松花江流域水生态环境中生物与生境和化学要素间的关联性研究

阴 琨，赵 然，李中宇，许人骥，刘 允，吕怡兵，刘廷良，滕恩江，杨 琦，王业耀

1．中国地质大学，北京 100083

2．中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

3．黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056

在河流水生态系统中，生物、生境和水质化学是非常重要的3个组成要素。各要素之间存在一定的影响关系，综合反映在整个河流水生态系统质量变化中。基于以上的关系，使得分析三者间的关联性对于了解一个系统的状态和变化非常重要。目前，国内外开展的水生态环境评价的研究中，已有不少都分析了3个要素间的关联性［1-2］。

生境作为其中重要的组成部分，在整个河流水生态系统中发挥着至关重要的作用。美国有研究发现，不同生态区的栖息地环境差异对生态系统的影响显著［3-4］。另外，水质的污染程度及化学污染物质的浓度变化也会对河流水生态系统中生物状况的变化产生非常显著的影响，反映出生物完整性的改变［5］。

各国针对河流水生态环境质量和河流中水生生物的保护有多种评价方法［6］。欧盟水框架指令(WFD)［7］的综合评价中，利用生物、生境和水质化学3个要素间的关系链条确定河流生态质量状况，并将生物质量要素作为首要考虑的因素。WFD对水生态状况评价的意义在于，必须说明水生生物与环境压力间的关系［8］。英国和澳大利亚建立的预测模型评价方法［9-13］，利用大型底栖动物监测河流生物质量，模型建立在利用理化指标预测生物种群的基础上。说明分析各要素间的关联性和相互影响对于了解和评价一个河流生态质量的变化有着非常重要的意义。

由于沿岸工业的迅速发展和城市化进程的加快，造成了松花江流域的水环境污染［14］。但近几年，随着对松花江流域保护的重视，国家在“十一五”和“十二五”期间开展了大量的针对松花江流域的污染治理工作，使松花江水质有了明显的恢复和改善。该文对松花江流域进行了采样调查，利用生物完整性指数(IBI)法评价了松花江流域的水生态环境质量，开展了针对其生物参数与生境参数和水质化学参数间关联性的研究，分析了影响松花江流域水生态环境变化的环境压力因素，为环境管理部门更好地保护松花江流域水生态环境质量、采取污染防治措施提供了重要的科学依据。

1 研究方法

1.1 样品的采集

调查区域选定为松花江流域。根据2012年地表水监测数据，松花江流域总体呈轻度污染，干流水质良好;支流为轻度污染。流域具有有机毒物污染的典型性特征［15］。2012年6—7月，对研究区30个采样点进行了底栖动物和着生藻类的采样调查。在松花江干流上游设置了5个采样点，分别为S30肇源、S28朱顺屯、S14阿什河口下、S4呼兰河口下和S15大顶子山;在松花江干流下游设置了4个采样点，分别为S11佳木斯上、S12佳木斯下、S3江南屯和S13同江;在松花江支流的雅鲁河、诺敏河、嫩江、伊通河、饮马河、第二松花江、牡丹江和梧桐河上共设置了19个采样点，分别为S17巴林、S18成吉思汗、S6小二沟、S7宝山、S8博霍头、S19拉哈、S20浏园、S21富上、S10江桥、S23宝龙桥、S25靠山南楼、S9瀑布下、S22溪浪口、S26松花江村、S27松林、S24刘珍屯、S29大山、S16柴河和S5梧桐河口内;在黑龙江上设置了2个采样点，分别为S1松花江口上和S2东港。S1～S10为参照点;S11～S30为监测点。采样、保存和实验室分析参照EPA RBP生物快速评价方案［16］及《水和废水监测技术方法(第四版增补版)》中相关要求进行［17］。

1.2 生境和水质理化指标

借鉴EPA RBP生物快速评价方案［16］，参考郑丙辉等［2］的栖息地评价指标，采用由10项指标组成的生境评价方法:调查底质组成、生境复杂性、速度与深度结合性、河岸稳定性、河道变化、河水水量情况、植被多样性、水质状况、人类活动强度、河岸边土地利用类型。利用参照点生境评分分布的25%分位数法对生境质量进行评价，即生境评分大于参照点生境评分的25%分位数，生境质量为良好;将小于25%分位数的分布范围，进行3等分，评价结果由高到低分别为一般、较差、很差。

pH、溶解氧(DO)、电导率、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)等水质监测数据来自2012年1—9月的全国地表水监测数据。分析方法及水质标准按照地表水环境质量标准［18］进行。

1.3 评价方法

按照IBI的建立方法对松花江流域水生态环境质量进行评价［19］。IBI的评价标准，采用所有采样点指数值分布的95%分位数法建立，评价等级按照IBI分值由高到低分别定义为优、良好、一般、较差、很差共5个等级。参照点以生境状况中人类活动和土地利用一项得分大于13分和有襀翅目昆虫存在这2个原则确定。

各参数间的Pearson相关分析在SPSS 15.0中完成。

2 结果与讨论

2.1 IBI的建立和评价结果

根据IBI建立的方法，研究确定S1～S10作为参照点，其余20个点作为监测点。利用底栖动物和着生藻类的调查数据，计算得到总分类单元数、密度、优势种比例、敏感物种分类单元数等共25个候选生物参数，通过敏感性分析、相关性分析，去除辨别力低的参数和冗余信息，最终筛选出总数量、EPT分类单元数、EPT密度、敏感种分类单元数、敏感种分类单元比例、Hilsenhoff生物指数(HBI)6个核心参数，构成松花江IBI评价的指标。

根据所有采样点指数值分布的95%分位数法划分IBI评价等级标准:IBI＞35.84为优;IBI=26.88～35.84为良好;IBI=17.92～26.88为一般;IBI＜8.96为很差。研究区调查的30个采样点的IBI评价结果如表1所示。参照点中，50%评价为优，40%评价为良好和一般，仅10%评价为较差;20个监测点中，65%评价为较差和很差，25%评价为一般，评价为优和良好的占10%。

表1 各采样点IBI和评价结果

2.2 IBI评价结果与生境质量和水质评价结果间的关系

利用Pearson相关性和散点图，分析了采样点的IBI评价结果与其生境质量间的关系。从图1可见，IBI和生境质量评分间存在正相关关系，生境得分较高的采样点，IBI也普遍较高。参照点的IBI普遍比较高，大部分在21以上，生境质量评分也较高(69～89);IBI在8.2以下的低分采样点，生境质量评分也较低(41～51)。由于栖息地生境与生物群落的关系密切［20-22］，而且在河流生态环境中占有重要的地位，分析生境状况的破坏是影响生物完整性和造成松花江流域水生态环境质量受损的一个重要因素。

图1 IBI与生境质量的相关性散点图

根据各采样点水质参数1—9月的平均值监测数据分析(见表2)，松花江流域水质污染主要的超标项目为 CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP。调查区域水质以III类水质为主，水质达标采样点比例占67%。S1、S11等6个采样点为IV类水质，S14、S25 2个采样点为劣V类水质。IBI评价结果对于劣V类的2个采样点均评价为较差;III类水质各采样点中除生境评分比较低的，IBI评价结果基本在一般到优的等级，虽然IBI结果同时还受到生境质量的影响，但总体上IBI评价结果与水质是基本符合的。

表2 各采样点水质参数和生境评分

2.3 生物参数与生境和水质参数的关系

对10项生境参数与26项生物参数间的相关性进行了分析。表3结果表明，除河岸土地利用类型外，其他9项生境参数分别与不同的生物参数间呈现出显著或极显著的相关性，这进一步说明了流域的生境状况会对河流水生生物状态产生影响作用。其中，生境总得分与EPT分类单元数、敏感物种分类单元数、底栖动物 Shannon-Wiener多样性指数等多项生物参数间存在显著/极显著的正相关;同时，生境总得分与耐污种分类单元比例、生物学污染指数间存在显著/极显著的负相关。其次，速度与深度结合性、河岸稳定性、河水水量情况等指示河流水文和河岸状况的生境参数也与多项生物参数间存在不同程度的相关关系。总体上呈现出与表征生物质量良好、水质清洁的生物参数存在正相关，与指示水体污染的参数存在负相关，这说明河流水文和河岸参数对河流水生生物状态也会产生比较显著的影响和变化。同时，河流水流情况、植被多样性、水质状况和人类活动强度这4项参数与IBI之间呈现出显著/极显著的正相关关系，说明这些生境条件更明显地引起生物完整性的变化。

表3 生境参数与生物参数、IBI的相关性

对以上这些数据的分析表明，河流的生境质量与河流中水生生物的状况有着非常重要的联系，生境质量受损和退化会显著地反映在生活其中的生物的变化情况，如敏感物种数量和种类的减少、耐污物种数量和种类的增加、耐受污染能力增加等变化。对辽河的研究也表明，辽河栖息地质量与多项底栖动物生物指标显著相关［2］。相关学者在生境对生物影响的关系研究中发现，卵石和大石基岩等好的底质能保持河床稳定性［23］，好的生境条件可以为底栖动物提供稳定且多样的栖息空间，支持多样的底栖类群［24-25］。综上分析，栖息地生境质量的受损和破坏，确实是影响松花江流域水生态质量的一个重要环境因素。为恢复和改善流域的水生态质量，其生境质量应该受到重视和保护。

研究还发现，生境总得分、速度与深度结合性、河岸稳定性等几个生境参数都与着生藻类的Shannon Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数间存在显著/极显著的负相关关系。而通常情况下，多样性和均匀度越高，指示生物状态越好，水体污染越轻［26］，但是本研究数据表明，生境质量的破坏会引起着生藻类多样性和均匀度的增加。底栖动物并没有出现这样的情况，其多样性和丰富度指数都与生境存在正相关关系。分析认为，着生藻类多样性的变化可能是由于耐污种种类和数量的增加所引起，所以这种情况下，着生藻类多样性和均匀度指数不适合单独用于松花江流域的评价，相比底栖动物更适合应用在松花江流域的水生态环境质量评价中。

对超标的水质参数与各生物参数、IBI进行了相关性分析，结果见表4。

表4 水质参数与生物参数、IBI的相关性

从表4可以看出，电导率和溶解氧与多项着生藻类的生物参数存在相关性，溶解氧与藻类多样性指数、HBI、耐污种数量等呈显著负相关，说明耗氧污染物的减少会使得底栖动物耐污种数量下降，反映有机物污染的指数值也随之下降。电导率与藻类多样性指数呈显著正相关，与底栖动物密度、耐污种数量等呈极显著/显著正相关，与敏感种分类单元比例呈显著负相关，说明有机质污染导致底栖动物耐污种的数量增加，敏感种种类减少，底栖动物总密度的增加分析可能是由于耐污种数量的增加引起的。有研究发现，营养物质浓度的增加，可能引起底栖动物的总密度减小［27］，也可能引起底栖动物总密度增加［28］。CODMn与底栖动物敏感种数量比例呈显著负相关，BOD5、NH3-N、COD、TN、TP 与总密度间呈极显著正相关，6个污染因子与污染指数间呈极显著/显著正相关，这进一步佐证了上述结论。其次，有机质污染引起藻类多样性增加，分析可能是耐污种藻类的产生和繁殖的结果。耐污种数量、耐污种数量比例、HBI及污染指数这4个指示污染程度的生物指数分别与CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP几个超标污染因子显示出不同程度的正相关，这样的结果进一步说明了有机质和N、P等富营养化元素的污染对于松花江流域水中生物的多样性分布，耐污种敏感种的出现和繁殖产生了明显的影响。但IBI并未与这些化学参数显示出明显的相关性，但这并不影响化学污染的压力在单个生物参数上产生的显著影响，虽然利用单个生物参数评价生物质量不够全面，但是可以依赖其寻找潜在化学压力，为水质治理和防护提供有效的数据支持。

河流水生态环境质量的评价，除了了解河流的生物状态，更重要的还是要解决污染因子和生物质量间的关系［29］，这样评价工作才能有效的为河流污染的治理和修复提供有利支持。已开展的相关研究主要集中在分析 BOD5、COD、TN、TP、浊度等综合性的污染因子与生物参数间存在的相关关系上［1，5］，尚没有深入分析直接引起生物状态变化的化学影响因子及其之间的影响方式。目前，在松花江还无法确定其有机污染物的种类，对于针对松花江流域生物状态和特征有机污染因子间的关系的研究，还需要更长时间的研究来进一步了解。

3 结论

IBI评价结果与生境和水质评价结果的分析表明，IBI评价结果与生境质量存在显著正相关，与水质评价结果基本一致。生境状况的破坏和水体污染是影响生物完整性和造成松花江流域水生态环境质量受损的重要因素。同时，研究发现相较于着生藻类，底栖动物是更适合作为松花江流域水生态环境质量评价的生物类群。

生境质量及速度与深度结合性、河岸稳定性、河水水量情况、植被多样性、水质状况等多项生境参数均与多项生物参数存在显著/极显著的相关关系。其次，CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP等水质化学指标与多项生物参数间也存在相关性，说明有机质和N、P等富营养化元素的污染对于松花江流域水中生物分布的变化，耐污种的出现和繁殖、敏感种的减少产生了明显的影响，有机污染压力仍是影响松花江流域生物状态的化学因素。为恢复和改善松花江流域的水生态质量，应该针对流域生境质量和超标化学污染开展相应的保护和控制措施。

致 谢:衷心感谢黑龙江省环境监测中心站及相关各市环境监测站、吉林省环境监测中心站及相关各市环境监测站、呼伦贝尔市环境监测站在基础调查数据方面提供的支持与帮助!

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