松花江底栖动物分布规律及与理化评价差异研究

李中宇，陈 威，胡显安，宋 楠，白 雪，刘 允

1.黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150001 2.佳木斯市环境保护监测站，黑龙江 佳木斯 154001 3.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

松花江是黑龙江省和吉林省的母亲河，是中国七大河流之一，是东北老工业基地生存和发展的命脉。在高消耗、高投入、高污染、低效率的传统经济发展模式下，大量工业废水、生活污水未经处理直接排放，曾给松花江造成了严重的污染危害，特别是有机污染更为突出[1]。松花江沿线的污染不仅造成了松花江全江水体的污染，其出境水质不可避免地对界河黑龙江水质造成一定程度影响[2-3]。2005年松花江水污染事件令国人关心、国际关注[4]。之后，政府先后出台了《松花江流域水污染防治“十一五”规划(2006—2010年)》和《重点流域水污染防治规划(2011—2015年)》，将松花江流域水污染防治工作提到更高的战略位置。环境监测部门亟需用科学的数据反映水环境质量的变化情况，为松花江水污染治理及环境管理提供技术支持和科学依据。

因为能够直接精确反映河流水质，理化监测指标是中国评价水环境质量或水生态系统水质状况的最常用方法。但严格来说，理化指标只代表采集水样那一刻的瞬时水质，并不能直接或全面地反映水质与水生生物之间的关系以及生态系统的健康状况，而且一个断面的水质状况通常需要数十项理化指标来反映，费时费力且成本较高[5]。水生生物监测可以更加综合、全面、客观地反映一段时期内的水环境状况。20世纪50年代起，随着运用生物学参数和指标构建生物指数，评估水生态系统健康状况[6-7]的深入研究，水生生物监测逐渐成为各国评价河流生态环境质量重要的手段。

本文以“十二五”期间松花江干流为期4年的底栖动物群落监测数据为基础，研究底栖动物群落特征、水质生物学评价方法及变化趋势，并结合水质理化监测指标，探讨了“十二五”期间松花江干流底栖动物对水生态质量的响应，对生物学与理化评价结果的差异进行了对比。

1 研究区域概况

松花江流域位于中国东北地区的北部，介于东经119°52′～132°31′、北纬41°42′～51°38′，流域面积55.68万km2。松花江是国内第三大河流，南源的第二松花江，发源于长白山天池；北源的嫩江，发源于大兴安岭的伊勒呼里山。两江在三岔河口处汇合后称松花江。干流全长939 km，由西南流向东北。其中，三岔河至哈尔滨为上游段，哈尔滨至依兰为中游段，依兰至同江为下游段。河宽多为500～600 m，最宽可达800～1 300 m[8]。

2 研究方法

2.1 监测断面的设置

结合松花江干流例行监测工作，根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—200)[9]、监测单位分布及交通状况，共设置11个断面(D1～D11)，见图1。理化监测每个断面设置3个采样垂线(左、中、右)。底栖动物监测除摆渡断面只有一个采样点位外，其他10个断面均分为左、右两个采样点位，共21个采样点位。

2012—2015年，理化指标每年监测8期(除3、4、11、12月外)，利用各监测单位的例行监测数据；2012—2015年,生物指标为每年监测2期，分别在6、9月进行。

注：底图源自国家测绘地理信息局网站(http://219.238.166.215/mcp/index.asp)下载的1∶900万河流水系版,审图号为GS(2008)1306号，下载日期为2016-10-26。断面名称：D1.肇源； D2.朱顺屯； D3.阿什河口下； D4.呼兰河口下； D5.大顶子山；D6.摆渡镇； D7.牡丹江口下； D8.佳木斯上； D9.佳木斯下； D10.江南屯； D11.同江。图1 松花江干流断面设置示意图Fig.1 Schematic diagram of cross sections in Songhua River

2.2 样品的采集与处理

2.2.1 定性采样

手抄网法[10]：在岸边带水体较浅且多石块的区域，采集人左手握紧手抄网深插到河底，网口迎着水流方向，右手将手抄网前面边长50～60 cm区域上的石块捡起，在网前用手将附着的底栖动物剥离，使其冲入网内，然后，用右脚扰动手抄网前面的底质，底栖动物会因受到扰动被冲入网兜，大约扰动30 s提起手抄网，去除里面的石块、草根、树叶等杂质，将采集的底栖动物转移到采集桶内。深水(小于1.5 m)采集时，保持网口与水流方向大致成45°，探到河底，采用“弓”字型向前用力扰动底质，采集长度大约5 m，采集完成，提起手抄网，去除杂质，转移采集的样品。每个点位采集3个深度，分别为20～40 cm、50～80 cm、大于1 m。每个深度4～5个样方。多个样方混合挑捡。

2.2.2 定量采样

篮式采样器[11]：是一种圆柱形铁笼，直径为18 cm，高为20 cm，用铁丝编织(8号、14号)，均匀分布4～6 cm2的小孔，使用时笼底铺0.38 mm孔径的尼龙筛绢，内装拳头大小的鹅卵石，重量约为6～7 kg。两个采样器之间用5～6 m的尼龙绳连接，在每个采样点至少放置2个采样器。用浮漂做标记或用尼龙细绳固定在岸边。

十字筐采样器[12]：是一种长方体采样器，内径长、宽、高分别为40、40、20 cm，在填装基质前，采样室的底部放置0.38 mm孔径的尼龙筛绢，筛绢制作成不封顶的长方体，大小与采样室相匹配。分别装底泥、水草、鹅卵石、砂子。水草需选择在水体中不易腐烂的种类，鹅卵石直径为7～9 cm，在填装基质时，不要将鹅卵石表面或其他基质中的底栖动物带入。

采样深度一般为1 m左右，采样器放置14 d。

2.2.3 底栖动物固定及保存

采样器提出水面后，放置到白磁盘或盆里(以免采到的样品丢失)运到岸边，将卵石捡入盛有少量水的桶里，其他基质分别倒入不同的采样桶。经0.425 mm孔径的分样筛筛选，将生物捡出。用30%的酒精固定，带回实验室。采集结束后在实验室换用70%的酒精，固定液的体积应为动物体积的10倍以上，常温保存。

2.3 数据处理与分析

底栖动物标本尽量鉴定至属或种，记录每个分类单元出现的个体数。数据统计在Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0中完成。

按现阶段底栖动物评价研究的进展程度，在指标选择上，选择一些适用性广、容易获得的指标，然后逐步构建“一河一策”有针对性的指标体系[13]。本研究的单一指数评价选择包括Trent指数、BMWP记分系统、每科平均记分值(ASPT)、生物学污染指数法(BPI)、Chandler生物指数(CBI)、Margalef丰富度指数、科级生物指数(FBI)，按各指数评价等级进行赋值，最大得分为9分，最小得分为1分，利用简单叠加法进行底栖动物的综合评价[5]。综合评价赋值见表1,其中，54～63为极清洁，40～53为清洁，25～39为轻污染，11～24为中污染，0～10为重污染，没有任何生物生存为严重污染。

表1 评价等级赋值Table 1 Evaluation level assignment table

注：“*”表示以9分赋值。

3 结果与讨论

3.1 底栖动物群落时空变化趋势分析

监测期间，松花江干流各点位底栖动物物种较丰富，为3～34种，其中肇源-牡丹江口下江段各点位物种数多在15种以下，佳木斯上-同江江段多在15种以上，整体上从上游到下游物种数明显增加。肇源-大顶子山江段各点位物种数在2013年后比较稳定，多数较2012年有所增加，但水生昆虫尤其是襀翅目、蜉蝣目和毛翅目(EPT物种)增加不明显；佳木斯上-江南屯江段除2014年受洪水影响，其余年份物种丰富，水生昆虫种类多，并且多数点位在2013年以后采集的物种数较2012年明显增加，且增加的物种中水生昆虫尤其是敏感的EPT物种较多，见图2。

注:摆渡镇、牡丹江口下2012年未设采样断面；同江左点位受渔民作业影响，多年采集的效果较差；2014年松花江佳木斯-同江段受洪水影响，采集时间延后，采集的效果较差。图2 “十二五”期间松花江干流底栖动物物种数比较Fig.2 Comparison of species number of zoobenthos in Songhua River during the 12th Five-Year Period

优势种整体年际间变化不大，多数断面都有EPT物种作为优势种，其中肇源-摆渡镇江段优势种的耐污值[14]为3～6，牡丹江口下-同江江段优势种的耐污值为1～6，并且耐污值为1～4的优势物种出现的频率较高，见表2。

表2 松花江干流底栖动物优势种统计Table 2 Statistics of Zoobenthos dominant species in mainstream of Songhua River

3.2 水环境质量生物学评价时空变化趋势分析

监测期间，肇源-大顶子山江段多保持在轻污染状态，2015年肇源左、呼兰河口下左点位评价等级提升到清洁状态；摆渡镇-同江江段多处于轻污染-清洁状态，2015年均达到清洁状态，江南屯右提升到极清洁状态。综合评价为清洁等级以上的点位数从2012年的2个增加到2015年的12个，所占比例从2012年的10%增加到2015年的57%，清洁等级主要分布在中、下游摆渡镇-同江江段。总体上,松花江干流监测期间水生态质量明显改善，其中摆渡镇-同江江段好于肇源-大顶子山江段，详见表3。

表3 底栖动物综合评价结果年际比较Table 3 Comparison of comprehensive evaluation results of zoobenthos in different years

注：“—”表示未采到样品。

3.3 水环境质量理化评价时空变化趋势分析

监测期间，各断面主要理化指标的平均值显示，溶解氧含量高，始终维持在8 mg/L以上，满足Ⅰ类水质要求；五日生化需氧量多数断面在3 mg/L以下，氨氮、总磷、化学需氧量、高锰酸盐指数均满足Ⅲ类水质要求，高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量浓度变化趋势不明显，氨氮浓度呈下降趋势，总磷浓度呈波动状态；总氮浓度值多年较高，呈波动状态，见表4、图3。

表4 松花江干流2012—2015年主要监测指标浓度变化Table 4 Concentration change of main monitoring indicators in Songhua River from 2012 to 2015 mg/L

图3 松花江干流2012—2015年主要监测指标浓度变化趋势Fig.3 Concentration trends of main monitoring indicators in mainstream of Songhua River from 2012 to 2015

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[15]，21项地表水评价中按照相关要求，对监测期间松花江干流11个断面的理化指标数据进行综合评价与分析。结果显示，这11个断面整体处于Ⅲ、Ⅳ类水质，满足Ⅲ类水质的断面从2012年的63.6%增加到2015年的90.9%，其中改善较明显的是牡丹江口下-同江江段，该江段前2年Ⅳ类水质出现的断面较多，后2年均上升为Ⅲ类，见表5。总体上看，水质状况得到了改善，趋势与生物学评价的一致。

表5 松花江干流各断面2012—2015年水质类别比较Table 5 Comparison of water quality at each section of Songhua River mainstream from 2012 to 2015

3.4 生物学评价与理化评价结果差异分析

对2012—2015年理化评价与生物学评价结果进行逐年比较，见表6。相同的评价结果占比分别为62%、19%、38%、33%，评价等级的相关性分析进行一致性检验(Kappa检验)，得到kappa值分别为0.134、-0.287、-0.182、-0.017，2种评价结果之间的一致性非常差，即存在显著差异。

同是理化评价为Ⅲ类水质的断面，生物学评价呈现出极清洁、清洁、轻污染、中污染4种状况。说明生物学评价不仅能够表达出已经监测的各种理化因子的响应，还可能表达出尚未监测的化学成分等环境胁迫的响应。

在理化指标从Ⅳ类向Ⅲ类改善的过程中，生物群落的变化悄然发生，清洁物种的种类、数量明显增加，同一年度生物评价好于理化评价的比例分别为38%、52%、62%、67%，生物评价好于或等于理化评价的比例分别达到100%、71%、100%、100%，对松花江干流进行的生物评价结果要好于理化评价结果，表明生物学评价在松花江干流水质改善的过程中更灵敏，反映出的水生态质量改善更显著。

表6 松花江干流各断面2012—2015年生物学评价与理化评价比较Table 6 Comparison of biological evaluation and physicol chemical evaluation in each section of Songhua River mainstream from 2012 to 2015

4 结语

“十二五”期间松花江干流底栖动物物种较丰富，整体表现为上、中游少和下游多，多数点位2013年后物种数有所增加，后3年下游佳木斯江段各点位物种数大多超过25种以上，水生昆虫尤其是EPT物种分布较多。水生态质量稳中趋好，2015年底栖动物综合评价清洁以上点位12个，占57.1%，主要分布在中、下游摆渡镇-同江江段，其中佳木斯的江南屯右点位已经跃升到极清洁等级，水生态环境质量明显改善。与常规理化监测、评价的量化指标相比，两者之间评价等级存在显著差异，在水质改善的过程中生物学评价更灵敏、更显著。

松花江干流底栖动物群落监测与评价明显反映出生物监测的必要性和可行性，有利于完善我国水质评价指标体系，更好地反映出水生态状况，与国际接轨的同时也能够作为生态文明的监测指标为环境管理提供技术支持。

国内开展生物监测的地区较少，亟待推广并在总结经验的基础上形成具有广泛认同的评价方法，完善水环境评价的标准体系。

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