李中宇，金小偉，劉繼鳳, 王業(yè)耀

1. 黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，哈爾濱 150056 2. 中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012 3. 黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，哈爾濱 150056

水環(huán)境的生態(tài)預(yù)警屬于漸變式預(yù)警[1]，能夠反映出經(jīng)過長時(shí)間的潛伏和演化，經(jīng)過時(shí)空累積效應(yīng)才體現(xiàn)出來的水環(huán)境危機(jī)或警情，具有先覺性、預(yù)見性，能防患于未然，在環(huán)境發(fā)生退化質(zhì)變之前，能及早提出預(yù)告、報(bào)警，以有效抑制、減緩環(huán)境惡化，變逆向演替為正向演替，使生態(tài)系統(tǒng)步入良性循環(huán)[2]。預(yù)警的過程注重對(duì)環(huán)境影響因子的變化趨勢進(jìn)行分析、預(yù)測，并且需要考慮多種不確定因素影響。預(yù)警系統(tǒng)概念提出后的幾十年來，許多專家學(xué)者都對(duì)其展開了廣泛的研究，20世紀(jì)70年代，國外建立了多瑙河流域水污染預(yù)警系統(tǒng)和萊茵河流域水污染預(yù)警系統(tǒng)。隨著我國環(huán)境保護(hù)工作的不斷加強(qiáng)，我國的遼河、漢江等流域也都建立起了生態(tài)預(yù)警控制系統(tǒng)[3]。目前國內(nèi)外水環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)主要包括以理化監(jiān)測為基礎(chǔ)的水質(zhì)污染預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)和以生物毒性監(jiān)測為基礎(chǔ)的水質(zhì)安全預(yù)警系統(tǒng)[4-5]，以水生生物監(jiān)測為基礎(chǔ)的水環(huán)境生態(tài)預(yù)警的研究較少。

近年來，世界各國水環(huán)境管理政策發(fā)生了變化，開始強(qiáng)調(diào)生態(tài)保護(hù)，重視水體的生態(tài)質(zhì)量[6]。2015年國務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確提出要全力保障水生態(tài)環(huán)境安全，迫切需要對(duì)水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)管。水質(zhì)生物監(jiān)測與評(píng)價(jià)通過對(duì)水體中水生生物的調(diào)查或?qū)λ锏闹苯訖z測來評(píng)價(jià)水體的生物學(xué)質(zhì)量。生物監(jiān)測不再是理化監(jiān)測的補(bǔ)充，而是監(jiān)測的另一層面和角度，有助于水環(huán)境管理從“污染防治”為重點(diǎn)到“生態(tài)健康”為目標(biāo)的轉(zhuǎn)折[7-9]。研究人員利用水環(huán)境中某些物種的數(shù)量、生物量、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、功能指標(biāo)和一些生理指標(biāo)描述生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，與傳統(tǒng)的理化監(jiān)測方法相比較，指示生物監(jiān)測的優(yōu)越性：(1)生物可以反應(yīng)出尚未檢測的污染物帶來的影響，發(fā)現(xiàn)污染，及時(shí)預(yù)報(bào)；(2)生物能夠較好地反映出環(huán)境污染對(duì)生物產(chǎn)生的綜合效應(yīng)；(3)生物可以反映劑量小、長期作用產(chǎn)生的慢性毒性效應(yīng)，用理化方法很難檢測；(4)生物可以反映棲息地物理環(huán)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(zhì)生物評(píng)價(jià)參數(shù)[12]，其中以底棲動(dòng)物為指示生物的監(jiān)測和評(píng)價(jià)研究廣泛應(yīng)用[13-17]。我國的水質(zhì)生物評(píng)價(jià)技術(shù)水平與西方發(fā)達(dá)國家相比有很大差距，特別是在水生態(tài)預(yù)警研究及水環(huán)境管理領(lǐng)域[9]。本文對(duì)松花江干流2012—2015年的底棲動(dòng)物監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，結(jié)合現(xiàn)階段大型底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，探索應(yīng)用大型底棲動(dòng)物為指示生物的生態(tài)預(yù)警模式，為松花江干流水生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理提供技術(shù)支持，對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理指標(biāo)的拓展進(jìn)行積極嘗試。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域的選擇

圖1 松花江干流斷面設(shè)置示意圖注：底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)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(hào)為GS(2008)1306號(hào)，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(qū)的北部，東經(jīng)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(zhèn)河口，全長939 km，由西南流向東北，流經(jīng)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(dá)800～1 300 m[18]。本研究在松花江干流黑龍江省轄區(qū)內(nèi)設(shè)置11個(gè)斷面，多數(shù)斷面設(shè)左、右2個(gè)點(diǎn)位，共采集21個(gè)點(diǎn)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(zhì)，大型底棲動(dòng)物樣品定性采樣多采用D(手抄)網(wǎng)法[19]、翻揀法[20]；定量采樣采用籃式采樣器[21]，每個(gè)點(diǎn)位安放2個(gè)，孵育時(shí)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(dòng)物的固定和保存、物種鑒定和定量分析參考相關(guān)文獻(xiàn)資料、圖譜。樣品鑒定分析按“科”級(jí)分類單元進(jìn)行，即降低鑒定的難度，保證準(zhǔn)確性，又可滿足環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域確定耐污值[22-23]對(duì)鑒定級(jí)別的要求，簡便易行，利于掌握和推廣。

數(shù)據(jù)來自肇源環(huán)境監(jiān)測站、哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站、佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站、三江環(huán)境監(jiān)測站2012—2015年對(duì)松花江干流11個(gè)斷面21個(gè)點(diǎn)位的底棲動(dòng)物監(jiān)測。

1.3 預(yù)警指示生物的確認(rèn)

從生態(tài)學(xué)的角度，中長期生態(tài)預(yù)警指標(biāo)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(wěn)定的環(huán)境中，生物的種類比較多，個(gè)體數(shù)量適當(dāng)，但當(dāng)水環(huán)境受到污染或棲息環(huán)境發(fā)生惡變后，敏感指示生物種類的數(shù)量會(huì)逐漸減少甚至消失，與未干擾狀態(tài)相比顯示出種類組成與數(shù)量的明顯差異[17, 24]。

對(duì)2012—2015年松花江干流11個(gè)斷面21個(gè)點(diǎn)位的底棲動(dòng)物監(jiān)測數(shù)據(jù)按“科”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。按照調(diào)查、統(tǒng)計(jì)物種、常見物種確認(rèn)和指示物種篩選的步驟進(jìn)行研究。以4年間3年內(nèi)有采集記錄的定為常見種，在常見種中選擇生態(tài)位較窄，對(duì)污染敏感性高和中等(耐污值低，小于6)的物種作為某個(gè)斷面的生態(tài)質(zhì)量預(yù)警候選物種。

表1 評(píng)價(jià)等級(jí)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(tài)預(yù)警閾值的確定

各斷面生態(tài)質(zhì)量現(xiàn)狀采用底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)法完成。通過Trent指數(shù)(Trent Biotic Index)、BMWP記分系統(tǒng)(Biological Monitoring Working Party Scoring System)、每科平均記分值(Average Score per Taxon，ASPT)、生物學(xué)污染指數(shù)法(Biology Pollution Index，BPI)、Chandler生物指數(shù)(CBI)、Margalef豐富度指數(shù)和科級(jí)生物指數(shù)(Family Biotic Index，F(xiàn)BI)7種單一指數(shù)，按各指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行賦值，通過簡單疊加法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[25]，綜合評(píng)價(jià)賦值見表1。其中54～63為極好、40～53為優(yōu)良、25～39為中等、11～24為差、0～10為極差。

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

圖2 松花江干流底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(yù)警等級(jí)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(yù)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(yōu)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(zhèn); 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(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 預(yù)警指示生物的篩選結(jié)果

在松花江干流共發(fā)現(xiàn)57個(gè)科，常見種類共有23個(gè)科，從這23個(gè)科的物種里，共篩選出15個(gè)科作為預(yù)警指示生物，見表3。

2.2 預(yù)警閾值和風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

本研究利用底棲動(dòng)物綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)松花江干流的水生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示肇源—大頂子山江段處于差～優(yōu)良之間，多為中等狀態(tài)；擺渡鎮(zhèn)—同江江段處于中等～極好之間，多處于優(yōu)良狀態(tài)(圖2)。以這種評(píng)價(jià)結(jié)果作為水生態(tài)質(zhì)量的現(xiàn)狀，研究預(yù)警的閾值和風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)。

針對(duì)松花江干流的水生態(tài)質(zhì)量特點(diǎn)及各斷面現(xiàn)狀，預(yù)警的指示物種按斷面統(tǒng)計(jì)，結(jié)合耐污值和國際公認(rèn)的EPT物種(敏感物種)確認(rèn)，各斷面確定的物種有所不同。預(yù)警級(jí)別按照三級(jí)預(yù)警警報(bào)，即黃、橙、紅3級(jí)，見表4。

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

2.3 分析與討論

近年來，為提高水環(huán)境安全控制水平，減少水環(huán)境安全事故發(fā)生，我國加強(qiáng)了水環(huán)境安全預(yù)警體系的建設(shè)。但目前這些系統(tǒng)主要是依靠常規(guī)化學(xué)分析技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)和分析?；瘜W(xué)分析易標(biāo)準(zhǔn)化，能夠準(zhǔn)確檢出目標(biāo)污染物的含量，比較直接精確地反映河道水質(zhì), 但其費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 成本較高, 較難實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測[17]。利用生物監(jiān)測技術(shù)建立水環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)是目前國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。水生生物長期生長在水體環(huán)境中, 利用水生生物建立的信息發(fā)生系統(tǒng)可以在自然環(huán)境下進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)的測量，且測試成本低, 操作簡單。以大型底棲動(dòng)物為主的水生生物監(jiān)測逐漸成為國際上評(píng)價(jià)河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不可或缺的方法, 通過測定生物學(xué)參數(shù)和指標(biāo), 并構(gòu)建這些指標(biāo)與生物所在的水環(huán)境之間的定量關(guān)系(生物指數(shù))，來評(píng)估水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[16, 27]。水生生物參數(shù)是更加綜合性的參數(shù)，一次監(jiān)測可代表更長期(數(shù)月或數(shù)年)的河道環(huán)境狀況。大型底棲動(dòng)物相當(dāng)于全天候的水環(huán)境 “在線監(jiān)測器”, 能真實(shí)反映河道的長期水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)狀況[17]。

然而應(yīng)用指示生物的水生態(tài)預(yù)警其準(zhǔn)確性至關(guān)重要，影響的因素大致可以歸納為以下幾種：(1)采集時(shí)間：松花江底棲動(dòng)物的采集時(shí)間一般要安排在6月初和9月初左右，年際間采集時(shí)間要相對(duì)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(shí)間采集會(huì)直接影響采集的效果。(2)采集樣點(diǎn)：采集斷面、點(diǎn)位一經(jīng)確定不可隨意更改，不同的棲息環(huán)境(包括底質(zhì)、流速、水深等)對(duì)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(tǒng)一，多年一貫制，可以增加、補(bǔ)充新方法，但不可擅自減少。(4)采集人員的專業(yè)性、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心：生物監(jiān)測的專業(yè)性較強(qiáng)，采集經(jīng)驗(yàn)需要不斷積累，加之采樣過程比較繁雜，勞動(dòng)量大，要求采集人員具有責(zé)任心，隊(duì)伍要保持相對(duì)的穩(wěn)定，有利于專業(yè)技能的提高，保證預(yù)警的準(zhǔn)確性。(5)鑒定的準(zhǔn)確性：底棲動(dòng)物物種鑒定是一項(xiàng)專業(yè)性強(qiáng)的工作，鑒定的準(zhǔn)確性直接影響預(yù)警的準(zhǔn)確性。根據(jù)環(huán)保領(lǐng)域的實(shí)際需求，生態(tài)預(yù)警鑒定到“科級(jí)”分類單位，有經(jīng)驗(yàn)的人員在野外采集時(shí)可以直接判斷，有利于現(xiàn)場決策，調(diào)整采集方案。比較容易掌握和推廣，基本可以保證準(zhǔn)確性。(6)指示物種的消失要經(jīng)過慎重的確認(rèn)：生物的分布會(huì)受到各種自然因素的影響，當(dāng)年采集不到黃色預(yù)警的物種，既需要擴(kuò)大采集范圍，增加采集樣方的數(shù)量，開展相應(yīng)的調(diào)查，明確指示物種消失的事實(shí)。

應(yīng)用指示生物的水生態(tài)預(yù)警系統(tǒng)還需從以下方面做進(jìn)一步的研究：(1) 建立特定區(qū)域、流域水生態(tài)本底數(shù)據(jù)庫，包括生態(tài)良好區(qū)域、水生態(tài)質(zhì)量改善但尚不穩(wěn)定區(qū)域、污染物排放量較大水質(zhì)尚可的新建的開發(fā)區(qū)或工業(yè)區(qū)，做好本底調(diào)查和監(jiān)測，為水生態(tài)預(yù)警奠定基礎(chǔ)。(2) 在突發(fā)污染事件后期評(píng)估中，增加水生生物尤其是底棲動(dòng)物的監(jiān)測，探索底棲動(dòng)物與已知污染物之間的關(guān)系，為科學(xué)預(yù)警提供佐證。(3) 建立生態(tài)監(jiān)測與理化監(jiān)測相結(jié)合的綜合環(huán)境評(píng)價(jià)體系。通過優(yōu)勢互補(bǔ)，使生態(tài)監(jiān)測方法、評(píng)價(jià)預(yù)警指標(biāo)，能夠比較直接地反映環(huán)境污染程度和毒物的積累效應(yīng)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響，能夠真實(shí)、綜合和全面地評(píng)價(jià)水生態(tài)狀況，構(gòu)建生態(tài)安全監(jiān)測支撐平臺(tái)。(4) 開發(fā)針對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)及信息系統(tǒng)。利用互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，通過采集、匯總、整理歷年來全國各流域的水生態(tài)監(jiān)測、科研數(shù)據(jù)等方面的海量數(shù)據(jù)，建立生態(tài)監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)庫和水生態(tài)遠(yuǎn)程鑒定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源、信息共享。

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

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