基于著生藻類的松花江哈爾濱段明水期三季健康評(píng)價(jià)

李喆，霍堂斌，吳松，王繼隆，馬波

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

松花江作為我國(guó)七大水系之一，擔(dān)負(fù)著東北地區(qū)大部分人口的生活用水和工業(yè)生產(chǎn)用水的重任，也是生活、生產(chǎn)污水的受水體。松花江的污染源包括工業(yè)污染源、生活污染源、農(nóng)業(yè)污染源。人類活動(dòng)是影響松花江健康狀況的重要因素。與傳統(tǒng)的分析化學(xué)方法不同，生物監(jiān)測(cè)不需要昂貴和精密的儀器，也減少了對(duì)各種污染物盲目化學(xué)篩選的時(shí)間和成本，被廣泛用于評(píng)價(jià)水環(huán)境健康狀況[1]。用于監(jiān)測(cè)的生物包括著生藻類、水生大型植物、原生動(dòng)物、細(xì)菌、魚(yú)類、大型無(wú)脊椎動(dòng)物等[2]。著生藻類（周叢藻類）（periphyton）固著生活，物種數(shù)量巨大，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)水環(huán)境因子變化敏感，具有較強(qiáng)的地域性，便于采集，是河流中更為穩(wěn)固的水生生物類群，具有評(píng)價(jià)河流健康的優(yōu)勢(shì)與潛力，逐步得到應(yīng)用[3-5]。同一水生態(tài)一級(jí)分區(qū)的水系具有相似的氣候、水文、地貌和流域特征；在同一水生態(tài)分區(qū)內(nèi)，水生生物類群結(jié)構(gòu)相近，對(duì)環(huán)境因子有相似的響應(yīng)模式，可以借鑒使用著生藻類的生物完整體性指數(shù)（P-IBI）核心參數(shù)[6]。

本研究基于明水期對(duì)著生藻類的逐月采集分析，通過(guò)篩選松花江哈爾濱段春、夏、秋三季P-IBI核心參數(shù)，建立評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)調(diào)查河段的健康狀況，探討不同人為干擾類型對(duì)河流健康狀況的影響，以期為松花江流域健康評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究水域概況

哈爾濱市位于東經(jīng)125°42'～130°10'，北緯44°04'～46°40'，地處中國(guó)東北北部地區(qū)，黑龍江省南部[7]。哈爾濱市河流眾多，大小河流200 多條，均屬松花江水系；拉林河全長(zhǎng)411km，流域面積11475 km2，自東南向西，流經(jīng)五常、雙城注入松花江，是松花江水系比較大的支流之一[8]。松花江江寬337m，深4.45m[9]。松花江哈爾濱江段干流西自雙城入境，東至依蘭縣出境全長(zhǎng)約466km[10]，市區(qū)江段長(zhǎng)約70km[11]，屬于寬淺河段。當(dāng)松花江流經(jīng)哈爾濱市后，流速減緩[9]。受北方寒冷氣候影響，不同季節(jié)松花江水量變化很大[7]，水系水期劃分為：7 月、8 月、9 月為豐水期；4 月、5 月、6 月、10 月、11 月為平水期；1月、2 月、3 月、12 月為枯水期[10]。

圖1 松花江哈爾濱段著生藻類采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling sites of periphyton in Harbin section of Songhua River

1.2 采樣點(diǎn)

根據(jù)調(diào)查江段人為干擾類型的不同，對(duì)松花江哈爾濱段（拉林河段-依蘭段）共設(shè)置8 個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。S1 位于哈爾濱城區(qū)碼頭江段，受生活污水排放影響；S2 位于呼蘭河下游、S3 位于呼蘭河河口；S2、S3 受工業(yè)、生活污水排放干擾；S4 位于大頂子山壩上、S5 位于大頂子山壩下，S4、S5 屬于工程河段；S6 位于依蘭河段，是調(diào)查河段最下游，屬于鄉(xiāng)村河段，周圍農(nóng)業(yè)污染較少；S7 位于雙城杏山河段，屬于鄉(xiāng)村河段，受農(nóng)業(yè)用水影響；S8 位于雙城拉林河河口，是調(diào)查河段上游，人為干擾較少。

1.3 樣品采集與處理

2015 年5 月—2016 年5 月，參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）[12]，選用人工基質(zhì)-載玻片法，采集和處理著生藻類。各采樣裝置上、下各采集一張玻片（雙面）統(tǒng)計(jì)。著生藻類人工基質(zhì)法需要先布設(shè)采樣裝置，本研究于2015 年5 月對(duì)各采樣點(diǎn)布設(shè)采樣裝置，2015 年6 月—11 月冰封前每月采集著生藻類1 次，即5 月—10 月樣本，采集的同時(shí)布設(shè)下次的采樣裝置。2016 年4 月開(kāi)江后布設(shè)采樣裝置，2016 年5 月采集著生藻類樣本，即4 月樣本。2015 年—2016 年共采集7 次。樣本采集后在現(xiàn)場(chǎng)用魯哥氏液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室沉淀、濃縮、鏡檢。

1.4 著生藻類候選指標(biāo)與分布范圍的篩選

用著生藻類的P-IBI 指數(shù)評(píng)價(jià)調(diào)查水域明水期春、夏、秋季水體的健康狀況。選擇28 個(gè)候選參數(shù)，包含著生藻類對(duì)環(huán)境變化較為敏感的6 類屬性。其中，A1 為著生藻類總分類單元數(shù)；A2 為硅藻總分類單元數(shù)；A3 為綠藻總分類單元數(shù)；A4 為藍(lán)藻總分類單元數(shù)；A5 為著生藻類屬的總數(shù)；A6 為硅藻屬的總數(shù)；A7 為綠藻屬的總數(shù)；A8 為藍(lán)藻屬的總數(shù)，這些反應(yīng)著生藻類的物種豐富度；A9 為敏感性物種相對(duì)多度，反應(yīng)著生藻類的敏感類群；A10 為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）；A11 為Pielou 均勻度指數(shù)（J），反應(yīng)群落多樣性；A12 為硅藻分類單元相對(duì)多度；A13 為藍(lán)藻分類單元相對(duì)多度；A14 為綠藻分類單元相對(duì)多度；A15 為曲殼藻Achnanthes 百分比；A16 為橋彎藻Cymbella 百分比；A17 為菱形藻Nitzschia 百分比；A18 為舟形藻Navicula 百分比；A19 為絲狀綠藻百分比；A20 為顫藻百分比；A21 為硅藻百分比；A22 為綠藻百分比；A23 為藍(lán)藻百分比；A24 為極細(xì)微曲殼藻Achnanthes minutissima 百分比，反應(yīng)相對(duì)豐度；A25 為可運(yùn)動(dòng)硅藻百分比、A26 為具柄硅藻百分比，反應(yīng)生態(tài)型屬性；A27 為著生藻類葉綠素a 含量；A28 為單位面積著生藻類密度，反應(yīng)密度與生物量。不同參數(shù)對(duì)干擾的反應(yīng)見(jiàn)表1[3]。

表1 構(gòu)建P-IBI 指標(biāo)體系的候選生物參數(shù)及對(duì)干擾的反應(yīng)Tab.1 Candidate metrics for periphyton index of biotic integrity（P-IBI）and their expected direction of response to

首先對(duì)28 個(gè)候選參數(shù)的分布范圍進(jìn)行篩選，如果95%以上的樣點(diǎn)得分為零，則放棄該參數(shù)。不同季節(jié)著生藻類的生物屬性特征不同，本研究對(duì)生物指標(biāo)進(jìn)行篩選時(shí)均從春、夏、秋三個(gè)季節(jié)分別篩選適合的指標(biāo)進(jìn)入下一步分析。

1.5 生物參數(shù)判別能力的篩選

按照Barbour 的方法，生物參數(shù)判別能力的篩選是比較生物參數(shù)的參照點(diǎn)和受損點(diǎn)在25%～75%分位數(shù)范圍即箱體四分位間距（IQ，interquartile ranges）的重疊情況，并賦予不同的值：箱體部分沒(méi)有重疊時(shí)，IQ=3；箱體有部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之外時(shí)，IQ=2；僅一個(gè)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。只有IQ≥2 的參數(shù)才作進(jìn)一步相關(guān)性分析[13,14]。

1.6 生物參數(shù)相關(guān)性的篩選

為檢驗(yàn)各參數(shù)反映信息的獨(dú)立性，將通過(guò)判別能力分析余下的參數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析[13]。采用Maxted 的標(biāo)準(zhǔn)，以|r|＞0.75 表示2 個(gè)參數(shù)高度相關(guān)，取其中一個(gè)即可代表相關(guān)參數(shù)間所包含的大部份信息[13,14]。

1.7 核心參數(shù)的賦分及健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確立

經(jīng)過(guò)以上篩選，確定用于P-IBI 評(píng)價(jià)的核心參數(shù)，根據(jù)各點(diǎn)位核心參數(shù)的分布范圍，對(duì)核心參數(shù)賦分。本研究選用四分法進(jìn)行賦分（6、4、2、0）[15,16]。累加最終的P-IBI 得分。以參照點(diǎn)P-IBI 得分分布的25%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[3]，當(dāng)待評(píng)價(jià)點(diǎn)P-IBI 分值大于25%分位數(shù)值，則表示該樣點(diǎn)受到干擾小，確定為健康；小于25%分位數(shù)值的分布范圍，進(jìn)行四等分，確定出亞健康、一般、差和極差。最終獲得5 個(gè)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 分布范圍分析

28 個(gè)著生藻類候選參數(shù)在不同季節(jié)的分布情況表明：在春、夏、秋季，未檢出極細(xì)微曲殼藻Achnanthes minutissima 的百分比，不進(jìn)入下一步篩選；春季有96%的樣點(diǎn)顫藻百分比得分為零，不進(jìn)入春季P-IBI 核心參數(shù)的下一步篩選；夏、秋季菱形藻百分比分別在96%和97%的樣點(diǎn)得分為零，不進(jìn)入夏、秋季P-IBI 核心參數(shù)的下一步篩選（表2）。

表2 28 個(gè)參數(shù)在不同季節(jié)的分布范圍Tab.2 Distribution ranges of 28 metric values in different

2.2 判別能力分析

分別篩選了經(jīng)分布范圍篩選后的不同季節(jié)剩余參數(shù)的判別能力，根據(jù)IQ 分值，分別獲得春季著生藻類屬的總數(shù)、硅藻分類單元相對(duì)多度、綠藻分類單元相對(duì)多度、舟形藻百分比、硅藻百分比、綠藻百分比、可運(yùn)動(dòng)硅藻百分比以及單位面積著生藻類密度，進(jìn)入下一步的篩選；夏季綠藻分類單元相對(duì)多度、硅藻百分比及綠藻百分比進(jìn)入下一步的篩選；秋季曲殼藻百分比、絲狀綠藻百分比進(jìn)入下一步的篩選（圖2）。

2.3 相關(guān)性分析

結(jié)合相關(guān)分析得到的R 值（表3），最終篩選出各個(gè)季節(jié)的P-IBI 核心參數(shù)，春季著生藻類屬的總數(shù)、硅藻分類單元相對(duì)多度、綠藻分類單元相對(duì)多度、可運(yùn)動(dòng)硅藻百分比以及單位面積著生藻類密度；夏季的綠藻分類單元相對(duì)多度和硅藻百分比；秋季的曲殼藻百分比以及絲狀綠藻百分比成為各季節(jié)P-IBI 的核心參數(shù)（表3）。

2.4 核心參數(shù)的賦分

圖2 候選參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱形圖Fig.2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites

表3 各季節(jié)候選參數(shù)間的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果Tab.3 Pearson's correlation matrix of candidate metrics in different seasons

表4 各季節(jié)核心參數(shù)在所有樣點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分布及分值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Descriptive statistics of metrics within all sites using four-scoring method in different seasons

表5 各季節(jié)P-IBI 健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 P-IBI criteria of health assessment in different seasons

本文采用四分法同時(shí)結(jié)合不同核心參數(shù)對(duì)干擾的反應(yīng)對(duì)核心參數(shù)進(jìn)行賦分，各季節(jié)各核心參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布及分值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

2.5 健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)核心參數(shù)賦分情況，最終得到P-IBI 值，通過(guò)P-IBI 值的分布情況，獲得松花江哈爾濱段各個(gè)季節(jié)的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5 個(gè)等級(jí)，分別是健康、亞健康、一般、差和極差（表5）。

2.6 健康評(píng)價(jià)

圖3 各采樣點(diǎn)健康狀況Fig.3 Statues of health in various sampling sites

用表5 的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)了松花江哈爾濱段的健康情況（圖3）。由圖3 可知：明水期，松花江支流呼蘭河、哈爾濱段健康程度較低，其中6—10月呼蘭河未表現(xiàn)出健康狀況。大頂山壩上、壩下以及依蘭采樣點(diǎn)健康狀況較好。但大頂山壩上、壩下健康狀況不同，壩上明顯優(yōu)于壩下。調(diào)查期間，雙城杏山江段健康狀況較為平穩(wěn)，處于一般到亞健康狀況。8 月、9 月是松花江哈爾濱段健康狀況較低的月份，10 月份健康狀況回升。綜上，城市河段、鄉(xiāng)村河段、工程河段對(duì)河流健康狀況的影響表現(xiàn)為：城市＞鄉(xiāng)村＞工程；城市的影響月份變化較鄉(xiāng)村影響大，工程對(duì)于河流壩上、壩下生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的影響較為突出，壩上要優(yōu)于壩下（圖3）。

3 討論

3.1 主要類型人為干擾對(duì)河流健康的影響

生態(tài)系統(tǒng)健康是當(dāng)今生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，河流生態(tài)系統(tǒng)健康（River Ecosystem Health,REH）是其主要的分支。河流生態(tài)系統(tǒng)在環(huán)境壓力下的實(shí)驗(yàn)證明，一些指示種能評(píng)價(jià)河流的狀況，其結(jié)構(gòu)與功能將受到人類活動(dòng)的影響，而檢測(cè)水生生物生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的完整性逐漸被接受并推廣開(kāi)來(lái)[17-19]。20世紀(jì)80 年代，提出了一種重要的河流健康評(píng)價(jià)方法，即生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity,IBI）。IBI 指數(shù)可定量描述環(huán)境狀況，特別是人為干擾與生物特性之間關(guān)系的一組敏感性生物指數(shù)[20-22]。Karr 首次提出以魚(yú)類為研究對(duì)象，后逐步擴(kuò)展到包括著生藻類的不同水生生物類群[23,24]。21 世紀(jì)初，國(guó)際上已逐漸重視著生藻類在河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中的作用[25,26]。在我國(guó)，殷旭旺等（2011）首次引入P-IBI 指數(shù)評(píng)價(jià)河流健康狀況，并與棲息地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)（qualitative habitat evaluation index，QHEI）的評(píng)價(jià)結(jié)果比較，結(jié)果基本一致[6]，進(jìn)一步揭示了基于P-IBI 評(píng)價(jià)河流健康狀況的可行性。

松花江是東北主要水運(yùn)干線和旅游地區(qū)。哈爾濱市作為臨水而建的城市擁有極大的發(fā)展?jié)摿?，也是松花江貫穿的主要城市之一，但其濱水區(qū)受城市發(fā)展結(jié)構(gòu)限制，面臨著許多亟需解決的問(wèn)題[27]。近年來(lái)由于人為活動(dòng)較多的影響與工農(nóng)業(yè)廢水污染，加之全球變暖與酸雨等因素，松花江水生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱[28]。松花江哈爾濱河段不同類型人為干擾因素對(duì)河流健康狀況的影響程度有差異。受工業(yè)廢水和生活污水影響較大的呼蘭河口段以及受城市排污及城市人為活動(dòng)影響較大的碼頭段，河流健康狀況最低。20 世紀(jì)90 年代，哈爾濱就是黑龍江省主要工業(yè)排污區(qū)域，造紙、煤炭采選、食品、煉焦煤氣、飲料、石油加工、醫(yī)藥、黑色冶煉、木材制品、化工、電力、機(jī)械等行業(yè)在全省排污量大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，工業(yè)廢水治理后仍無(wú)法達(dá)標(biāo)[29]。有機(jī)污染物難降解，生物積累，有三致（致癌、致畸、致突變）效應(yīng)[30]。研究表明：有機(jī)污染物對(duì)淡水綠藻、藍(lán)藻以及裸藻的生長(zhǎng)有抑制作用[31-33]，也直接干擾魚(yú)類的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖[34]。當(dāng)河流受到工業(yè)廢水及生活污水侵入，該河段的健康狀況明顯下降。大頂子山航電樞紐工程位于松花江干流哈爾濱下46km 處，是一座以航運(yùn)、發(fā)電和改善哈爾濱市水環(huán)境為主，同時(shí)兼具交通、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等綜合利用功能的低水頭航電樞紐工程[35]。該工程離城市污染源較遠(yuǎn)、人為活動(dòng)較少，水體健康程度較好，但壩上、壩下健康狀況不同，壩上明顯優(yōu)于壩下。這主要?dú)w因于大壩調(diào)水，壩上水面較寬，似水庫(kù)，放水后水位波動(dòng)不大，而壩下水面較窄，放水后在一定時(shí)期內(nèi)水位波動(dòng)較大。水環(huán)境的改變影響著生藻類的演替，反映了壩上、壩下水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的差異。農(nóng)業(yè)是我國(guó)最大的水資源消耗產(chǎn)業(yè)，提高利用效率、降低農(nóng)業(yè)水環(huán)境污染排放是推進(jìn)“綠水青山”戰(zhàn)略的必然選擇[36]。黑龍江省的農(nóng)業(yè)用水量大，并呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要用于灌溉農(nóng)田[37]，過(guò)高的灌溉定額可引起pH 上升、加劇水質(zhì)高礦化度[38]，因此需要注意采用精準(zhǔn)的灌溉模式。在耕種過(guò)程中，農(nóng)田中的泥沙、農(nóng)藥、化肥可經(jīng)雨水、融雪流入河流或滲入地下水，污染河流或地下水，形成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染。近期，農(nóng)田施用的除草劑、殺蟲(chóng)劑已在哈爾濱市附近漁場(chǎng)水體檢測(cè)出[39]。黑龍江省污染源中工業(yè)污染源占6%，生活污染源21%，農(nóng)業(yè)污染源的比例最高，占73%[37]。雙城杏山河段周圍農(nóng)田相對(duì)較多，調(diào)查期間該河段的健康狀況較平穩(wěn)，處于一般到亞健康狀況。由于農(nóng)業(yè)污染中泥沙會(huì)產(chǎn)生河流局部透明度下降，而農(nóng)藥、化肥等會(huì)改變局部河段營(yíng)養(yǎng)鹽的比例，這些都影響著生藻類的演替速度及演替種類，其波動(dòng)較工業(yè)、生活類人為影響的干擾要小。

綜上，“城市修補(bǔ)、生態(tài)修復(fù)”（“城市雙修”）是我國(guó)當(dāng)前新常態(tài)背景下城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要舉措，對(duì)作為城市重要存量資源的工業(yè)遺產(chǎn)，其保護(hù)利用與生態(tài)平衡越來(lái)越成為發(fā)展中關(guān)注的焦點(diǎn)，在新常態(tài)的發(fā)展背景下，需要探尋有效的規(guī)劃手段來(lái)促進(jìn)其物質(zhì)空間和非物質(zhì)要素的有機(jī)更新[40]。本研究基于著生藻類評(píng)價(jià)不同類型人為干擾對(duì)河流健康狀況的影響程度的順序?yàn)椋撼鞘校距l(xiāng)村＞工程，這一結(jié)論建立在目前松花江哈爾濱段的現(xiàn)狀，不得不指出：大頂子山工程始建于2004 年，歷經(jīng)6 年通過(guò)驗(yàn)收，該水利工程施工過(guò)程中人為對(duì)河流健康狀況干擾程度不在本研究范圍內(nèi)。

3.2 春、夏、秋季河流健康的動(dòng)態(tài)特征

藻類物種不能代表藻類組合的敏感性[41]。采用多物種藻類數(shù)據(jù)對(duì)不同人為干擾模式的反應(yīng)至關(guān)重要。在春、夏、秋三季，不同人為干擾類型下松花江哈爾濱段河流健康程度不同，春季各采樣點(diǎn)健康程度平穩(wěn)且較好，夏季具有工業(yè)、生活干擾的河段健康程度明顯下降，并持續(xù)到秋季。而工程干擾樣點(diǎn)健康狀況有下降趨勢(shì)，但相對(duì)上述類型，比較平穩(wěn)且較好，同時(shí)工程河段健康狀況在秋季有回升趨勢(shì)。農(nóng)田干擾河段健康狀況在春季、夏季、秋季波動(dòng)不大，10 月有回升趨勢(shì)。春季松花江哈爾濱段最為健康，健康樣點(diǎn)比例高達(dá)78.6%，亞健康的14.3%，差的占7.1%，即春季健康、亞健康比例總計(jì)達(dá)92.9%，差、極差比例占7.1%；夏季健康樣點(diǎn)比例為23.8%，亞健康23.8%，一般健康28.6%，差的占9.5%，極差的占14.3%，即夏季健康、亞健康樣點(diǎn)比例達(dá)47.6%，一般的比例占28.6%，而差、極差的比例占23.8%，相對(duì)于春季，夏季健康、亞健康總比例下降，差、極差總比例上升；秋季健康樣點(diǎn)比例35.7%，亞健康7.1%，一般健康28.6%，差的占14.3%，極差的占14.3%，即健康、亞健康總比例達(dá)42.8%，一般的比例28.6%，差、極差的比例總計(jì)為28.6%，相對(duì)于夏季，秋季健康、亞健康總比例略有下降，差、極差比例略有升高。豐水期松花江流域水質(zhì)較好，進(jìn)入枯水期后，氨氮濃度開(kāi)始增加，直至翌年1—3 月達(dá)到峰值，春季融雪期個(gè)別斷面的面源污染負(fù)荷加重了污染[42]，春季流域降水增加，夏季減少，秋季減少，春、夏、秋三季流域降水在二松源頭地區(qū)較大，西部地區(qū)降水較少，松花江中下游兩側(cè)地區(qū)居中[43]，諸多季節(jié)性水環(huán)境因子的變化影響著生藻類在特定河段的演替，表現(xiàn)為不同季節(jié)河流健康狀況不同。