松花江流域水生态环境质量评价研究

阴 琨，李中宇，赵 然，许人骥，白 雪，刘廷良，吕怡兵，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

河流是一类非常重要的自然生态系统，如果河流水质遭到污染或者水利工程的影响，会使自然状态的河流结构受到不同程度的破坏，生物多样性丧失，诸多生态功能也因此而减弱或丧失［1］。20世纪七八十年代，各国针对河流水生态环境质量和河流中水生生物的保护，发展出多种评价方法［2］，如美国的快速生物评价方案(RBPs)中利用的生物完整性指数(IBI)评价法［3-4］，欧盟水框架指令(WFD)中的多要素评价系统［5］，英国和澳大利亚的河流预测、分类系统［6-10］。

Karr［4］于1981年提出了基于河流鱼类完整性指数(F-IBI)的评价方法，并对生物完整性进行了定义，即支持和维持一个具有物种组成、多样性和功能性组织的，平衡的、完整的、有适应性的生物群落的能力［11］。在一个流动的水系统中，生物完整性依赖于河道的水流、能量输入、水质质量、生物间的相互作用和生境结构［12-13］。所以生物完整性可以反映河流的生态质量状况。随着IBI应用研究的深入，IBI已经被发展出不同生物类群的完整性指数，如大型底栖动物［14］、硅藻［15］、浮游动物和浮游植物［16］等，被应用到在可涉类河流、不可涉类大型河流及不同尺度范围的评价研究中。国内学者在东江［17］、辽河流域［18］和漓江［19］开展了利用生物完整性指数的评价研究。

松花江是我国七大河流之一，随着松花江沿岸工业的迅速发展和城市化进程的加快，工业废水和生活污水排放量增加，流域开发日益加剧，使松花江流域水环境污染越来越严重［20］。本文为了研究松花江流域目前的河流水生态环境质量状况，开展了完整性指数的评价研究，建立了适用于松花江流域水生态环境质量评价的生物完整性指数，为松花江流域水生态环境质量变化的监测和评价提供了科学依据。

1 研究区域与研究方法

选择IBI法评价松花江流域的水生态环境质量。IBI法可利用大型底栖动物、藻类的多项参数信息，从生物完整性角度进行评价。IBI法涵盖的信息相对于单个生物指数评价法更全面、丰富，可以得到更科学、更有针对性的评价结果。方法的重点在于确定参照位点和选择候选生物参数。参照条件可采用已有文献方法，也可根据研究区情况具体确定。候选生物参数必须符合的条件:①与研究的生物类群或生物群落以及指定的项目目标具有生态相关性;②对环境压力具有敏感性，其响应能够与自然变化区分开。根据中国环境监测总站发布的《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》中提供的参数选择方法，一般选择以下六大类代表性参数:代表生物类群多样性或多样化的丰富度参数;代表优势度的物种组成参数;代表敏感性的耐受性参数;生物多样性参数;代表取食策略及功能团的食性或习性参数;生物量参数。在得到的候选参数基础上严格按照敏感性、相关性等筛选参数的方法进行，即可得到用于流域评价的核心参数，建立针对各流域有专一性的IBI评价体系。

1.1 研究区域

以松花江流域为研究区域，研究的河流包括黑龙江、松花江干流、牡丹江、嫩江、梧桐河和第二松花江。松花江流域跨黑龙江、吉林、内蒙古，流域面积为5.333×105km2，松花江干流的年平均气温为2～4℃，流域内多年平均降水量为500～700 mm，降水期主要集中在6—9月，水面封冻期为11月初至次年4月初［20-21］。底质多以泥沙、碎石和卵石为主，水质轻微浑浊，具有有机毒物污染的典型性特征［22］。

1.2 研究方法

1.2.1 样品的采集和分析

2012年6—7月，对研究区30个采样位点(图1，S1～S30分别为松花江口上、东港、江南屯、呼兰河口下、梧桐河口内、小二沟、宝山、博霍头、瀑布下、江桥、佳木斯上、佳木斯下、同江、阿什河口下、大顶子山、柴河、巴林、成吉思汗、拉哈、浏园、富上、溪浪口、宝龙桥、刘珍屯、南楼、松花江村、松林、朱顺屯、大山、肇源)进行了底栖动物和着生藻类的采样调查。底栖动物和着生藻类的采样分析参照EPA RBP方法［23］及《水和废水监测分析方法(第四版增补版)》［24］。水质指标的监测数据来自2012年1—9月的全国地表水监测数据。

1.2.2 参照位点的确定

由于参照状态的确定在实际操作中尚无统一标准［19］，主要是依据土地使用方式、生境质量和水质理化指标确定参照状态［25］。本文参照位点按照以下2个原则确定:①生境状况 (无明显受人类活动干扰迹象;其上游无点污染源，河岸植被带较好)，根据EPA RBP方法中生境评分标准对生境质量进行评分［23］，其中人类活动和土地利用一项得分大于13分。②有襀翅目昆虫存在［26］。

1.2.3 数据分析和指数建立

Shannon-Wiener多样性指数(H)参考文献［18］;Margalef指数(d)参考文献［27］;Hilsenhoff指数(HBI)参考文献［28］;生物学污染指数(BPI)参考文献［29］;BMWP记分系统参考文献［30］;pielou 均匀度指数(J)参考文献［31］;Palmer指数参考文献［32］。

图1 采样位点分布图

生物各参数间的Pearson相关分析在SPSS 15.0中完成。

1)采用箱线图(box-plot)及IQ值记分法［33］，对参照位点和监测位点的候选参数进行敏感性分析。选择IQ≥2的参数进行相关性分析。

2)对候选指数进行Pearson相关性分析，参照Butcher等的方法［34］，参数间的相关系数|r|＞0.75时，则选择其中一个;|r|＜0.75的参数，可直接保留。

3)采用0～10赋分法［35］对筛选出的核心参数进行记分，统一量纲。

4)将各个核心参数记分值加合计算IBI。

5)IBI的评价标准，采用所有位点指数值分布的95%分位数法:以95%分位数为最佳值，低于该值的分布范围进行5等分，评价等级按照指数分值由高到低分别定义为优、良好、一般、较差、很差。

2 结果与讨论

2.1 种类与分布

2.1.1 底栖动物

本次调查监测到底栖动物共76个分类单元，隶属于水生昆虫、软体动物、甲壳动物和环节动物4个门类中的47个科，主要以水生昆虫数量和种类最多。黑龙江的松花江口上、东港断面分别监测到底栖动物17、15个分类单元，优势种分别为等爪蜉属、大纹石蚕属，数量占总数的45%、79%。松花江干流10个断面监测到的底栖动物分类单元数为6～16个，优势种主要为摇蚊科、大纹石蚕属、多距石蚕属、细蜉属，优势物种数量占22%～74%。牡丹江的柴河、大山分别监测到底栖动物3、4个分类单元，黑龙江短沟蜷、摇蚊科为优势物种，数量占总数的63%、86%。嫩江9个断面监测到的底栖动物分类单元数为4～10个，优势物种主要是纹石蚕属、低头石蚕属、小裳蜉、医蛭属，优势物种数量占31% ～64%。梧桐河的梧桐河口内断面监测到底栖动物分类单元18个，数量占61%的东北田螺为优势物种。第二松花江7个断面监测到的底栖动物分类单元数为0～8个，其中宝龙桥没有监测到底栖动物，优势物种分别为绿石蝇科、钩虾科、无齿蚌、黑龙江短沟蜷、水丝蚓属、颤蚓属，优势物种数量占 50% ～100%。

2.1.2 着生藻类

本次调查监测到着生藻类4个门类，主要以硅藻门和绿藻门植物为主，以异极藻、舟形藻、小球藻、针杆藻、卵形藻为主要优势物种。黑龙江的松花江口上、东港断面分别监测到着生藻类27、13个属，隶属3个门，分别以硅藻门和绿藻门数量最多;藻类细胞密度分别为68 613、6 973个/cm2。松花江干流的10个断面中佳木斯下、同江、肇源、阿什河口下、大顶子山断面分别监测到着生藻类 19、14、22、12、11 个属，隶属4个门，以硅藻门和绿藻门数量最多，所有断面藻类细胞密度为107～70 107个/cm2。牡丹江的柴河、大山分别监测到着生藻类11、10个属，隶属4个门，均以硅藻门数量最多;细胞密度分别为10 400、22 800个/cm2。嫩江的9个断面中小二沟、宝山、富上、江桥断面分别监测到13、10、13、19个属，分别隶属于3个门，均以硅藻门数量最多，所有断面细胞密度为8 114～124 480个/cm2。梧桐河的梧桐河口内断面监测到着生藻类19个属，隶属3个门，以硅藻门数量最多，细胞密度为15 696个/cm2。第二松花江的7个断面中瀑布下、宝龙桥、南楼断面分别监测到着生藻类10、8、13个属，隶属3个门，分别以蓝藻门和硅藻门数量最多，所有断面细胞密度为93～250 500个/cm2。

2.2 IBI的建立和评价结果

根据参照位点的确定方法，从30个采样点中筛选出10个位点作为参照位点，为S1～S10;S11～S30共20个位点存在一定程度的受损情况，作为监测位点。通过IBI建立的参数筛选方法，对底栖动物总分类单元数(M1)、密度(M2)、优势种比例(M3)、EPT分类单元数(M4)、EPT密度(M5)、摇蚊分类单元数(M6)、敏感种分类单元数(M7)、敏感种分类单元比例(M8)、敏感种数量(M9)、敏感种数量比例(M10)、耐污种分类单元数(M11)、耐污种分类单元比例(M12)、耐污种数量(M13)、耐污种数量比例(M14)、Shannon-Wiener多样性指数(M15)、Margalef丰富度指数(M16)、Hilsenhoff生物指数(HBI，M17)、生物学污染指数(BPI，M18)、着生藻类总分类单元数(M19)、密度(M20)、优势种的污染指数值(M21)、Shannon-Wiener多样性指数 (M22)、Pielou均匀度指数(M23)、Palmer指数(M24)、BMWP记分系统(M25)共25个候选参数进行敏感性分析，得出 M1、M4、M5、M7、M8、M9、M10、M17、M25 9个参数的敏感性比较好(见图2)，可以区分干扰位点和未干扰位点的生物质量状况，将9个参数进行下一步相关性分析。

对以上敏感度较好的9个参数进行Pearson相关性分析，结果如表1所示，M5、M9的|r|＜0.75，可以直接保留参与评价;另有4组参数的|r|＞0.75，需要从这4组中筛选去除重复信息的参数:M1与 M4、M7、M25;M4 与 M7、M25;M7 与M8、M25;M10与M17。M1携带的信息量大，保留M1;M4反映了敏感种的信息，保留M4;上一组舍去了M7和M25，此组保留M8;M17反映了物种耐污程度的信息，保留M17。所以最后筛选出M1、M4、M5、M8、M9、M17 作为核心参数构成松花江IBI评价的指标。

表1 9个参数的Pearson相关性分析结果

图2 9个参数的箱线图分析结果

这6项核心指标包含了物种种类、敏感物种丰度、敏感物种种类和比例及物种耐污程度等几方面的信息。其中总分类单元数、EPT分类单元数、敏感种丰度等这些指标也是在辽河、漓江等其他水体常用到的 IBI评价指标［17，36-39］。

采用0～10赋分法将筛选出的6个核心参数统一量纲，计算各参数的分值，统计结果见表2、表3，将统一量纲后的参数值加合计算IBI总分(见表3)。采用所有位点指数值分布的95%分位数法，划分IBI的评价等级，评价等级按照指数分值由高到低分别定义为优、良好、一般、较差、很差。

表2 参数的分值统计结果

表3 各采样位点IBI评价结果、水质类别和生境质量

根据表4中IBI评价等级划分标准，对30个位点的水生态环境质量进行了评价，评价结果如表4所示。目前松花江流域各位点30.0%水生态质量状况为优和良好，23.3%为一般;46.7%为较差和很差，说明流域内近一半区域的水生态质量存在不同程度的受损。

表4 IBI评价等级划分标准

IBI法是一个可以对复杂系统的生物状态进行评价的有效的评价方法，目前已经在国内外多条河流中得到广泛应用［40］。本文对建立的IBI评价体系进行有效性的验证分析。从参照位点和监测位点IBI的箱线图比较结果(见图3)可以看出，2个箱体没有重叠区域，说明建立的IBI评价指标可以有效区分未显著受干扰位点(参照位点)与受干扰位点(监测位点)的状态，评价指标适用于松花江流域的水生态环境质量评价。同时，在IBI法的研究中，还建立了以人类活动和土地利用一项得分大于13分及有襀翅目昆虫存在2个原则来确定参照位点的方法，有效性验证结果也说明这2个原则适用于松花江流域的河流评价。由于IBI法评价的准确度依赖参照状态的确定［41］，已有多位学者提出了不同的原则来确定参照位点［18，36］，但是目前国内外都缺少标准来定义和确定参照状态［42］，本研究中的确定原则在其他河流中的适用性还需要进一步的研究。

2.3 生境与水质质量状况

根据表4数据分析显示，松花江流域有一半调查位点的生境质量处于一般状态，比例为53%;30%的位点生境质量达到了良好状态，另有17%的位点生境状态比较差，这部分位点受到干扰和破坏比较重。总体上分析，松花江流域生境质量主要处于一般－良好的状态，一部分位点生境状况受破坏比较重。

水质监测数据(见表3)表明，松花江流域III类水质的达标率为67%，IV类和劣V类超标位点所占比例为33%。虽有个别位点污染比较重，总体水质仍以III类为主，处于轻度污染状态。超标项目为 CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP 等指示有机污染和N、P营养元素污染的化学因子。

2.4 水生生物和水环境状况的历史变化

松花江干流哈尔滨江段，据白羽军等［43］的研究数据显示，在1991—1999年着生藻类以硅藻和绿藻为主，优势种以直链藻、小环藻、舟形藻等寡污带-中污带指示种为主，水体存在污染但污染较轻。本研究调查数据显示，该江段优势物种仍以中污带指示种小球藻、针杆藻为主。藻类Pielou均匀度指数值为0.82～1.01，水体质量为轻污染或无污染状态。同时，底栖动物优势物种以细蜉属、大纹石蚕属等耐污性一般的物种为主，一般和敏感种类占绝大多数，说明水环境污染程度比较轻。综合分析，目前哈尔滨江段水生生物状态趋于好转，水环境状况以一般-轻污染为主，呈现改善的趋势。

芦晏生［44］的研究表明，1980—1982 年佳木斯江段着生藻类主要出现绿裸藻、衣藻及硅藻门的一些耐污种。污染生物指数表明水体质量处于多污带。本次调查中，佳木斯江段着生藻类以寡污带指示种异极藻为主，Pielou均匀度指数评价水体质量处于轻污染-中污染状态。底栖动物BPI评价水体质量处于β-中污染状态。总体分析，相较于20世纪80年代，目前松花江佳木斯段水生生物状态和水环境状况都有不同程度的改善。

牡丹江段，在本次调查中着生藻类香浓多样性指数评价水体质量为轻污染-清洁状态。底栖动物BPI评价水体质量为轻污染-中污染。总体上，2012年牡丹江处在轻污染的状况。据王立华等［45］的调查数据，在1994—1995年牡丹江藻类Menhinich多样性指数评价水体质量为轻污染到重污染状态，1994—1995年，牡丹江水环境状况处于由β-中污染向α-中污染过渡。说明松花江流域牡丹江的水环境状况较20世纪90年代末得到比较明显的改善。

根据 1980—1982 年的生物调查数据［44］，嫩江和第二松花江下游2个江段以鱼腥藻等β-中污染带生物居多，水体质量处于β-中污染状态。本次调查中，嫩江的着生藻类以指示寡污-中污的藻为优势种，Pielou均匀度指数评价嫩江干流主要为中污染状态，其支流为轻污染-无污染的状态。底栖动物优势种以耐污性敏感或一般的种类为主，BPI主要为0.1～0.4，水体质量为清洁-轻污染状态。第二松花江以指示耐污-中污染的藻为优势种，Pielou均匀度指数评价第二松花江的水体质量以轻污染为主。其下游底栖动物优势种为指示耐污种。BPI评价显示，下游水体质量处于中污染-重污染状态，上游质量较上游好，处于轻污染状态。总体分析，目前嫩江的水生生物状态和水环境状况均较好，比20世纪80年代有了明显的改善;第二松花江下游污染较重，上游水环境质量相对良好。

综合分析，松花江流域各江段的水生生物状况以及水环境质量都呈现不同程度的改善。目前松花江流域主要处于一般到轻度污染的状态。分析认为，这些变化与近年“十一五”、“十二五”连续10年开展的松花江污染治理和水环境保护工作有关系。研究结果也表明，保护和治理工作使松花江流域各江段水环境质量得到了逐步的改善。

3 结论

对松花江流域30个位点的生物群落采样调查结果显示，着生藻类主要分布在硅藻门、绿藻门、蓝藻门3个门类。底栖动物主要分布在水生昆虫、软体动物、甲壳动物和环节动物4个门类，优势物种为等爪蜉属、大纹石蚕属、摇蚊科、纹石蚕属、低头石蚕属、多距石蚕属等水生昆虫。与历史数据比较，目前松花江流域各河段的水生生物状况及水环境质量均有不同程度的改善。

建立的IBI评价结果显示，松花江流域各位点30.0%水生态质量为优和良好，23.3%为一般，46.7%为较差和很差，说明流域内近一半区域的水生态质量存在不同程度的受损。松花江流域生境质量主要处于一般-良好的状态;水质以III类为主，超标因子主要为有机污染和N、P营养元素。

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的支持和帮助!

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