水環(huán)境指示生物篩選及水質(zhì)評(píng)價(jià)方法研究

周晏敏，袁 欣，李彬旭，馬德濱，劉 允

1．齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，黑龍江齊齊哈爾 161005

2．哈爾濱學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080

3．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

生物監(jiān)測(cè)是利用生物的組分、個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染或環(huán)境變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)的角度為環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)提供依據(jù)。生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)是指能夠清晰反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及變化趨勢(shì)的可觀性特征［1］。從 Kolkwitz等在1902年首次采用生物指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)至今，在環(huán)境領(lǐng)域提及的生物監(jiān)測(cè)均指一種生物群落、生物個(gè)體或生物的生理生化指標(biāo)來(lái)反映水體的環(huán)境質(zhì)量［2-4］。

中國(guó)開(kāi)展時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)用范圍廣的生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要為底棲動(dòng)物和藻類(lèi)。目前利用生物指標(biāo)對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法較多，都是采用多種評(píng)價(jià)方法對(duì)單一生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)［5-10］，不能反映水體化學(xué)指標(biāo)情況和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的狀況。本文以理化指標(biāo)為基礎(chǔ)，篩選出不同污染水體底棲動(dòng)物、浮游生物作為指示生物，初步建立一套基于指示生物的描述水體污染程度的綜合評(píng)價(jià)體系。

1 水環(huán)境的理化指標(biāo)分級(jí)

確定水體污染的生物分級(jí)不易過(guò)多、過(guò)細(xì)。因此，將齊齊哈爾市水體劃分為5個(gè)差異明顯的級(jí)別，即一級(jí)代表清潔或較清潔，二級(jí)代表輕污染，三級(jí)代表中污染，四級(jí)代表重污染，五級(jí)代表嚴(yán)重污染。

將2006—2013年與生物監(jiān)測(cè)同步的272組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，與生物關(guān)系密切的高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、總磷、總氮、糞大腸菌群指標(biāo)同時(shí)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)［11］同一類(lèi)水體的值僅有2008年7月拉哈斷面(左)一組，一致率占分析組的0.37%。因此利用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的污染分級(jí)篩選指示生物(制定生物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))是有困難的。為此本研究以水體受到污染程度的情況，結(jié)合生物指標(biāo)和理化指標(biāo)進(jìn)行水體劃分。

1.1 一級(jí)水體理化指標(biāo)選擇

流經(jīng)齊齊哈爾地區(qū)的嫩江源頭水體是清潔水體，但考慮到嫩江源頭為海拔高、水速急，底質(zhì)以礫石為主的環(huán)境，源頭水體在流經(jīng)齊齊哈爾市的過(guò)程中即使未受到污染，水質(zhì)理化指標(biāo)也會(huì)受到水體的稀釋、沉淀、擴(kuò)散等自?xún)糇饔眉把趸€原反應(yīng)、酸堿反應(yīng)、分解化合作用、微生物降解作用等而發(fā)生改變。所以，嫩江源頭的理化指標(biāo)、生物群落與齊齊哈爾地區(qū)是有差異的。

為能獲得有代表性的齊齊哈爾市清潔或較清潔水體理化數(shù)據(jù)，制定一個(gè)科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用1991—1994年拉哈斷面冰封期的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。因拉哈斷面與嫩江源頭之間僅有訥河縣、嫩江縣2個(gè)縣，在這期間，居民居住以平房為主，生活污水、小加工業(yè)廢水基本為就近湖泊排放，很少進(jìn)入嫩江，加上冰封期水體與外界隔絕，基本杜絕了放牧、風(fēng)沙、地表徑流等因素對(duì)水體的影響。因此，這段時(shí)期的理化數(shù)據(jù)作為齊齊哈爾清潔水體數(shù)據(jù)是可行的。1991—1994年冰封期拉哈斷面高錳酸鹽指數(shù)為1.60～2.83 mg/L，生化需氧量為0.58～1.00 mg/L，糞大腸菌群為20～340個(gè)/L。

1.2 二級(jí)、三級(jí)水體選擇

齊齊哈爾市是工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，嫩江上游污染源比較少，根據(jù)歷年《環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)》及《嫩江保護(hù)研究》報(bào)告數(shù)據(jù)分析［12-18］，齊齊哈爾江段各水體以有機(jī)污染為主，污染級(jí)別介于輕污染和中污染之間。因此，選擇2000— 2013年與生物采樣同步的2 298個(gè)嫩江、扎龍濕地、勞動(dòng)湖的理化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為便于分析其規(guī)律性，將各指標(biāo)排序，統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)在5% ～95%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見(jiàn)表1。

表1 齊齊哈爾市主要水體理化指標(biāo)排序

1.3 四級(jí)、五級(jí)水體選擇

20 世紀(jì) 80 年代，勞動(dòng)湖水體 2#、3#、4#點(diǎn)位之間有大小排污口19個(gè)，5#、6#點(diǎn)位各一個(gè)排污口，例行監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)理化指標(biāo)濃度均很高。夏季湖面常漂浮一層厚厚的微囊藻，水底冒出氣泡可見(jiàn)大量黑色淤泥被帶到水面，湖邊常能聞到腥臭味。6—9月表層水采樣期間，2#、3#點(diǎn)位水樣則經(jīng)常出現(xiàn)溶解氧過(guò)低現(xiàn)象，1#、5#、6#點(diǎn)位水樣經(jīng)常出現(xiàn)溶解氧過(guò)飽和現(xiàn)象，4#點(diǎn)位溶解氧過(guò)低、過(guò)飽和現(xiàn)象均有出現(xiàn)，屬于典型的重富營(yíng)養(yǎng)化水體。以1986年《勞動(dòng)湖水體污染綜合調(diào)查》報(bào)告［19］中6個(gè)點(diǎn)位5次采樣數(shù)據(jù)作為制定重污染和嚴(yán)重污染水體的理化指標(biāo)依據(jù)，如表2所示。

表2 1986年勞動(dòng)湖水質(zhì)調(diào)查

1.4 理化指標(biāo)分級(jí)結(jié)果

依據(jù)表1、表2，并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，清潔水體的各項(xiàng)指標(biāo)排序應(yīng)小于10%，輕污染指標(biāo)排序應(yīng)在10% ～50%，中污染指標(biāo)排序應(yīng)在50% ～80%，重污染指標(biāo)排序應(yīng)在80% ～95%，嚴(yán)重污染指標(biāo)排序應(yīng)大于95%(表3)。

表3 水體污染理化指標(biāo)分級(jí)

2 指示生物的篩選及應(yīng)用

生物生存與環(huán)境條件有密切的關(guān)系，優(yōu)勢(shì)種群是水質(zhì)污染狀態(tài)的具體體現(xiàn)。確定有代表性的各類(lèi)水體才能知道各種優(yōu)勢(shì)種生物的生存環(huán)境，才能使制定的生物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更準(zhǔn)確、更科學(xué)地反映水體污染狀況。

2.1 篩選原則

普生性生物，如藻類(lèi)中的小環(huán)藻、異極藻、四尾柵藻等不列入指示生物中。根據(jù)目前從事生物監(jiān)測(cè)人員的鑒定能力，不易鑒定區(qū)別的生物，如一些針桿藻、脆桿藻等不列入指示生物中。

2.2 篩選方法

不同的水環(huán)境存在不同的優(yōu)勢(shì)種生物。根據(jù)表3確定的理化指標(biāo)分級(jí)，對(duì)嫩江齊齊哈爾江段、尼爾基水庫(kù)、音河水庫(kù)、扎龍濕地、勞動(dòng)湖、齊齊哈爾氧化塘各水體的19個(gè)點(diǎn)位多次采樣的水樣進(jìn)行污染程度的劃分，在此基礎(chǔ)上篩選出相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)生物種類(lèi)作為水體污染程度的指示生物，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 齊齊哈爾市各主要水體指示生物

續(xù)表4

續(xù)表4

2.3 方法應(yīng)用

水體中出現(xiàn)指示生物最多的級(jí)別，確定為水體的污染級(jí)別。

當(dāng)水體中藻類(lèi)種類(lèi)較多時(shí)，應(yīng)選擇出現(xiàn)數(shù)量較多的4～5個(gè)指示生物參與評(píng)價(jià)。底棲動(dòng)物種類(lèi)較少時(shí)，指示生物均參與評(píng)價(jià)。

水絲蚓具有普生性，又是重污染的指示生物，在與敏感指示生物(如蜉蝣、石蠶等)出現(xiàn)在同一水體時(shí)，選擇敏感指示生物參與評(píng)價(jià)。

當(dāng)指示生物評(píng)價(jià)結(jié)果介于兩個(gè)污染級(jí)別之間時(shí)，依據(jù)表3的理化指標(biāo)分級(jí)最后確定污染級(jí)別。

根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、污染治理水平、民眾環(huán)保意識(shí)，目前水體污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不易過(guò)嚴(yán)。制定的理化指標(biāo)分級(jí)表(表3)中的重污染范圍值，高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量略低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，總氮、總磷高于50%左右。應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)齊齊哈爾地區(qū)18個(gè)例行監(jiān)測(cè)斷面，重污染斷面占53%。為使生物評(píng)價(jià)快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地反映水體污染狀況，應(yīng)關(guān)注特殊環(huán)境下的水體污染評(píng)價(jià)指標(biāo)。如：①水體長(zhǎng)期處于高濃度有機(jī)污染環(huán)境下，水體底層往往處于嚴(yán)重缺氧或無(wú)氧狀態(tài)。如果底泥發(fā)黑，有異味，說(shuō)明底泥中沒(méi)有或僅有顫蚓、水絲蚓、黃色羽搖蚊等少量的幾種生物存在，該水體可直接確定為重污染水體;如果底泥發(fā)黑油亮，H2S味較大，則表明無(wú)任何底棲動(dòng)物存在，該水體可直接確定為嚴(yán)重污染水體。②水體在總氮或總磷濃度很高的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)裸藻(體積或重量明顯超過(guò)其他藻類(lèi)體積或質(zhì)量的總和)、顫藻、鞘絲藻、膠鞘藻、微囊藻等生物的大量生長(zhǎng)現(xiàn)象，該水體則屬于重污染或嚴(yán)重污染，可再通過(guò)表3的理化指標(biāo)分級(jí)確定其污染程度。

3 結(jié)論

1)目前水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是采取單因子評(píng)價(jià)方法，本文的評(píng)價(jià)方法則考慮了底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、藻類(lèi)和理化指標(biāo)的多因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以客觀、綜合地評(píng)價(jià)水環(huán)境。

2)制定的指示生物評(píng)價(jià)方法是以理化指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)篩選最適合生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)物種作為指示生物，評(píng)價(jià)結(jié)果比生物計(jì)分法、生物耐污值法更能反映水體真實(shí)情況。同時(shí)，也可避免生物多樣性評(píng)價(jià)、指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果容易出現(xiàn)偏離的問(wèn)題。

3)將指示生物評(píng)價(jià)法與典型特征水體評(píng)價(jià)判斷相結(jié)合，可減輕相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的工作難度和工作強(qiáng)度。

4)加強(qiáng)對(duì)特殊環(huán)境水體的理化指標(biāo)、生物多樣性關(guān)系的研究，制定簡(jiǎn)易、快速判斷水體污染狀況的方法。

5)廣泛開(kāi)展針對(duì)不同地域、不同類(lèi)型水體的指示生物篩選工作，使指示生物評(píng)價(jià)方法具有更廣泛的實(shí)用性。

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