浦阳江流域(浦江段)的河流生态系统健康评价

何建波，李婕妤，单晓栋，李欲如，毛江枫，王 震，唐 娟，张杭君,4

(1. 杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州 311121； 2. 浙江省环境保护科学设计研究院，浙江杭州 310007；3. 浙江省浦江县环境保护局，浙江金华 322200； 4. 杭州师范大学生态系统保护与恢复杭州市重点实验室，浙江杭州 311121)

河流生态系统在陆地与海洋生态系统之间的能量流动和物质循环中发挥着及其重要的作用.自20世纪80年代以来，人类对河流生态系统的人为干预加剧.河流水大量占用和污染物排放量加大等问题愈加严峻，严重影响河流生态系统的健康[1-2].“河流健康”概念1972年由美国提出，一般来说河流生态系统健康包括在物理、化学和生物组成上以及在生态学功能上的完整性[3-4].为防止水体污染和水体流失等环境问题的日益恶化，在充分掌握河流健康水平的基础上发现现存问题，采取河流健康诊断分析并进行保护和修复.国内外研究学者纷纷展开河流生态系统的健康评价研究[5].溶解有机质(Dissolved organic matter, DOM)普遍存在于河流生态系统中，基于DOM的荧光特性，运用三维荧光光谱技术可以对河流生态系统中的溶解性有机质进行定性定量分析，在河流环境评价中具有较好的可操作性.

浦江县隶属浙江省金华市，是我国最大的水晶玻璃生产基地，水晶生产加工过程中大量污染物排入浦阳江流域，对当地陆地和水生生态系统造成了巨大污染[6].浦阳江流域生态环境保护压力日益增大，经济发展与生态环境保护之间的矛盾凸显.本文针对浦阳江流域(浦江段)的河流特点，运用物理化学和生物学等指标从不同方面反映河流环境健康状况，构建了适用于浦阳江流域(浦江段)的河流健康评价的多指标综合评价体系，以期为河流生态系统健康评估和生态环境修复提供科学准确的理论基础[7].

1 材料与方法

1.1 地理概况与样点设置

图1 浦阳江流域(浦江段)采样点地理分布图Fig.1 Geographical distributions of sampling sites in Puyang River basin (Pujiang section)

浦阳江流域，又称浣江流域，中国东海流入钱塘江支流，发源于浦江县西部岭脚，自西向东经浦江县通济桥水库和诸暨市安华水库，直至从右岸汇入钱塘江浦阳江流域(浦江段).河长49.61 km，流域面积492.62 km2，位于浦江县，金华市北部，东经119°42′～120° 07′，北纬29° 21′～29°41′之间.浦江县属亚热带季风气候，年均降水量1 412.2 mm，年平均气温16.6 ℃，年日照1 996.2 h.

为准确真实反映浦阳江流域(浦江段)河流生态系统健康现状，经实地勘察调研，于2017年7月对浦阳江流域(浦江段)进行采样调查，共选取9个采样点，其地理位置分布如图1所示.

1.2 样品采集与测定

1.2.1 水体理化指标测定

用便携式多参数水质仪(HACH，MS6100)现场测定水温(WT)、pH、溶解氧(DO)和电导率(EC).在现场采集1 L水样带回实验室进行水体理化指标测定，采样点为河流中间点表层以下0.5 m，参照国家地表水质量测定标准，分析总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+N)、化学需氧量(COD)、砷(As)、铬(Cr)、镉(Cd)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)和铅(Pb)在河流水体中的浓度.

1.2.2 河流生物指标获取

每个样点用1/40 m2彼得森采泥器采集河流底泥3次，混合，并用0.5 mm分样筛分筛底泥，放入封口袋，低温保存.将标记好的塑料袋带回驻地，在解剖盘中将底栖动物逐一拣出，洗净，吸干水分，放入贴有标签的含有10%甲醛溶液的广口瓶中，根据底栖动物分类标准，在显微镜下鉴定标本至最低分类单元.

1.2.3 河流FDOM数据获取

每个样点用采水器采取500 mL水样(用预先清洗的聚对苯二甲酸乙二醇脂瓶盛装).样品采集并运回实验室后通过低压抽滤装置，经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后置于-20 ℃冰箱并避光保存，为避免变质水样需在二周内完成测定.数据采用FluoroMax-4荧光光谱仪获取，采用信参比模式收集.单个样品扫描时间约15 min，机器稳定时的信噪比达3 000∶1，水样盛装器皿为1 cm规格的双光面石英比色皿.获得数据进行内滤效应校正(inner filter effects，IFEs)及瑞利和拉曼散射光谱校正，最终获得荧光溶解有机物(FDOM)各组分的荧光强度.

1.2.4 其他指标的获取

浦阳江流域(浦江段)河流水文指标结合专家咨询和实地调查对每个指标进行打分.

1.3 河流健康综合评价指数

通过专家咨询法和现状分析等，借鉴澳大利亚NRHP[8]、美国IBI[9]和英国RIVPACS[10]等国外河流生态系统健康评价标准及我国的《地表水环境质量标准》，确定河流健康多指标评价体系中各指标的评价标准，从而构建了适合于浦阳江流域(浦江段)的河流健康评价指标体系(表1)和评价标准(表2).

表1 浦阳江流域(浦江段)河流健康综合评价指标体系Tab.1 Evaluation index system of river health in Puyang River basin (Pujiang section)

表2 浦阳江流域(浦江段)河流水文指标、河流生物指标和河流FDOM指标的评价标准Tab.2 Assessment criteria for the hydrologic, heavy metaland aquatic organisms subindex of the Puyang River basin (Pujiang section)

续表2

1.3.1 权重的确定

本研究设计浦阳江流域(浦江段)河流生态系统健康评价指标权重系数.问卷表根据 AHP分析方法，由生态环境领域相关专家通过各指标层之间的相对重要性和二级指标相对于一级指标的重要性分析给出判断值，构建判断矩阵，并进行层次单排序和层次总排序得到各指标权重值[11].问卷表总共发放15份，收回13份，其中有效问卷13份.

1.3.2 评价方法

河流生态系统健康评价[12]分3步：1)二级指标评分依据各指标评价标准获得各二级指标值(得分在1—5之间)；2)一级指标评分通过对二级指标进行加权平均计算，并将各一级指标进行标准化获得一级指标的得分(得分在1—5之间)；3)河流生态系统健康综合指数通过对一级指标进行加权平均法计算获得，将该健康指数划分为4

此外，基于浦阳江流域(浦江段)河流水环境污染状况，本文采用总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH4+N)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、电导率(EC)、砷(As)、铬(Cr)、镉(Cd)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)和铅(Pb)等15个指标反映水体理化性质.根据地表水环境质量标准(GB3838—2002)，分别将达到Ⅰ类水、Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ水和Ⅴ类劣Ⅴ类水质量标准的指标赋值1—5分.根据生物完整性指数(Index of Biotic Integrity, IBI)对生物多样性进行赋值.

2 结果

2.1 河流健康综合评价

浦阳江流域(浦江段)的河流评价指标分值表见表3，评价结果见图2和图3，其中健康的点位有2个，占22.2%；亚健康等级的点位为3个，占33.3%；轻微病态等级的点位为4个，占44.4%.结果分析表明，检测的点位健康水平整体处于亚健康状态，没有出现病态和差状态的点位.

表3 浦阳江流域(浦江段)河流评价指标分值Tab.3 River Evaluation Index score of the Puyang River basin (Pujiang section)

图2 浦阳江流域(浦江段)河流生态系统健康评价结果Fig.2 Rive health assessment index scores of the Puyang River basin图3 浦阳江流域(浦江段)河流生态系统健康总得分(标准化)Fig.3 Total score of river ecosystem health of the Puyang River basin(Standardization)

浦阳江流域(浦江段)检测的点位中，河流水文指标中点位1、6、7、8和9得分较低，因为这些点位基本处于河流的主河道，河流面纵宽较大，水流速较为稳定，生态系统异质性不高，不足以支持河流水生生物的生物多样性；水体理化指标中点位6、7和9的得分比较低，分数均在3分以下，主要原因是受到下游区域的城镇生活污水、农业灌溉废水和工业生产废水的影响，主要的污染物为高浓度有机废水；水体重金属指标中点位6、7、8和9的得分都在3分以下，因为该几个点位都处在水晶玻璃工艺制品销售、加工的主要集散地附近，导致As和Cr含量较高.河流生物指标中点位3、6、7、8和9得分偏低，主要是因为河流水质受到工业废水中重金属的影响，导致河流底栖动物无法适应生存.

河流健康水平较高的点位大都比较接近通济桥水库，通过分析采样点的得分情况可得，从河流的上游至下游，河流整体健康水平逐渐下降.浦阳江流域(浦江段)上游点位2和4的得分都为4.02，明显高于下游的点位，河流水体自上而下，河流健康综合评价分值也随之降低.因为河流上游地区当地的通济桥靠近水库，植被覆盖面积大，生物多样性较高，基本处于自然状态；河流中下游靠近城镇区域，此区域工业产业和农田面积较上游增加，产生的工业废水和农业化肥大量流入导致河流健康水平下降.得分低的点位周围均为达到一定规模的工业区和生活区，可见城镇化和工业化的不断发展会对河流健康产生负面影响.

2.2 河流水体理化指标与FDOM荧光强度的相关性分析

本文把水体的FDOM荧光强度指标引入到河流健康评价体系中，水体中的溶解性有机质构成成分多样化，且有着不同的水域环境，因此每个水体的溶解性有机质的特征也不同，水体的FDOM荧光强度可以一定程度上表征水体受污染程度.由表4的相关性数据来看，类蛋白荧光峰D与类蛋白荧光峰T以及类蛋白荧光峰T与类腐殖质荧光峰C呈现显著的正相关(P<0.01)，相关性系数分别为0.673和0.743，其它的各类荧光峰之间都没有呈现出显著的相关性，由表4荧光强度测定值观察可得，水体中的类腐殖质荧光峰A的值在每一个采样点均呈现出最高值.类蛋白荧光峰D荧光强度与氨氮呈现出显著正相关(P<0.01)，相关性系数为0.689；类蛋白荧光峰D荧光强度与总氮呈现正相关(P<0.05)，相关性系数为0.533；总磷与类腐殖质荧光峰C之间呈现显著负相关(P<0.05)，相关性系数为-0.548；类腐殖质荧光峰C荧光强度与盐度和电导率呈现显著正相关(P<0.05)，相关性系数分别为0.502和0.501.在荧光总值(D+T+C+A)、类蛋白荧光总值(D+T)、类腐殖质荧光总值(A+C)与各类水质参数的相关性结果中，只有氨氮与荧光总值(D+T+C+A)呈现出显著正相关(P<0.01)，相关性系数为0.599，其余均没有呈现出显著相关性.

表4 水质参数与溶解性有机质荧光强度的Pearson相关性分析Tab.4 Pearson correlation analysis between water quality parameters and the fluorescence intensity of dissolved organic matter

注：*显著性水平为P<0.05；**显著性水平为P<0.014.

3 讨论

本文在充分借鉴国内外河流生态系统健康评价体系研究的基础上，根据浦阳江流域(浦江段)的河流自身特点，在河流水文、水体理化性质、水体重金属、河流生物和河流FDOM5个指标层选取23个二次指标构建了浦阳江流域(浦江段)河流生态系统健康评价指标体系.根据我国及金华市当地标准的基础上，确立了各指标层下指标的评价标准，并根据河流生态系统健康程度将健康水平划分为5个等级，“健康、亚健康、轻微病态、病态、差”.根据建立的河流健康评价指标体系，在相关专家的建议下，采用层次分析法确立其评价权重，再利用加权平均法对浦阳江流域(浦江段)9个样点进行了健康评价，河流健康综合指数的值在4—5之间，其中“健康”的监测断面有2个，占22.2%；“亚健康”等级的样点为3个，占33.3%; “轻微病态”等级的样点为4个，占44.4%；“病态”和“差”等级的样点为0个，浦阳江流域(浦江段)河流健康状况总体处于“亚健康”级别.

利用9个点位的水体理化指标和FDOM各组分的荧光强度，在SPSS软件下统计分析了部分水体理化指标与FDOM组分荧光强度指标间的相关性，结果表明类蛋白荧光峰D荧光强度与总氮和氨氮呈显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.533和0.689；类腐殖质荧光峰C荧光强度与总磷、电导率和盐度呈显著相关(P<0.05)，相关系数分别为-0.548、0.501和0.502.本研究发现TP浓度与富里酸类物质和腐殖酸类物质显著相关，与芳香蛋白类物质含量呈显著正相关，表明河流水体的荧光指数变化情况可以反映水质中TP浓度，因此对水体进行荧光参数测定可作为水质监测的方法之一[13].且荧光光谱技术有着测出限低、灵敏度高、无需样品提取以及能有效判断水体中溶解性有机质组成的特点，可以在一定程度上利用各荧光组分荧光强度表征水质参数的变化情况，为河流水资源保护提供一定的依据.

通过研究发现浦阳江流域(浦江段)的河流健康状况虽然处于中等水平，但是如果不对工农业发展及城镇化发展加以控制，则会继续加剧其对河流生态系统健康的影响.浦阳江流域(浦江段)的健康状况表明浦阳江流域(浦江段)水生生物生存的生态系统遭到较为严重破坏，水晶生产产业和城镇化的不断推进带来了一系列环境污染问题.因此如何保障河流生态系统的生态功能和服务功能的健康完整，不仅需要政府建立长期有效的观测评价机制和修复规划，而且需要广大企业和群众的积极参与和支持.