基于水质及生物多样性的污染评价方法探讨

李瑶 陈敏 吴兴华

摘要：利用水质综合污染指数、生物多样性指数分析了2020年长江口南支水域春季和秋季的污染情况，并对各分析方法进行评价。结果表明：长江口南支水域的污染等级为轻污染至严重污染，从上游至下游污染程度逐渐下降。水质综合污染指数评价结果为轻污染至严重污染，浮游植物多样性指数评价结果为轻中污染至重污染，浮游动物多样性指数评价结果为轻度污染至重污染。水质综合污染指数和浮游动物生物多样性指数的评价结果变化趋势大体一致。3种评价方法中浮游動物生物多样性指数评价结果相对适中，是相对较好的水体污染程度评价指标。

关 键 词：污染评价; 水质综合污染指数; 生物多样性指数; 长江口南支水域

中图法分类号： X82

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.012

0 引 言

长江口是中国第一大河口，既受到上游径流影响，又受到外海潮波影响[1]。长江口在徐六泾以下由崇明岛分隔成南支和北支，南支在吴淞口以下被长兴岛分隔为南港和北港，南港在九段以下又被九段沙分隔成南槽和北槽，形成三级分汊、四口入海的格局[2]。受径流和潮流的共同作用，河口区的生态环境状况往往比较复杂。长江口是陆海相互作用的集中地带，有着特殊的水文环境，其生物类群的分布和变化规律也有别于其他水体[3]。因此许多学者对长江口的水质和生态环境质量进行了探讨。

李保等[4]研究发现长江口徐六泾至南港段总氮浓度2001～2009年呈上升趋势，2009～2016年呈下降趋势。余国安等[5]分析了2005年从徐六泾至南槽段9个站位的水质，研究发现吴淞口以上为Ⅳ类水质，吴淞口及其下游水质为Ⅴ类。余卫鸿等[6]研究表明南港断面近岸水质比远岸差。

杨位迪等[7]研究发现2014～2016年长江口夏季浮游动物种类分布大致呈现近岸低、远岸高、南部高于北部的特征。王金辉等[8]研究了1997～2002年长江口及临近水域的生物多样性，研究发现海洋生物群落结构趋向简单，表现为单种优势，生物多样性明显下降;长江冲淡水区浮游植物密度和浮游动物生物量明显高于长江口门内。郑金秀等[3]对长江口南北支的浮游动物进行调查，结果发现南支浮游动物的种类、数量及生物多样性都高于北支。徐兆礼[9]2003年7月和2004年1月对长江口北支水域浮游动物分布变化成因进行分析，研究发现落潮时北岸生物量明显高于南岸，而涨潮时为南岸高于北岸。

长江口由于受长江冲淡水、台湾暖流、江浙沿岸流和黑潮的共同影响，不同季节陆源径流量、水温、营养盐等环境因素的分布特征存在差异，导致浮游植物和浮游动物的物种组成、数量、优势种和生物多样性等随之改变，因此水质因子和浮游植物、浮游动物生物多样性均可作为水环境质量的评价依据[10-13]。目前大部分长江口水环境质量评价相关研究主要为根据单一要素分析水环境现状，即利用单因子指数法、主成分分析法等采用总磷、总氮和化学需氧量等水质因子[4，14-17]或对浮游植物、浮游动物的群落结构、种类组成、丰度、生物多样性等[3，8，18-24]从单一的水质或者浮游生物方面进行调查分析，鲜有从多方面对长江口水体污染情况进行综合评价。本研究根据2020年春季和秋季长江口南支水域调查数据，从水质指标、浮游植物多样性指数和浮游动物多样性指数3个方面判断长江口南支水域的污染状况，探讨评价方法的合理性，为长江口水体污染情况评价和其他环境污染相关研究提供依据。

1 研究区域与分析方法

1.1 研究区域与样品分析

为了解长江口南支水域污染情况，于2020年4月24日至5月15日（春季）和2020年11月6～12日（秋季）在长江口南支水域布设10个点位进行水质及水生生态调查（见图1），分别为北港（1号点）、南港（2号点）、北港下游（3号点）、竹园（4号点）、北港入海口（5号点）、南漕（6号点）、横沙浅滩附近水域（7号点）和近海水域（8～10号点），包括从长江吴淞口到长江口最大浑浊带的长江口代表性区域。采样及处理分析均按照GB/T 12763-2007《海洋调查规范》、GB 17378-2007《海洋监测规范》提供的标准方法执行。

各点位监测水质指标包括溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、无机氮（DIN）、活性磷酸盐（PO4-P）、石油类、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pd）和镉（Cd）。水生生态调查包括浮游植物调查和浮游动物调查。浮游植物采集表层（水面下0.5 m）海水1 L，采集后立即加入Lugol’s溶液（复方碘溶液）固定。浮游动物为浅水Ⅰ型网从底层至表层作垂直拖网取样，采集大型浮游动物样品，采集后立即加入福尔马林溶液固定（保证样品中福尔马林浓度大于5%）。

分析时将1，3，5，7，9号点位看作长江口南支水域北港侧代表点位;2，4，6，8，10号点位看作长江口南支水域南港侧代表点位，同时将这两组点位的调查结果进行对比分析。

1.2 评价方法

1.2.1 水质综合污染指数评价方法

水质综合评价包括有机污染物污染指数、石油类污染指数和有毒污染物污染指数3类污染指数[25-26]。计算公式如下：

（1） 有机污染物污染指数。

A有机=αDO+αCOD+αDIN+αPO4-P（1）

（2） 石油类污染指数。

A石油=α石油（2）

（3） 有毒污染物污染指数。

A有毒=14×（αCu+αZn+αPb+αCd）（3）

（4） 水质综合污染指数。

A水质=A有机+A石油+A有毒（4）

式中：αi为该指标的标准指数，计算公式参照HJ 2.3-2018《环境影响评价技术导则 地表水环境》。

水质综合污染指数计算采用GB 3097-1997《海水水质标准》中的第一类海水水质标准。水质污染指数等级划分[25]如表1所列。

1.2.2 生物多样性指数评价方法

浮游植物和浮游动物的评价采用Shannon-Weiner指数（H′），计算公式如下[27]：

H′=si=1Pilog2Pi（5）

式中：s为该站位的生物种类数，Pi为该站位第i种的个体数与该站总个体数的比值。

生物多樣性指数分级评价标准[28]如表2所列。

2 结果与讨论

2.1 水质综合污染指数评价结果

如图2所示，长江口南支水域春季北港侧有机污染物污染指数范围为6.13～13.59，平均值为10.40，从上游至下游整体呈下降趋势。石油类污染指数范围为0.04～0.09，平均值为0.06，从上游至下游整体呈下降趋势。有毒污染物污染指数范围为0.12～0.59，平均值为0.35，从上游至下游整体呈先上升后下降的波动趋势。水质综合污染指数范围为6.38～13.94，平均值为10.82，从上游至下游整体上呈下降趋势。南港侧有机污染物污染指数范围为8.58～13.24，平均值为10.60，从上游至下游整体呈下降趋势。石油类污染指数范围为0.06～0.12，平均值为0.08，从上游至下游整体保持平稳。有毒污染物污染指数范围为0.15～0.48，平均值为0.29，从上游至下游整体呈上升趋势，但均未超过海水水质第二类标准。水质综合污染指数范围为8.94～13.57，平均值为10.97，从上游至下游呈下降趋势。

长江口南支水域秋季北港侧有机污染物污染指数范围为3.65～10.20，平均值为7.77，从上游至下游整体呈下降趋势。石油类污染指数范围为0.01～0.08，平均值为0.03，从上游至下游呈波动趋势。有毒污染物污染指数范围为0.32～0.59，平均值为0.43，从上游至下游整体呈下降趋势。水质综合污染指数范围为4.11～10.73，平均值为8.24，从上游至下游整体上看呈下降趋势。南港侧有机污染物污染指数范围为6.89～11.67，平均值为9.71，从上游至下游整体呈下降趋势。石油类污染指数范围为0.04～0.24，平均值为0.09，除8号点位显著上升外，从上游至下游整体呈下降趋势。有毒污染物污染指数范围为0.32～0.54，平均值为0.43，从上游至下游整体呈先上升后下降趋势。水质综合污染指数范围为7.37～12.27，平均值为10.24，从上游至下游呈下降趋势。

整体上看，从上游至下游长江口春季和秋季的水质污染指数变化趋势均为下降趋势。

根据水质污染指数分级评价标准，各指数等级如表3所列。春季和秋季各点位有机污染物污染指数为重污染和中等污染，石油类污染指数均为良好，有毒污染物污染指数为未污染和轻污染。根据水质综合污染指数分级评价标准，春季和秋季北港侧为严重污染、重污染和轻污染，南港侧为严重污染和重污染。可以看出秋季长江口南支水域大部分点位水体污染情况好于春季。整体来看从上游至下游水质逐渐变好，污染程度逐渐下降。

通过分析水质污染指数评价结果可以看出，水质综合污染指数结果主要受到有机污染物污染指数的影响，评价结果分为轻污染、重污染和严重污染3类。有机污染物污染指数是通过溶解氧、化学需氧量、无机氮和活性磷酸盐的标准指数计算得到的。通过分析原始数据发现，春季及秋季各点位溶解氧均符合海水水质第一类标准，化学需氧量分别符合第三类标准和第二类标准，而无机氮和活性磷酸盐均严重超标，无机氮绝大部分点位劣于四类标准，活性磷酸盐大部分点位为四类和劣于四类标准。因此长江口南支水域部分点位评价结果为污染程度较重的等级主要是受有机污染物中无机氮和活性磷酸盐的影响，与余卫鸿等[6]的研究结果一致，长江口主要污染因子为氮磷。

2.2 多样性指数评价结果

2.2.1 浮游植物多样性指数评价结果

如图3所示，长江口南支水域春季北港侧浮游植物多样性指数范围为1.33～2.88，平均值为2.11，从上游至下游整体呈下降的趋势;南港侧浮游植物多样性指数范围为1.31～2.31，平均值为1.73，从上游至下游整体呈先上升后下降趋势。秋季北港侧浮游植物多样性指数范围为0.06～1.78，平均值为0.78，从上游至下游整体呈下降的趋势;南港侧浮游植物多样性指数范围为0.11～1.89，平均值为0.72，从上游至下游整体呈先上升后下降的趋势。整体上春季浮游植物多样性指数与秋季变化趋势一致，均为从上游至下游呈现北港侧下降、南港侧先上升后下降的趋势。

根据生物多样性指数分级评价标准（见表4），长江口南支水域春季2，4，5，6，8，9号点位浮游植物物种级别为一般，物种丰富度较低，个体分布比较均匀，水体污染程度为重中污染;1，3，7，10号点位浮游植物物种级别为较丰富，物种丰富度较高，个体分布比较均匀，水体污染程度为轻中污染。长江口南支水域秋季2，3，5～10号点位浮游植物物种贫乏，物种丰富度低，个体分布不均匀，水体污染程度为重污染;1，4号点位浮游植物物种级别为一般，物种丰富度较低，个体分布比较均匀，水体污染程度为重中污染。

通过浮游植物多样性指数评价结果可以看出，长江口南支水域春季和秋季均为北港侧水体污染程度低于南港侧，但春秋两季大部分点位物种丰富度较低、水体污染程度较重。相对春季来说秋季大部分点位浮游植物多样性指数较低，原因是由于采用的数据为2020年11月份调查数据，浮游植物相对较少，物种相对单一，优势种过于显著，导致浮游植物多样性较低，进而反映出长江口南支水域秋季污染程度较为严重。

2.2.2 浮游动物多样性指数评价结果

如图4所示，长江口南支水域春季北港侧浮游动物多样性指数范围为0.12～2.19，平均值为1.09，从上游至下游整体呈上升的趋势;南港侧浮游动物多样性指数范围为1.02～3.10，平均值为1.81，从上游至下游整体呈上升的趋势，8号点位显著上升。秋季北港侧浮游动物多样性指数范围为1.26～2.55，平均值为1.90，从上游至下游整体呈上升的趋势;南港侧浮游动物多样性指数范围为0.88～3.18，平均值为2.21，从上游至下游整体呈上升的趋势。整体上春季浮游动物多样性与秋季变化趋势一致，均为从上游至下游呈上升的趋势。大部分点位浮游动物多样性指数均为秋季高于春季，原因为春季调查优势种的优势度过于显著导致其生物多样性指数较低。

根据生物多样性指数分级评价标准（见表5），长江口南支水域春季1，3，9号点位及秋季2号点位浮游动物物种贫乏，物种丰富度低，个体分布不均匀，水体污染程度为重污染;春季2，4，5，6号点位及秋季1，3，9号点位浮游动物的物种级别为一般，物种丰富度较低，个体分布比较均匀，水体污染程度为重中污染;春季7，8号点位及秋季4，5，6，7，10号点位浮游动物物种级别为较丰富，物种丰富度较高，个体分布比较均匀，水体污染程度为轻中污染;春季10号点位及秋季8号点位物种种类丰富，个体分布均匀，水体污染程度为轻度污染至无污染。整体上春季和秋季下游点位的浮游动物生物多样性高于上游点位，表明长江口远岸的浮游动物生物多样性要高于近岸，与杨位迪等[7]和王金辉等[8]的研究结果一致。

2.3 各指数评价结果对比分析

整体上看，水质综合污染指数和浮游动物生物多样性指数的评价结果变化趋势大体一致，均为从上游至下游长江口南支水域污染程度整体呈下降的趋势。而浮游植物生物多样性指数波动较大，整体来说长江口南支水域污染程度从上游至下游呈北港侧上升、南港侧先下降后上升的趋势。

在评价等级方面，大部分点位的水质综合污染指数和浮游动物生物多样性指数的评价结果均为从上游至下游有明显污染程度降低的趋势，而浮游植物生物多样性指数与其他两种方法评价结果存在差异，各点位污染程度无明显空间趋势，且与另两种评价方法结果相比浮游植物生物多样性指数的评价结果春秋两季差异较大。这可能是由于水质综合污染指数是评价水质的理化状态，而多样性指数是通过生物种类组成来进行评价，方法存在一定差异，且由于秋季调查时间为2020年11月，可能对生物多样性评价结果产生一定的影响。其次水质污染等级划分和多样性指数等级划分标准的制定可能存在一定的偏差，可能导致评价等级不完全对应。同时，采样获得的是一个瞬时的水体状态，仅一次的调查无法准确的判断多样性降低是由于优势种显著还是由于种类数量减少所导致的[29]。

整体上看水质综合污染指数评价结果较不理想，浮游植物生物多样性评价结果波动性较大，而浮游动物生物多样性评价结果相对来说更适中。浮游植物容易受赤潮影響[30]，而浮游动物种类分布较广、个体生活史较短、运动能力较弱，对急性毒性能做出快速反应，对环境变化的响应更加敏感，可以反映出环境污染的综合效应[31]。同时浮游动物在河口生态系统中起着非常重要的调控作用，其变化可直接反映河口生态系统的健康状况[3]，许多研究也将浮游动物作为全球变化的指示种。综上，浮游动物生物多样性指数在三种评价方法中是相对较好的水体污染程度评价指标。

3 结 论

（1） 长江口南支水域的污染等级为轻度污染至严重污染，从上游至下游污染程度逐渐下降。长江口南支水域水质综合污染指数从上游至下游呈现下降趋势，水质逐渐变好，污染程度逐渐下降;春季7个点位为严重污染，1个点位为重污染，2个点位为轻污染;秋季6个点位为严重污染，3个点位为重污染，1个点位为轻污染。

（2） 浮游植物多样性指数从上游至下游呈北港侧下降、南港侧先上升后下降的趋势;春季6个点位为重中污染，4个点位为轻中污染;秋季8个点位水体污染程度评价结果为重污染，2个点位为重中污染。

（3） 浮游动物多样性指数为从上游至下游整体上呈上升的趋势，生物多样性增加，污染程度逐渐降低;春季3个点位水体污染程度为重污染，4个点位为重中污染，2个点位为轻中污染，1个点位为轻度污染至无污染;秋季1个点位水体污染程度为重污染，3个点位为重中污染，5个点位为轻中污染，1个点位为轻度污染至无污染。

（4） 水质综合污染指数和浮游动物生物多样性指数的评价结果变化趋势大体一致。与水质综合污染指数和浮游植物生物多样性指数相比，浮游动物生物多样性指数是相对较好的水体污染程度评价指标。

参考文献：

[1] 徐祖信，华祖林.长江口南支三维水动力及污染物输送数值模拟[J].同济大学学报（自然科学版），2003，31（2）：239-243.

[2] 刘杜娟，叶银灿，李冬，等.基于GIS的长江口南支下段河势演变及稳定性分析[J].海岸工程，2010，29（3）：19-27.

[3] 郑金秀，胡菊香，彭建华，等.长江口南北支浮游动物群落生态学研究[J].生态环境学报，2011，20（6-7）：1102-1106.

[4] 李保，张昀哲，唐敏炯.长江口近十年水质时空演变趋势分析[J].人民长江，2018，49（18）：33-37.

[5] 余国安，王兆印，谢小平.长江口水质空间分布现状评价[J].人民长江，2007，38（1）：81-83.

[6] 余卫鸿，蒋海涛，韩润平.长江口水质现状及大型水利工程对长江口水质的影响[J].甘肃科技，2007，23（3）：11-14.

[7] 杨位迪，郑连明，李伟巍，等.长江口邻近海域夏季大中型浮游动物物种多样性、年际变化及其影响因素[J].厦门大学学报（自然科学版），2018，57（4）：517-525.

[8] 王金辉，黄秀清，刘阿成，等.长江口及邻近水域的生物多样性变化趋势分析[J].海洋通报，2004，23（1）：32-39.

[9] 徐兆礼.长江口北支水域浮游动物的研究[J].应用生态学报，2005（7）：1341-1345.

[10] 刘镇盛.长江口及其邻近海域浮游动物群落结构和多样性研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[11] 周燕，赵聪蛟，高元森，等.2005～2008年杭州湾生态监控区浮游植物分布特征及变化趋势[J].海洋学研究，2010，28（2）：28-35.

[12] 冯洁娉.广州海域浮游植物群落结构的变化规律及其影响因素[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[13] 孫晓庆.东海沙埕港浮游植物生态学初步研究[D].青岛：中国海洋大学，2007.

[14] 李伯昌，施慧燕.长江口河段水环境现状分析[J].水资源保护，2005，21（1）：39-44.

[15] 范海梅，李丙瑞，徐韧，等.基于综合指数法的长江口及其邻近海域水质环境综合评价[J].海洋学研究，2011，29（3）：169-175.

[16] 许秋寒，钱佳欢，陈钊英，等.长江口及毗邻海域水环境现状与污染防治对策[J].中国发展，2015，15（3）：10-14.

[17] 孟伟，秦延文，郑丙辉，等.长江口水体中氮、磷含量及其化学耗氧量的分析[J].环境科学，2004，25（6）：65-68.

[18] 蒋巧丽，许永久，俞存根，等.2016年夏季长江口邻近海域浮游动物群落结构[J].应用生态学报，2018，29（9）：3078-3084.

[19] 赵坤，吴波，尤庆敏，等.长江口九段沙附近水域浮游动物时空分布及其与环境因子的关系[J].安全与环境学报，2015，15（5）：374-379.

[20] 刘守海，项凌云，刘材材，等.2007～2008年春夏季长江口水域浮游动物生态分布特征研究[J].海洋通报，2013，32（2）：184-190.

[21] 殷晓龙，徐兆礼.长江口不同水域浮游动物群落结构比较[J].应用与环境生物学报，2015，21（1）：88-95.

[22] 蒋建飞，袁林，刘艳，等.长江口北支水域浮游动物季节变化[J].江苏农业科学，2015，43（9）：370-373.

[23] 汤新武，蔡德所，陈求稳，等.三峡工程三期蓄水初期长江口水域春季浮游动物群落特征及其与环境的关系[J].环境科学学报，2015，35（4）：1082-1088.

[24] 王丽，王保栋，陈求稳，等.三峡三期蓄水后长江口海域浮游动物群落特征及影响因子[J].生态学报，2016，36（9）：2505-2512.

[25] 葛仁英，韩正玉，邵明福.海阳港附近海域污染现状评价[J].海洋环境科学，1997，16（4）：26-31.

[26] 何雪琴，温伟英，何清溪.三亚湾海域水质现状评价[J].南海研究与开发，2000（2）：18-21.

[27] 孙军，刘东艳.多样性指数在海洋浮游植物研究中的应用[J].海洋学报，2004，26（1）：62-75.

[28] 孔繁翔.环境生物学[M].北京：高等教育出版社，2000.

[29] 张景平，黄小平，江志坚，等.珠江口海域污染的水质综合污染指数和生物多样性指数评价[J].热带海洋学报，2010，29（1）：69-76.

[30] SIOKOU-FRANGOU，PAPATHANASSIOU E.Differentiation of zooplankton populations in a polluted area[J].Marine Ecology Progress Series，1991，76：41-51.

[31] 徐志强.西北冰洋夏季浮游动物群落结构和年际变化[D].青岛：中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），2016.

（编辑：谢玲娴）

Study on pollution assessment methods for South Branch of Changjiang River estuary based on water quality and biodiversity

LI Yao1，CHEN Min2，WU Xinghua2

（1.Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China; 2.China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China）

Abstract：

In this paper，we used the water comprehensive pollution index and biodiversity index （Shannon-Weiner index） to analyze the water pollution of the South Branch of the Changjiang River estuary in spring and autumn in 2020，and evaluated the results of each analysis method.The results indicated that the pollution level of the South Branch of the Changjiang River estuary were slight pollution to heavy pollution，and decreased from upstream to downstream.The results of water quality evaluated by water comprehensive pollution index were slight pollution and heavy pollution.The result of water quality evaluated by phytoplankton Shannon-Weiner index were slight-moderate pollution to heavy pollution.The result of water quality evaluated by zooplankton Shannon-Weiner index were slight pollution to heavy pollution.The variation trend of evaluation results of water comprehensive pollution index and zooplankton Shannon-Weiner index were generally consistent.Among these three methods，the evaluation results of the zooplankton Shannon-Weiner index was relatively moderate，which was a relatively good evaluation indicator for the degree of water pollution.

Key words：

pollution assessment;water comprehensive pollution index;biodiversity index;South Branch of the Changjiang River estuary