)各國生物學(xué)家經(jīng)實地調(diào)查與鑒定分析后提供相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；第三，將采樣點位及其環(huán)境因子的相關(guān)信息(如采樣位置、河流長度、監(jiān)測點位編碼、斷面位置以及土地使用情況)一并錄入數(shù)據(jù)庫；第四，將分類鑒定的物種名和種類豐富度錄入生物數(shù)據(jù)表，應(yīng)盡可能鑒定到種，當(dāng)然，在某些情況下，也可鑒定到屬；最后，在允許條件下，在采樣點位所在河道的左側(cè)、右側(cè)、中部分別采集生物樣品。

2.2亞洲

亞洲有許多知名的跨界河流，但要談到綜合管理能力，湄公河的跨界生物監(jiān)測無疑是一個突出的案例。湄公河，干流全長4 880 km，是亞洲最重要的跨國水系，世界第六大河流；主源為扎曲，發(fā)源于中國青海省玉樹藏族自治州雜多縣，流經(jīng)中國、老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南，于越南胡志明市流入南海。流域內(nèi)除中國和緬甸外，均為湄公河委員會成員國。

20世紀(jì)末，湄公河下游水質(zhì)退化問題就已經(jīng)被識別為老撾、泰國、柬埔寨和越南的跨界問題。但在當(dāng)時，管理者們發(fā)現(xiàn)，可用的數(shù)據(jù)不能充分評估湄公河流域內(nèi)的跨界水質(zhì)問題，為了完善生物數(shù)據(jù)，管委會提議建立湄公河流域生物監(jiān)測項目，將魚類、大型底棲動物、藻類和大型植物作為調(diào)查對象，并努力搜集湄公河及其支流的生物和生態(tài)學(xué)相關(guān)信息，為該區(qū)域的綜合評價做知識儲備[24]。

針對上述跨界生物監(jiān)測的問題，自2003年以來，湄公河管委會已經(jīng)在各成員國內(nèi)設(shè)置了20～24個監(jiān)測斷面進(jìn)行年度調(diào)查[27]。該監(jiān)測項目旨在建立湄公河下游 “河流健康”的綜合評價，調(diào)查經(jīng)費由國際組織捐贈支撐。在項目實施過程中，管委會挑選當(dāng)?shù)厥苓^專業(yè)訓(xùn)練的工作人員來對不同的生物類群進(jìn)行監(jiān)測，同時聘請國際專家進(jìn)行指導(dǎo)。

該跨界生物監(jiān)測項目的具體實施過程大致可以分為3個階段[25-26]：①2003年為初步實施階段，其研究重點在評估魚類(用刺網(wǎng)收集)、深水大型底棲動物(用艾克曼抓斗收集)、河濱帶大型底棲動物(使用D型網(wǎng)收集)、著生藻類(從巖石或其他硬底質(zhì)上獲取)，這些生物類群連同常規(guī)理化指標(biāo)共同構(gòu)成湄公河生態(tài)健康的評價指標(biāo)[27]。②全面貫徹實施階段，較初步研究有2處重要的改變，一個是以硅藻為核心來采集著生藻類，略去了對大型藻類的采集，因為對大型藻的定量采集非常困難；另一個是略去對魚類的采集，因為魚類的采集較其他生物類群(硅藻或大型底棲動物)的耗時更長(可能需要幾天來完成采集)，再者，魚類數(shù)據(jù)還可以從其他渠道獲取(如電魚調(diào)查，魚貨市場等)。③常規(guī)監(jiān)測階段，每年3月(該區(qū)域為枯水期)，湄公河委員會的研究者們會調(diào)查新的或重復(fù)調(diào)查以往的點位來完成生物監(jiān)測，與此同時，研究者們也將種類豐度、豐富度和污染耐受個體所占比例等指標(biāo)納入了常規(guī)的分析項目當(dāng)中。

值得一提的是，為了完善該生物監(jiān)測項目，研究者們不僅使用了單變量分析，還使用了物種分類組成及其他多變量的分析方法，以此來監(jiān)測生物區(qū)系的時空演變及其與環(huán)境因子的相關(guān)性[28]。

2.3非洲

非洲境內(nèi)有2條著名的跨界河流，尼羅河和尼日爾河，分別為非洲的第一和第三大河流，其在全洲的流域面積均超過了100萬平方公里。這2條河流不僅跨越多個國家，而且在這些國家的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。

尼羅河是迄今為止缺乏流域一體化管理的跨國河流之一，由于歷史、地理和發(fā)展等因素，尼羅河水資源利用中的不對稱現(xiàn)象明顯，因此，很長一段時間以來，尼羅河流域不存在跨界合作監(jiān)測項目。盡管如此，部分研究者還是對尼羅河流域進(jìn)行了一定的生物調(diào)查工作：研究者在對尼羅河的調(diào)查中，綜合考慮流域特點和指示生物的普適性，選用了不同的采樣方法來采集大型底棲動物[29]。結(jié)果顯示，人工基質(zhì)的采樣效率比抓斗式采泥器效率高，為了收集1個點位內(nèi)的全部底棲動物類群，需采集15斗泥或安置5個人工基質(zhì)采樣器。為了更有效地設(shè)計生物監(jiān)測項目，研究者們還對該流域底棲動物的采樣季節(jié)和頻次進(jìn)行了研究，例如，要詳細(xì)了解底棲動物的生活史，則需進(jìn)行頻繁監(jiān)測，按月進(jìn)行生物調(diào)查；而如果是為水質(zhì)管理服務(wù)的快速生物評價，則1年只需進(jìn)行1～2次采樣。

此處，以尼日爾河為例，來了解非洲跨界河流生物監(jiān)測的應(yīng)用現(xiàn)狀與運行機(jī)制。尼日爾河，作為西非最大的河流，全長4 184 km，流域面積209萬平方公里。發(fā)源于幾內(nèi)亞富塔賈隆高原東南坡，流經(jīng)馬里、尼日爾、貝寧、尼日利亞等國，注入幾內(nèi)亞灣。

對尼日爾河進(jìn)行跨界生物監(jiān)測要追溯到20世紀(jì)70年代。1974年，非洲西部國家在尼日爾河流域內(nèi)使用殺蟲劑去除盤尾絲蟲病，這項滅蟲工程一直開展到2002年，涉及到11個西非國家，并以此來控制人體內(nèi)寄生蟲的傳播[30]。然而，在河流中長期大量使用殺蟲劑會造成大范圍的環(huán)境損害。為了評估該流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況，各成員國間建立了跨界生物監(jiān)測項目[31]，該項目的具體實施由獨立的生態(tài)監(jiān)管委員會管理[32-33]，并且所有調(diào)查經(jīng)費均由國際捐贈者資助并由世界銀行來管理。

盡管該生物監(jiān)測項目由11個西非國家來承擔(dān)，常規(guī)的生物調(diào)查僅由4個國家完成(布基納法索、科特迪瓦、加納以及幾內(nèi)亞)，而其他7個國家(塞內(nèi)加爾、馬里、尼日爾、貝寧、多哥、幾內(nèi)亞比紹以及塞拉利昂)則負(fù)責(zé)定期或短期的監(jiān)測[34]。生物類群的選擇方面，魚類和大型底棲動物始終被選作指示生物；在監(jiān)測頻次上，枯水期進(jìn)行逐月調(diào)查，豐水期也盡量保證每月采樣1次；采樣方法上，魚類的采集多使用刺網(wǎng)，大型底棲動物的采集則使用索伯網(wǎng)；在后續(xù)處理方面，由專業(yè)人員對采集的樣品進(jìn)行分類鑒定與計數(shù)，并完成種類組成、豐度、豐富度的分析。

3 不同生物類群監(jiān)測方法的特點分析

在前述案例中，藻類、大型底棲動物以及魚類是研究者們優(yōu)先考慮的生物調(diào)查對象，其中以大型底棲動物使用最為廣泛，然而，在實施生物監(jiān)測項目之前，必須理清各種生物類群的環(huán)境指示特點(表2)以及不同采樣方法的優(yōu)缺點(表3)，以便更好地開展生物調(diào)查工作。

表2　藻類、大型底棲動物及魚類的環(huán)境指示特點

表3　藻類、大型底棲動物及魚類采樣方法的優(yōu)缺點[43-44]

續(xù)表3

類群采樣方法優(yōu)點缺點大型底棲動物天然基質(zhì)法(網(wǎng)捕法、抓斗法)人工基質(zhì)法(石籠法)每次采樣只往返1次，整體成本及工作量低樣品可變性大，需要更多重復(fù)抽樣調(diào)查網(wǎng)捕法可以對特定生境進(jìn)行采集，代表性高網(wǎng)捕法的處理時間較長，成本較高抓斗法能有效地在深水生境采集樣品，且采集的物種豐富度較其他方法高抓斗法對底質(zhì)要求較高，攜帶不方便，樣品處理過程中會“沖失”生物體可以在難以有效采樣的位置采集樣品基質(zhì)需要回收，且難以運輸和保存可以排除采樣的主觀性，使樣品標(biāo)準(zhǔn)化周期長，對快速生物評價的時效性低降低了生境差異的混淆效應(yīng)和采樣可變性樣品的代表性較差魚類電魚法網(wǎng)捕法使得樣品采集量標(biāo)準(zhǔn)化采樣效率受水體濁度和電導(dǎo)率影響較大采樣耗時短，所需的人力少對魚類的傷害性較大對魚的選擇性小，且適用于各種生境采樣人員操作時危險系數(shù)較大采樣成本較低對經(jīng)驗與技術(shù)要求較高，且耗人力采樣工具易于運輸和保存樣品的可變性較強(qiáng)采樣不受水質(zhì)參數(shù)限制且對魚類傷害較小受河流底質(zhì)及水體流速影響較大

4　建議

生物監(jiān)測正越來越多地應(yīng)用于國際跨界河流的健康評價工作當(dāng)中。在中國，跨界河流的生物監(jiān)測還有大量工作要做(如黑龍江的跨界生物監(jiān)測工作還處于啟動探索階段)。

1)在監(jiān)測項目開展前期，須指定專職人員或部門對項目進(jìn)行實時協(xié)調(diào)與管理，并嚴(yán)格界定各成員國的流域監(jiān)測及管理責(zé)任；在每個跨界成員國認(rèn)可的基礎(chǔ)上，制定一項全流域內(nèi)普遍適用的實施方案(如協(xié)調(diào)生物監(jiān)測的頻次和時間、統(tǒng)一生物監(jiān)測的類群及方法)。

2)在監(jiān)測頻次上，應(yīng)充分考慮流域的環(huán)境條件、生物類群的時間變化特點、調(diào)查目的及人力、費用投入，確定調(diào)查頻次和調(diào)查時間(如對全流域的環(huán)境基線調(diào)查，可以考慮第1年每季監(jiān)測1次，之后可每年1次；流域內(nèi)不同區(qū)域的常規(guī)監(jiān)測可以考慮每季調(diào)查1次，尤其對受季節(jié)性影響顯著的監(jiān)測區(qū)域，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行逐月調(diào)查)。

3)在生物類群選擇上，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測的水體類型以及特定目的，充分考慮每個類群的優(yōu)點、生命周期，并結(jié)合區(qū)域的環(huán)境特點，選擇適合的水生生物類群。溪流及淺水型河流生物監(jiān)測的常用生物類群為著生藻類、大型底棲動物以及魚類，深水型河流生物監(jiān)測可以選擇浮游藻類作為著生藻類的補(bǔ)充。另外，較大范圍內(nèi)環(huán)境變化的長期(幾年)效應(yīng)監(jiān)測，首選魚類；環(huán)境變化的短期效應(yīng)評價，則選擇大型底棲動物或藻類。在充分達(dá)到既定監(jiān)測目的的前提下，調(diào)查類群可以根據(jù)現(xiàn)場采樣條件以及人員、儀器的配備情況酌情增減。

4)在采樣方法的選擇上，應(yīng)充分考慮河流的水文形態(tài)、底質(zhì)類型以及采集成本。溪流及淺水型河流生物監(jiān)測中，適宜選用天然基質(zhì)(刮石)法采集著生藻類樣本，選用網(wǎng)捕(D型網(wǎng)、索伯網(wǎng))法采集大型底棲動物樣本以及在獲批條件下選用電魚法采集魚類樣本；在深水型(不可涉水)河流中，適宜選用人工基質(zhì)法或直接采水法獲取藻類樣本，選用抓斗(深水區(qū))和網(wǎng)捕(河岸可涉水區(qū))相結(jié)合的方法采集大型底棲動物樣本以及在漁業(yè)部門的協(xié)助下選用網(wǎng)捕法采集魚類樣本。

5)在樣品的分類鑒定過程中，可以將分類檢索表重點放在區(qū)分不同的生物種類而不僅僅是鑒定和描述這些種類本身；或者將重點放在確定的種類上，比如蜉蝣目(蜉蝣)、襀翅目(石蠅)、蜻蜓目(石蛾)，這些都是容易鑒定的種類，并且這些種類能對更多的污染變化作出響應(yīng)；還可以選用不涉及鑒定的方法，比如順序比較指數(shù)法(the Sequential Comparison Index, Resh 1995)[9]。

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