松花江流域水生態(tài)環(huán)境中生物與生境和化學(xué)要素間的關(guān)聯(lián)性研究

陰 琨，趙 然，李中宇，許人驥，劉 允，呂怡兵，劉廷良，滕恩江，楊 琦，王業(yè)耀

1．中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083

2．中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3．黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056

在河流水生態(tài)系統(tǒng)中，生物、生境和水質(zhì)化學(xué)是非常重要的3個(gè)組成要素。各要素之間存在一定的影響關(guān)系，綜合反映在整個(gè)河流水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化中?；谝陨系年P(guān)系，使得分析三者間的關(guān)聯(lián)性對于了解一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化非常重要。目前，國內(nèi)外開展的水生態(tài)環(huán)境評價(jià)的研究中，已有不少都分析了3個(gè)要素間的關(guān)聯(lián)性［1-2］。

生境作為其中重要的組成部分，在整個(gè)河流水生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。美國有研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)區(qū)的棲息地環(huán)境差異對生態(tài)系統(tǒng)的影響顯著［3-4］。另外，水質(zhì)的污染程度及化學(xué)污染物質(zhì)的濃度變化也會對河流水生態(tài)系統(tǒng)中生物狀況的變化產(chǎn)生非常顯著的影響，反映出生物完整性的改變［5］。

各國針對河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和河流中水生生物的保護(hù)有多種評價(jià)方法［6］。歐盟水框架指令(WFD)［7］的綜合評價(jià)中，利用生物、生境和水質(zhì)化學(xué)3個(gè)要素間的關(guān)系鏈條確定河流生態(tài)質(zhì)量狀況，并將生物質(zhì)量要素作為首要考慮的因素。WFD對水生態(tài)狀況評價(jià)的意義在于，必須說明水生生物與環(huán)境壓力間的關(guān)系［8］。英國和澳大利亞建立的預(yù)測模型評價(jià)方法［9-13］，利用大型底棲動物監(jiān)測河流生物質(zhì)量，模型建立在利用理化指標(biāo)預(yù)測生物種群的基礎(chǔ)上。說明分析各要素間的關(guān)聯(lián)性和相互影響對于了解和評價(jià)一個(gè)河流生態(tài)質(zhì)量的變化有著非常重要的意義。

由于沿岸工業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，造成了松花江流域的水環(huán)境污染［14］。但近幾年，隨著對松花江流域保護(hù)的重視，國家在“十一五”和“十二五”期間開展了大量的針對松花江流域的污染治理工作，使松花江水質(zhì)有了明顯的恢復(fù)和改善。該文對松花江流域進(jìn)行了采樣調(diào)查，利用生物完整性指數(shù)(IBI)法評價(jià)了松花江流域的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，開展了針對其生物參數(shù)與生境參數(shù)和水質(zhì)化學(xué)參數(shù)間關(guān)聯(lián)性的研究，分析了影響松花江流域水生態(tài)環(huán)境變化的環(huán)境壓力因素，為環(huán)境管理部門更好地保護(hù)松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、采取污染防治措施提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品的采集

調(diào)查區(qū)域選定為松花江流域。根據(jù)2012年地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)，松花江流域總體呈輕度污染，干流水質(zhì)良好;支流為輕度污染。流域具有有機(jī)毒物污染的典型性特征［15］。2012年6—7月，對研究區(qū)30個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了底棲動物和著生藻類的采樣調(diào)查。在松花江干流上游設(shè)置了5個(gè)采樣點(diǎn)，分別為S30肇源、S28朱順屯、S14阿什河口下、S4呼蘭河口下和S15大頂子山;在松花江干流下游設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，分別為S11佳木斯上、S12佳木斯下、S3江南屯和S13同江;在松花江支流的雅魯河、諾敏河、嫩江、伊通河、飲馬河、第二松花江、牡丹江和梧桐河上共設(shè)置了19個(gè)采樣點(diǎn)，分別為S17巴林、S18成吉思汗、S6小二溝、S7寶山、S8博霍頭、S19拉哈、S20瀏園、S21富上、S10江橋、S23寶龍橋、S25靠山南樓、S9瀑布下、S22溪浪口、S26松花江村、S27松林、S24劉珍屯、S29大山、S16柴河和S5梧桐河口內(nèi);在黑龍江上設(shè)置了2個(gè)采樣點(diǎn)，分別為S1松花江口上和S2東港。S1～S10為參照點(diǎn);S11～S30為監(jiān)測點(diǎn)。采樣、保存和實(shí)驗(yàn)室分析參照EPA RBP生物快速評價(jià)方案［16］及《水和廢水監(jiān)測技術(shù)方法(第四版增補(bǔ)版)》中相關(guān)要求進(jìn)行［17］。

1.2 生境和水質(zhì)理化指標(biāo)

借鑒EPA RBP生物快速評價(jià)方案［16］，參考鄭丙輝等［2］的棲息地評價(jià)指標(biāo)，采用由10項(xiàng)指標(biāo)組成的生境評價(jià)方法:調(diào)查底質(zhì)組成、生境復(fù)雜性、速度與深度結(jié)合性、河岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量情況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類活動強(qiáng)度、河岸邊土地利用類型。利用參照點(diǎn)生境評分分布的25%分位數(shù)法對生境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，即生境評分大于參照點(diǎn)生境評分的25%分位數(shù)，生境質(zhì)量為良好;將小于25%分位數(shù)的分布范圍，進(jìn)行3等分，評價(jià)結(jié)果由高到低分別為一般、較差、很差。

pH、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)等水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自2012年1—9月的全國地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)。分析方法及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［18］進(jìn)行。

1.3 評價(jià)方法

按照IBI的建立方法對松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)［19］。IBI的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用所有采樣點(diǎn)指數(shù)值分布的95%分位數(shù)法建立，評價(jià)等級按照IBI分值由高到低分別定義為優(yōu)、良好、一般、較差、很差共5個(gè)等級。參照點(diǎn)以生境狀況中人類活動和土地利用一項(xiàng)得分大于13分和有襀翅目昆蟲存在這2個(gè)原則確定。

各參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析在SPSS 15.0中完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 IBI的建立和評價(jià)結(jié)果

根據(jù)IBI建立的方法，研究確定S1～S10作為參照點(diǎn)，其余20個(gè)點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)。利用底棲動物和著生藻類的調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算得到總分類單元數(shù)、密度、優(yōu)勢種比例、敏感物種分類單元數(shù)等共25個(gè)候選生物參數(shù)，通過敏感性分析、相關(guān)性分析，去除辨別力低的參數(shù)和冗余信息，最終篩選出總數(shù)量、EPT分類單元數(shù)、EPT密度、敏感種分類單元數(shù)、敏感種分類單元比例、Hilsenhoff生物指數(shù)(HBI)6個(gè)核心參數(shù)，構(gòu)成松花江IBI評價(jià)的指標(biāo)。

根據(jù)所有采樣點(diǎn)指數(shù)值分布的95%分位數(shù)法劃分IBI評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn):IBI＞35.84為優(yōu);IBI=26.88～35.84為良好;IBI=17.92～26.88為一般;IBI＜8.96為很差。研究區(qū)調(diào)查的30個(gè)采樣點(diǎn)的IBI評價(jià)結(jié)果如表1所示。參照點(diǎn)中，50%評價(jià)為優(yōu)，40%評價(jià)為良好和一般，僅10%評價(jià)為較差;20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，65%評價(jià)為較差和很差，25%評價(jià)為一般，評價(jià)為優(yōu)和良好的占10%。

表1 各采樣點(diǎn)IBI和評價(jià)結(jié)果

2.2 IBI評價(jià)結(jié)果與生境質(zhì)量和水質(zhì)評價(jià)結(jié)果間的關(guān)系

利用Pearson相關(guān)性和散點(diǎn)圖，分析了采樣點(diǎn)的IBI評價(jià)結(jié)果與其生境質(zhì)量間的關(guān)系。從圖1可見，IBI和生境質(zhì)量評分間存在正相關(guān)關(guān)系，生境得分較高的采樣點(diǎn)，IBI也普遍較高。參照點(diǎn)的IBI普遍比較高，大部分在21以上，生境質(zhì)量評分也較高(69～89);IBI在8.2以下的低分采樣點(diǎn)，生境質(zhì)量評分也較低(41～51)。由于棲息地生境與生物群落的關(guān)系密切［20-22］，而且在河流生態(tài)環(huán)境中占有重要的地位，分析生境狀況的破壞是影響生物完整性和造成松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受損的一個(gè)重要因素。

圖1 IBI與生境質(zhì)量的相關(guān)性散點(diǎn)圖

根據(jù)各采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)1—9月的平均值監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(見表2)，松花江流域水質(zhì)污染主要的超標(biāo)項(xiàng)目為 CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP。調(diào)查區(qū)域水質(zhì)以III類水質(zhì)為主，水質(zhì)達(dá)標(biāo)采樣點(diǎn)比例占67%。S1、S11等6個(gè)采樣點(diǎn)為IV類水質(zhì)，S14、S25 2個(gè)采樣點(diǎn)為劣V類水質(zhì)。IBI評價(jià)結(jié)果對于劣V類的2個(gè)采樣點(diǎn)均評價(jià)為較差;III類水質(zhì)各采樣點(diǎn)中除生境評分比較低的，IBI評價(jià)結(jié)果基本在一般到優(yōu)的等級，雖然IBI結(jié)果同時(shí)還受到生境質(zhì)量的影響，但總體上IBI評價(jià)結(jié)果與水質(zhì)是基本符合的。

表2 各采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)和生境評分

2.3 生物參數(shù)與生境和水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系

對10項(xiàng)生境參數(shù)與26項(xiàng)生物參數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。表3結(jié)果表明，除河岸土地利用類型外，其他9項(xiàng)生境參數(shù)分別與不同的生物參數(shù)間呈現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性，這進(jìn)一步說明了流域的生境狀況會對河流水生生物狀態(tài)產(chǎn)生影響作用。其中，生境總得分與EPT分類單元數(shù)、敏感物種分類單元數(shù)、底棲動物 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)等多項(xiàng)生物參數(shù)間存在顯著/極顯著的正相關(guān);同時(shí)，生境總得分與耐污種分類單元比例、生物學(xué)污染指數(shù)間存在顯著/極顯著的負(fù)相關(guān)。其次，速度與深度結(jié)合性、河岸穩(wěn)定性、河水水量情況等指示河流水文和河岸狀況的生境參數(shù)也與多項(xiàng)生物參數(shù)間存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。總體上呈現(xiàn)出與表征生物質(zhì)量良好、水質(zhì)清潔的生物參數(shù)存在正相關(guān)，與指示水體污染的參數(shù)存在負(fù)相關(guān)，這說明河流水文和河岸參數(shù)對河流水生生物狀態(tài)也會產(chǎn)生比較顯著的影響和變化。同時(shí)，河流水流情況、植被多樣性、水質(zhì)狀況和人類活動強(qiáng)度這4項(xiàng)參數(shù)與IBI之間呈現(xiàn)出顯著/極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明這些生境條件更明顯地引起生物完整性的變化。

表3 生境參數(shù)與生物參數(shù)、IBI的相關(guān)性

對以上這些數(shù)據(jù)的分析表明，河流的生境質(zhì)量與河流中水生生物的狀況有著非常重要的聯(lián)系，生境質(zhì)量受損和退化會顯著地反映在生活其中的生物的變化情況，如敏感物種數(shù)量和種類的減少、耐污物種數(shù)量和種類的增加、耐受污染能力增加等變化。對遼河的研究也表明，遼河棲息地質(zhì)量與多項(xiàng)底棲動物生物指標(biāo)顯著相關(guān)［2］。相關(guān)學(xué)者在生境對生物影響的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，卵石和大石基巖等好的底質(zhì)能保持河床穩(wěn)定性［23］，好的生境條件可以為底棲動物提供穩(wěn)定且多樣的棲息空間，支持多樣的底棲類群［24-25］。綜上分析，棲息地生境質(zhì)量的受損和破壞，確實(shí)是影響松花江流域水生態(tài)質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)境因素。為恢復(fù)和改善流域的水生態(tài)質(zhì)量，其生境質(zhì)量應(yīng)該受到重視和保護(hù)。

研究還發(fā)現(xiàn)，生境總得分、速度與深度結(jié)合性、河岸穩(wěn)定性等幾個(gè)生境參數(shù)都與著生藻類的Shannon Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)間存在顯著/極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而通常情況下，多樣性和均勻度越高，指示生物狀態(tài)越好，水體污染越輕［26］，但是本研究數(shù)據(jù)表明，生境質(zhì)量的破壞會引起著生藻類多樣性和均勻度的增加。底棲動物并沒有出現(xiàn)這樣的情況，其多樣性和豐富度指數(shù)都與生境存在正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，著生藻類多樣性的變化可能是由于耐污種種類和數(shù)量的增加所引起，所以這種情況下，著生藻類多樣性和均勻度指數(shù)不適合單獨(dú)用于松花江流域的評價(jià)，相比底棲動物更適合應(yīng)用在松花江流域的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中。

對超標(biāo)的水質(zhì)參數(shù)與各生物參數(shù)、IBI進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

表4 水質(zhì)參數(shù)與生物參數(shù)、IBI的相關(guān)性

從表4可以看出，電導(dǎo)率和溶解氧與多項(xiàng)著生藻類的生物參數(shù)存在相關(guān)性，溶解氧與藻類多樣性指數(shù)、HBI、耐污種數(shù)量等呈顯著負(fù)相關(guān)，說明耗氧污染物的減少會使得底棲動物耐污種數(shù)量下降，反映有機(jī)物污染的指數(shù)值也隨之下降。電導(dǎo)率與藻類多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)，與底棲動物密度、耐污種數(shù)量等呈極顯著/顯著正相關(guān)，與敏感種分類單元比例呈顯著負(fù)相關(guān)，說明有機(jī)質(zhì)污染導(dǎo)致底棲動物耐污種的數(shù)量增加，敏感種種類減少，底棲動物總密度的增加分析可能是由于耐污種數(shù)量的增加引起的。有研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)物質(zhì)濃度的增加，可能引起底棲動物的總密度減?。?7］，也可能引起底棲動物總密度增加［28］。CODMn與底棲動物敏感種數(shù)量比例呈顯著負(fù)相關(guān)，BOD5、NH3-N、COD、TN、TP 與總密度間呈極顯著正相關(guān)，6個(gè)污染因子與污染指數(shù)間呈極顯著/顯著正相關(guān)，這進(jìn)一步佐證了上述結(jié)論。其次，有機(jī)質(zhì)污染引起藻類多樣性增加，分析可能是耐污種藻類的產(chǎn)生和繁殖的結(jié)果。耐污種數(shù)量、耐污種數(shù)量比例、HBI及污染指數(shù)這4個(gè)指示污染程度的生物指數(shù)分別與CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP幾個(gè)超標(biāo)污染因子顯示出不同程度的正相關(guān)，這樣的結(jié)果進(jìn)一步說明了有機(jī)質(zhì)和N、P等富營養(yǎng)化元素的污染對于松花江流域水中生物的多樣性分布，耐污種敏感種的出現(xiàn)和繁殖產(chǎn)生了明顯的影響。但I(xiàn)BI并未與這些化學(xué)參數(shù)顯示出明顯的相關(guān)性，但這并不影響化學(xué)污染的壓力在單個(gè)生物參數(shù)上產(chǎn)生的顯著影響，雖然利用單個(gè)生物參數(shù)評價(jià)生物質(zhì)量不夠全面，但是可以依賴其尋找潛在化學(xué)壓力，為水質(zhì)治理和防護(hù)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)，除了了解河流的生物狀態(tài)，更重要的還是要解決污染因子和生物質(zhì)量間的關(guān)系［29］，這樣評價(jià)工作才能有效的為河流污染的治理和修復(fù)提供有利支持。已開展的相關(guān)研究主要集中在分析 BOD5、COD、TN、TP、濁度等綜合性的污染因子與生物參數(shù)間存在的相關(guān)關(guān)系上［1，5］，尚沒有深入分析直接引起生物狀態(tài)變化的化學(xué)影響因子及其之間的影響方式。目前，在松花江還無法確定其有機(jī)污染物的種類，對于針對松花江流域生物狀態(tài)和特征有機(jī)污染因子間的關(guān)系的研究，還需要更長時(shí)間的研究來進(jìn)一步了解。

3 結(jié)論

IBI評價(jià)結(jié)果與生境和水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的分析表明，IBI評價(jià)結(jié)果與生境質(zhì)量存在顯著正相關(guān)，與水質(zhì)評價(jià)結(jié)果基本一致。生境狀況的破壞和水體污染是影響生物完整性和造成松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受損的重要因素。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)相較于著生藻類，底棲動物是更適合作為松花江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的生物類群。

生境質(zhì)量及速度與深度結(jié)合性、河岸穩(wěn)定性、河水水量情況、植被多樣性、水質(zhì)狀況等多項(xiàng)生境參數(shù)均與多項(xiàng)生物參數(shù)存在顯著/極顯著的相關(guān)關(guān)系。其次，CODMn、BOD5、NH3-N、COD、TN、TP等水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)與多項(xiàng)生物參數(shù)間也存在相關(guān)性，說明有機(jī)質(zhì)和N、P等富營養(yǎng)化元素的污染對于松花江流域水中生物分布的變化，耐污種的出現(xiàn)和繁殖、敏感種的減少產(chǎn)生了明顯的影響，有機(jī)污染壓力仍是影響松花江流域生物狀態(tài)的化學(xué)因素。為恢復(fù)和改善松花江流域的水生態(tài)質(zhì)量，應(yīng)該針對流域生境質(zhì)量和超標(biāo)化學(xué)污染開展相應(yīng)的保護(hù)和控制措施。

致 謝:衷心感謝黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站及相關(guān)各市環(huán)境監(jiān)測站、吉林省環(huán)境監(jiān)測中心站及相關(guān)各市環(huán)境監(jiān)測站、呼倫貝爾市環(huán)境監(jiān)測站在基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)方面提供的支持與幫助!

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