生物监测在跨界河流中的应用进展

汪　星,刘录三,李　黎

1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2.中国环境科学研究院国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012

生物监测，即利用生物组分、个体、种群或群落对环境污染或变化所产生的反应，从生物学角度，为环境质量的监测和评价提供依据。一般来说，水体中生长繁殖的大部分生物都可作为生物监测的指示类群，它们能从不同的时间和空间尺度上对外界环境变化做出响应，然而，由于人们对不同生物类群的认知水平及生物类群间的敏感性存在差异，用于生物监测的主要生物类群包括细菌、藻类、浮游动物、大型浮游植物、大型底栖无脊椎动物(下称大型底栖动物)以及鱼类等。其中，藻类、大型底栖动物和鱼类成为目前河流系统生物监测中最重要的生物类群。生物监测在河流健康评价中发挥着重要作用，具体可归为4方面[1-3]：①长期性。能够反映一定时间内的环境变化情况。②综合性。能够反映整个系统的生态完整性。③敏感性。能够对微量污染物产生反应。④监测功能多样性。一种生物能对多种污染物产生反应。

跨界河流，是指其组成部分位于2个或更多的国家领土之上或管辖权之下的水域，包括具有跨国界流域或共同边界的河流、湖泊、地下水系统和湿地等。世界范围内的跨界河流有许多，其中，较大的跨界河流达到300条以上。中国幅员辽阔，与周边众多国家有跨界河流，境内主要分布于东北、西北和西南3个区域且多数处于跨界河流的上游，其中著名的跨界河流有黑龙江、雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、伊犁河以及额尔齐斯河，其年径流量分别达到3 465、1 654、740、689、160、94亿立方米，然而，关于中国跨界河流生物监测的应用研究却罕见报道。该研究分析了跨界河流生物监测中存在的问题；选择欧洲的多瑙河、亚洲的湄公河以及非洲的尼日尔河为典型案例，阐述了生物监测在跨界河流中的应用现状；并对未来的跨界河流生物监测提出建议，以期为中国的跨界河流生物监测提供实践依据。

1　跨界河流生物监测中存在的问题

1.1跨界国家的协调管理

由于地域环境、历史背景以及经济发展状况等诸多方面的差异，如何统一跨界河流成员国间的生物监测方法一直以来困扰着跨界流域内的管理者和研究者。管理者喜欢纵观监测项目全局，而缺少对各个跨界成员国的协调及实时管理，这种问题在欧盟国家也普遍存在。因此，就世界范围来看，对跨界国家间的协调管理依旧任重而道远，特别是在经济和监测技术较为落后的发展中国家，协调统一各跨界成员国的生物调查类群和生物监测技术更是当务之急。

1.2生物类群的选择

如何正确选择生物监测类群一直是研究者们竞相争论的话题。在世界范围内，生物监测项目通常会依赖于3种生物类群进行生物评价：鱼类，大型底栖动物和藻类。发达国家对大型底栖动物的使用最为广泛[4-6]。同样，大型底栖动物在发展中国家的使用率也比其他生物类群(细菌，原生动物、藻类和鱼类)的要高。当然，流域特点、资金问题也是影响生物类群选择的关键。整体而言，大型底栖动物不论是从成本还是后勤学来考虑，都是生物监测中使用最为广泛的。

1.3生物监测技术的选择

生物监测项目实施过程中，发达国家倾向于在使用方法上保持一致性。1个世纪以来，德国及许多东欧国家一直依赖于耐污生物指数法[7-8]，而在发展中国家，由于开展生物监测的历史较短，又缺乏必要的调查学习，常常依赖于常规的采样技术或是挑选发达国家成熟的监测方法[9-10]。

然而，在发展中国家，直接引用发达国家的先进技术并非总能达到预期的效果，可能是方法已经过时，或者是因为指示生物(如大型底栖动物、着生藻类)自身存在地域多样性和对污染的耐受能力存在差异。例如单因子评价法，虽然其有效性一直受到质疑，但仍在发展中国家的监测项目中被使用(如中国、印度)[9-10]。特别是对通用监测方法的使用不当，例如，一些生物指数的计算需要用到耐污值，不同种类在区域间的生物耐污值差异较大，而在耐污值的选择过程中，研究者所选取的生物分类级别参差不齐(如科水平替代属或种的水平)，导致最终的监测结果产生偏差。

1.4其他

跨界河流生物监测所面临的问题远不止前述的跨界国家间的协调管理、调查类群与监测技术的选择等问题，可能还会涉及到法律法规的执行、调查人员的专业程度、经费资助力度、对河流生态以及对水生生物分类学的认知程度等诸多问题，这些问题在跨界河流生物监测中往往普遍存在。

2　跨界河流生物监测现状

2.1欧洲

欧洲有着多条跨界河流(如多瑙河、莱茵河等)，它们在这些国家的社会经济发展中起着重要的作用。以多瑙河为例，来了解生物监测在欧洲跨界河流中的应用现状和运行机制。多瑙河全长2 850 km，流域面积81.7万平方公里，是欧洲第2长河。它发源于德国西南部的黑林山的东坡，自西向东流经奥地利、斯洛伐克、匈牙利、克罗地亚、塞尔维亚、保加利亚、罗马尼亚、乌克兰，在乌克兰中南部注入黑海，是世界上干流流经国家最多的河流。

为了实现欧盟水框架指令对跨界流域的水资源管理要求，由联合国开发计划署(UNDP)/全球环境基金(GEF)共同发起了多瑙河区域项目(DRP)，该项目的宗旨是强化多瑙河流域营养盐的削减能力以及加强流域内国家的跨界协作，最终在多瑙河流域和黑海入海口建立适宜的跨界生态环境。这就需要对多瑙河流域生态状况进行监测，欧盟水框架指令要求，在生物监测的过程中须考虑到水体类型本身、生物群落的变化以及参照状态的选择。

多瑙河流域内已有的生物监测与评价方法见表1。

表1　多瑙河流域内河道生物监测与评价方法

由表1可以看出，在多瑙河流域内，使用大型底栖动物进行生物监测是主要方法，占所有方法的35％；使用底栖藻类和浮游藻类对水质进行评估也是多瑙河流域生态监测的重点，分别占据所有方法的20％、14％；使用鱼类来监测人类干扰的方法仅占4％；从污染胁迫的角度来看，多瑙河流域生物监测的重点是有机污染，占据所有监测项目的比例高达34％。

为了全面执行水框架指令的要求，项目组成员对多瑙河流域内现有的监测项目和以往的监测方法进行重新设计，并提出评估地表水质的新方法。研究者们对各个国家的生物监测方法与监测类群进行了详细的对比，并对常用的监测方法进行了相互校准。经欧盟及多瑙河区域项目管理者对各国监测方法的协调，最终将耐污生物监测系统整合入水框架指令当中，并在各成员国中贯彻执行，同时拟定出一套适合多瑙河跨界生物监测的方法：首先，对于整个流域，参照环境的选择沿用Braukmann (1987)的假设[23]，该假设以可降解有机物为依托，使用“耐污生物基础环境”作为参照环境；第二，使用大型底栖动物作为生物监测的指示生物，流域内各国生物学家经实地调查与鉴定分析后提供相关监测数据，并构建数据库；第三，将采样点位及其环境因子的相关信息(如采样位置、河流长度、监测点位编码、断面位置以及土地使用情况)一并录入数据库；第四，将分类鉴定的物种名和种类丰富度录入生物数据表，应尽可能鉴定到种，当然，在某些情况下，也可鉴定到属；最后，在允许条件下，在采样点位所在河道的左侧、右侧、中部分别采集生物样品。

2.2亚洲

亚洲有许多知名的跨界河流，但要谈到综合管理能力，湄公河的跨界生物监测无疑是一个突出的案例。湄公河，干流全长4 880 km，是亚洲最重要的跨国水系，世界第六大河流；主源为扎曲，发源于中国青海省玉树藏族自治州杂多县，流经中国、老挝、缅甸、泰国、柬埔寨和越南，于越南胡志明市流入南海。流域内除中国和缅甸外，均为湄公河委员会成员国。

20世纪末，湄公河下游水质退化问题就已经被识别为老挝、泰国、柬埔寨和越南的跨界问题。但在当时，管理者们发现，可用的数据不能充分评估湄公河流域内的跨界水质问题，为了完善生物数据，管委会提议建立湄公河流域生物监测项目，将鱼类、大型底栖动物、藻类和大型植物作为调查对象，并努力搜集湄公河及其支流的生物和生态学相关信息，为该区域的综合评价做知识储备[24]。

针对上述跨界生物监测的问题，自2003年以来，湄公河管委会已经在各成员国内设置了20～24个监测断面进行年度调查[27]。该监测项目旨在建立湄公河下游 “河流健康”的综合评价，调查经费由国际组织捐赠支撑。在项目实施过程中，管委会挑选当地受过专业训练的工作人员来对不同的生物类群进行监测，同时聘请国际专家进行指导。

该跨界生物监测项目的具体实施过程大致可以分为3个阶段[25-26]：①2003年为初步实施阶段，其研究重点在评估鱼类(用刺网收集)、深水大型底栖动物(用艾克曼抓斗收集)、河滨带大型底栖动物(使用D型网收集)、着生藻类(从岩石或其他硬底质上获取)，这些生物类群连同常规理化指标共同构成湄公河生态健康的评价指标[27]。②全面贯彻实施阶段，较初步研究有2处重要的改变，一个是以硅藻为核心来采集着生藻类，略去了对大型藻类的采集，因为对大型藻的定量采集非常困难；另一个是略去对鱼类的采集，因为鱼类的采集较其他生物类群(硅藻或大型底栖动物)的耗时更长(可能需要几天来完成采集)，再者，鱼类数据还可以从其他渠道获取(如电鱼调查，鱼货市场等)。③常规监测阶段，每年3月(该区域为枯水期)，湄公河委员会的研究者们会调查新的或重复调查以往的点位来完成生物监测，与此同时，研究者们也将种类丰度、丰富度和污染耐受个体所占比例等指标纳入了常规的分析项目当中。

值得一提的是，为了完善该生物监测项目，研究者们不仅使用了单变量分析，还使用了物种分类组成及其他多变量的分析方法，以此来监测生物区系的时空演变及其与环境因子的相关性[28]。

2.3非洲

非洲境内有2条著名的跨界河流，尼罗河和尼日尔河，分别为非洲的第一和第三大河流，其在全洲的流域面积均超过了100万平方公里。这2条河流不仅跨越多个国家，而且在这些国家的社会经济发展中起着重要的作用。

尼罗河是迄今为止缺乏流域一体化管理的跨国河流之一，由于历史、地理和发展等因素，尼罗河水资源利用中的不对称现象明显，因此，很长一段时间以来，尼罗河流域不存在跨界合作监测项目。尽管如此，部分研究者还是对尼罗河流域进行了一定的生物调查工作：研究者在对尼罗河的调查中，综合考虑流域特点和指示生物的普适性，选用了不同的采样方法来采集大型底栖动物[29]。结果显示，人工基质的采样效率比抓斗式采泥器效率高，为了收集1个点位内的全部底栖动物类群，需采集15斗泥或安置5个人工基质采样器。为了更有效地设计生物监测项目，研究者们还对该流域底栖动物的采样季节和频次进行了研究，例如，要详细了解底栖动物的生活史，则需进行频繁监测，按月进行生物调查；而如果是为水质管理服务的快速生物评价，则1年只需进行1～2次采样。

此处，以尼日尔河为例，来了解非洲跨界河流生物监测的应用现状与运行机制。尼日尔河，作为西非最大的河流，全长4 184 km，流域面积209万平方公里。发源于几内亚富塔贾隆高原东南坡，流经马里、尼日尔、贝宁、尼日利亚等国，注入几内亚湾。

对尼日尔河进行跨界生物监测要追溯到20世纪70年代。1974年，非洲西部国家在尼日尔河流域内使用杀虫剂去除盘尾丝虫病，这项灭虫工程一直开展到2002年，涉及到11个西非国家，并以此来控制人体内寄生虫的传播[30]。然而，在河流中长期大量使用杀虫剂会造成大范围的环境损害。为了评估该流域内的生态环境状况，各成员国间建立了跨界生物监测项目[31]，该项目的具体实施由独立的生态监管委员会管理[32-33]，并且所有调查经费均由国际捐赠者资助并由世界银行来管理。

尽管该生物监测项目由11个西非国家来承担，常规的生物调查仅由4个国家完成(布基纳法索、科特迪瓦、加纳以及几内亚)，而其他7个国家(塞内加尔、马里、尼日尔、贝宁、多哥、几内亚比绍以及塞拉利昂)则负责定期或短期的监测[34]。生物类群的选择方面，鱼类和大型底栖动物始终被选作指示生物；在监测频次上，枯水期进行逐月调查，丰水期也尽量保证每月采样1次；采样方法上，鱼类的采集多使用刺网，大型底栖动物的采集则使用索伯网；在后续处理方面，由专业人员对采集的样品进行分类鉴定与计数，并完成种类组成、丰度、丰富度的分析。

3 不同生物类群监测方法的特点分析

在前述案例中，藻类、大型底栖动物以及鱼类是研究者们优先考虑的生物调查对象，其中以大型底栖动物使用最为广泛，然而，在实施生物监测项目之前，必须理清各种生物类群的环境指示特点(表2)以及不同采样方法的优缺点(表3)，以便更好地开展生物调查工作。

表2　藻类、大型底栖动物及鱼类的环境指示特点

表3　藻类、大型底栖动物及鱼类采样方法的优缺点[43-44]

续表3

类群采样方法优点缺点大型底栖动物天然基质法(网捕法、抓斗法)人工基质法(石笼法)每次采样只往返1次，整体成本及工作量低样品可变性大，需要更多重复抽样调查网捕法可以对特定生境进行采集，代表性高网捕法的处理时间较长，成本较高抓斗法能有效地在深水生境采集样品，且采集的物种丰富度较其他方法高抓斗法对底质要求较高，携带不方便，样品处理过程中会“冲失”生物体可以在难以有效采样的位置采集样品基质需要回收，且难以运输和保存可以排除采样的主观性，使样品标准化周期长，对快速生物评价的时效性低降低了生境差异的混淆效应和采样可变性样品的代表性较差鱼类电鱼法网捕法使得样品采集量标准化采样效率受水体浊度和电导率影响较大采样耗时短，所需的人力少对鱼类的伤害性较大对鱼的选择性小，且适用于各种生境采样人员操作时危险系数较大采样成本较低对经验与技术要求较高，且耗人力采样工具易于运输和保存样品的可变性较强采样不受水质参数限制且对鱼类伤害较小受河流底质及水体流速影响较大

4　建议

生物监测正越来越多地应用于国际跨界河流的健康评价工作当中。在中国，跨界河流的生物监测还有大量工作要做(如黑龙江的跨界生物监测工作还处于启动探索阶段)。

1)在监测项目开展前期，须指定专职人员或部门对项目进行实时协调与管理，并严格界定各成员国的流域监测及管理责任；在每个跨界成员国认可的基础上，制定一项全流域内普遍适用的实施方案(如协调生物监测的频次和时间、统一生物监测的类群及方法)。

2)在监测频次上，应充分考虑流域的环境条件、生物类群的时间变化特点、调查目的及人力、费用投入，确定调查频次和调查时间(如对全流域的环境基线调查，可以考虑第1年每季监测1次，之后可每年1次；流域内不同区域的常规监测可以考虑每季调查1次，尤其对受季节性影响显著的监测区域，应当进行逐月调查)。

3)在生物类群选择上，应根据监测的水体类型以及特定目的，充分考虑每个类群的优点、生命周期，并结合区域的环境特点，选择适合的水生生物类群。溪流及浅水型河流生物监测的常用生物类群为着生藻类、大型底栖动物以及鱼类，深水型河流生物监测可以选择浮游藻类作为着生藻类的补充。另外，较大范围内环境变化的长期(几年)效应监测，首选鱼类；环境变化的短期效应评价，则选择大型底栖动物或藻类。在充分达到既定监测目的的前提下，调查类群可以根据现场采样条件以及人员、仪器的配备情况酌情增减。

4)在采样方法的选择上，应充分考虑河流的水文形态、底质类型以及采集成本。溪流及浅水型河流生物监测中，适宜选用天然基质(刮石)法采集着生藻类样本，选用网捕(D型网、索伯网)法采集大型底栖动物样本以及在获批条件下选用电鱼法采集鱼类样本；在深水型(不可涉水)河流中，适宜选用人工基质法或直接采水法获取藻类样本，选用抓斗(深水区)和网捕(河岸可涉水区)相结合的方法采集大型底栖动物样本以及在渔业部门的协助下选用网捕法采集鱼类样本。

5)在样品的分类鉴定过程中，可以将分类检索表重点放在区分不同的生物种类而不仅仅是鉴定和描述这些种类本身；或者将重点放在确定的种类上，比如蜉蝣目(蜉蝣)、襀翅目(石蝇)、蜻蜓目(石蛾)，这些都是容易鉴定的种类，并且这些种类能对更多的污染变化作出响应；还可以选用不涉及鉴定的方法，比如顺序比较指数法(the Sequential Comparison Index, Resh 1995)[9]。

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