水生態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究進(jìn)展及在黃河流域的應(yīng)用實(shí)踐

劉 哲,張 寧,彭定華,張彥崢,張 笛,秦祥朝

生態(tài)環(huán)境部黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心,河南 鄭州 450000

水生態(tài)監(jiān)測(cè)(Aquatic Ecological Monitoring)是通過(guò)對(duì)水文、水生生物、水質(zhì)等水生態(tài)要素的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集,分析評(píng)價(jià)水生態(tài)現(xiàn)狀和變化趨勢(shì),為水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)提供依據(jù)的活動(dòng),是新時(shí)期水資源保護(hù)、監(jiān)督和管理的重要基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)相比,水生態(tài)監(jiān)測(cè)從生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā),更加關(guān)注水環(huán)境因子對(duì)生物的影響和生物對(duì)各種水生態(tài)條件的適應(yīng)。 美國(guó)[1-2]、澳大利亞[3]、英國(guó)[4]等國(guó)家在河流生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方面起步較早,已開(kāi)展了大量研究和應(yīng)用,其中具有代表性的有美國(guó)快速生物評(píng)價(jià)方案(RBPs)[1]、歐盟水框架指令(WFD)[5]等。 部分國(guó)家已將對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)列為環(huán)境管理的重要內(nèi)容[6]。 我國(guó)水生態(tài)監(jiān)測(cè)起步于20 世紀(jì)90 年代。 伴隨水生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),河流生態(tài)健康基礎(chǔ)理論、評(píng)價(jià)體系等方面的研究逐步開(kāi)展起來(lái),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范也相繼發(fā)布,有力地推動(dòng)了我國(guó)流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展[7]。

河流是人類文明的搖籃,也是地球上受人類影響最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一[8]。 黃河是我國(guó)第二長(zhǎng)河流。 黃河流域橫跨東中西部,是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障,也是人口活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域。 加強(qiáng)黃河水生態(tài)監(jiān)測(cè),維護(hù)流域水生態(tài)系統(tǒng)健康,對(duì)促進(jìn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。 本文對(duì)當(dāng)前我國(guó)水生態(tài)監(jiān)測(cè)方法的研究進(jìn)展及在黃河流域的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了綜述,并結(jié)合黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,探討了當(dāng)前黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向,以期為黃河流域水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和綜合管理提供參考。

1 常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方式包括常規(guī)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)。 我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷經(jīng)初創(chuàng)期(1973—1980 年)、成長(zhǎng)期(1980—2005 年)、躍升期(2005—2012 年)和改革期(2012 年至今)[9]。經(jīng)過(guò)多年努力,我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)事業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。 水質(zhì)監(jiān)測(cè)作為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容,也得到了同步發(fā)展。 20 世紀(jì)50 年代,我國(guó)部分區(qū)域依托水文部門開(kāi)啟了以水化學(xué)為主的水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)。 1956—1970 年,研究人員收集了天然河流的水質(zhì)資料,并開(kāi)展了大量研究[10]。 20 世紀(jì)70 年代末,水利和環(huán)保部門分別開(kāi)展了以地表水為主要對(duì)象的水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。 1980 年,中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的組建標(biāo)志著我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)事業(yè)的正式起步。 1983 年,我國(guó)首次發(fā)布的《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—1983)中包含了20 項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。 該標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展中具有重要意義,并經(jīng)歷次修訂形成了現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)。 經(jīng)2002年修訂后,該標(biāo)準(zhǔn)的變化主要表現(xiàn)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目顯著增加。 從飲水安全角度考慮,該標(biāo)準(zhǔn)在基本項(xiàng)目之外增加了集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目和特定項(xiàng)目,總項(xiàng)目數(shù)增至109 項(xiàng),且首次明確規(guī)定了部分水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的水樣處理方式[11]。 伴隨著我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展,黃河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作也取得了顯著進(jìn)步,國(guó)控?cái)嗝鏀?shù)量由2006 年的44 個(gè)增至2020 年的137 個(gè),記錄了黃河流域水質(zhì)由總體中度污染到良好、Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占比從50% 到84.7% 的變化歷程[12-13]。 同時(shí),監(jiān)測(cè)能力也得到了較大提升,分析測(cè)試手段實(shí)現(xiàn)了從化學(xué)方法到電化學(xué)方法、分光光度法再到色譜法、質(zhì)譜法的逐步升級(jí)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有及時(shí)、連續(xù)、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì),于20 世紀(jì)70 年代起源于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用始于20 世紀(jì)80 年代,1998 年后取得了較快發(fā)展[14]。 截至2018 年底,我國(guó)環(huán)境管理部門共建成國(guó)控水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站1 903 座,并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行[15]。 為有效應(yīng)用自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù),研究人員在水樣采集、樣品前處理、系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)付出了諸多努力[16-17],成功克服了黃河水體泥沙含量高、河道水文情勢(shì)復(fù)雜的不利條件。 截至2021 年底,環(huán)境管理部門在黃河流域共建設(shè)運(yùn)行國(guó)控水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站125座。 目前,自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為我國(guó)水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。 在地表水環(huán)境質(zhì)量考核與評(píng)價(jià)中,多數(shù)斷面實(shí)施采測(cè)分離常規(guī)監(jiān)測(cè),部分?jǐn)嗝嫱酵七M(jìn)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)與常規(guī)手工監(jiān)測(cè)相結(jié)合的考核方式。

2 生境監(jiān)測(cè)

河流生境是水生生物賴以生存的環(huán)境[18]。由于河流生境具有提供生物棲息地、維持生物物種多樣性和結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)成生態(tài)廊道的重要作用[19],兼具變化周期長(zhǎng)、相對(duì)穩(wěn)定的特征,評(píng)價(jià)和改善河流生境質(zhì)量已成為河流生態(tài)管理的重要內(nèi)容。 國(guó)際上已報(bào)道的生境監(jiān)測(cè)和調(diào)查方法眾多,涉及多空間要素的方法超過(guò)50 種[20],得到廣泛應(yīng)用的主流方法有英國(guó)的河流生境調(diào)查(RHS)、河流地貌生境調(diào)查(GeoRHS),澳大利亞的物理生境評(píng)估導(dǎo)則(AusRivAS-PAP)、溪流狀況指數(shù)(ISC),美國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估計(jì)劃中的河流評(píng)估方法(EMAP-NRSA)、生物快速評(píng)價(jià)(RBPs)等[21]。由于服務(wù)主體和管理目標(biāo)不同,各國(guó)生境監(jiān)測(cè)方法采用的特征參數(shù)具有一定的差異性,高頻使用的有河岸穩(wěn)定性、河道底質(zhì)、工程設(shè)施、河岸帶緩沖區(qū)植被結(jié)構(gòu)、水流類型及流量流速特征、相鄰?fù)恋乩们闆r、大型樹(shù)木等植物殘?bào)w和河道內(nèi)植被特征等。 獲得廣泛應(yīng)用的幾類生境監(jiān)測(cè)方法中,60%以上的方法已將這些參數(shù)納入其中[21]。 其中, 英 國(guó) GeoRHS[22]和 澳 大 利 亞 AusRivASPAP[23]所含的特征參數(shù)最為豐富,包含70 項(xiàng)以上信息和至少10 項(xiàng)要素類別。

我國(guó)也在水生態(tài)調(diào)查與河流健康評(píng)估中構(gòu)建了適宜我國(guó)河流的生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 在國(guó)家層面,已制定及制訂中的有《河湖健康評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》[24]和《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)指南》[25]。 前者[24]涵蓋形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性、水文完整性、化學(xué)完整性、生物完整性、社會(huì)服務(wù)功能可持續(xù)性5 個(gè)方面的指標(biāo),于2010—2016 年在全國(guó)36 個(gè)河湖水體中進(jìn)行了試點(diǎn),黃河小浪底水庫(kù)及其下游河段即被納入其中,綜合評(píng)級(jí)處于“亞健康”狀態(tài)[26]。 后者[25]包含的生境監(jiān)測(cè)是基于河段尺度,涵蓋10 個(gè)指標(biāo),分別于2020 年、2021 年在黃河干流及主要支流布設(shè)了57 個(gè)、123 個(gè)點(diǎn)位開(kāi)展試點(diǎn),綜合水化學(xué)、生境和生物3 類指標(biāo),探索開(kāi)展河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。 兩種指標(biāo)體系在生境監(jiān)測(cè)方面均選取了河岸帶穩(wěn)定性、河岸帶人工干擾(人類活動(dòng)強(qiáng)度)等高頻應(yīng)用參數(shù)。

在生境監(jiān)測(cè)中,獲取不同尺度特征參數(shù)的方法主要有遙感、無(wú)人機(jī)、人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)收集[21]。 人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是生境監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)手段,在絕大多數(shù)情況下,小尺度下的生境監(jiān)測(cè)仍以此方法為基礎(chǔ)[19]。 遙感技術(shù)能夠?qū)Υ笾谐叨认碌暮恿餍螒B(tài)、河岸帶植被覆蓋率等多數(shù)生境指標(biāo)進(jìn)行定量化分析。 無(wú)人機(jī)技術(shù)可獲取河段以下尺度的近地面高分辨率數(shù)據(jù),有效彌補(bǔ)遙感技術(shù)空間分辨率低和訪問(wèn)周期長(zhǎng)的不足,以及人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查效率低、數(shù)據(jù)質(zhì)量和代表性差的缺陷[27]。 在黃河流域推進(jìn)生境調(diào)查業(yè)務(wù)化運(yùn)行的過(guò)程中,人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。此外,有學(xué)者借助遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)2000—2019 年黃河流域陸表水域時(shí)空變化[28]、河口區(qū)渾濁水體年內(nèi)和年際分布變化[29]等的研究,并基于無(wú)人機(jī)航測(cè)完成了對(duì)黃河源彎曲河道泥沙虧損量的計(jì)算[30];也有學(xué)者基于土地利用/覆被數(shù)據(jù),采用InVEST 模型整體評(píng)估了黃河流域生境質(zhì)量的時(shí)空演變,發(fā)現(xiàn)黃河流域2000—2018年生境質(zhì)量指數(shù)整體呈小幅下降趨勢(shì),在空間上表現(xiàn)出西高東低的分布特征[31]。 湖泊水庫(kù)方面,遙感技術(shù)在對(duì)水體面積[32-33]和植被覆蓋[34]的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中有較多應(yīng)用,尤其是在高原湖泊烏梁素海[35]和青海湖[36]的藻類監(jiān)測(cè)與預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。

3 生物監(jiān)測(cè)

生物監(jiān)測(cè)是利用生物個(gè)體、種群或群落對(duì)環(huán)境污染或變化所產(chǎn)生的反應(yīng),闡明環(huán)境污染狀況的監(jiān)測(cè)方法。 該方法能夠從生物學(xué)角度出發(fā),為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù),具有敏感性、長(zhǎng)期性、富集性、綜合性等優(yōu)勢(shì)[37]。 在水生態(tài)監(jiān)測(cè)中,可用于指示水環(huán)境質(zhì)量的水生生物種類不勝枚舉,具有代表性的有大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物、著生藻類、魚類等。

3.1 大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物

大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中的重要消費(fèi)者之一,其體型較大、遷移能力較弱,多數(shù)營(yíng)固著生活,兼具水質(zhì)敏感性和壽命較長(zhǎng)等特點(diǎn),能夠反映出特定點(diǎn)位一定時(shí)期內(nèi)的生態(tài)效應(yīng)[38-39],是目前水環(huán)境評(píng)估中應(yīng)用最廣泛的指示生物。 其群落結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)境干擾產(chǎn)生一系列響應(yīng),GRAY[40]將這些響應(yīng)歸納為3 類:多樣性降低、機(jī)會(huì)種(生活周期更短、繁殖更快)占優(yōu)、優(yōu)勢(shì)種體型減小。 在實(shí)際應(yīng)用中,大型底棲動(dòng)物可用于監(jiān)測(cè)河流生態(tài)系統(tǒng)受到的各種環(huán)境壓力,包括重金屬污染[41]、有機(jī)污染[42]、酸化[43]、水形態(tài)退化[44]及整體環(huán)境壓力[45]等。 該類群構(gòu)成了歐洲和北美洲大多數(shù)河流生物監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)[46],比利時(shí)[47]、英國(guó)[48]、瑞士[49]等國(guó)家還基于大型底棲動(dòng)物開(kāi)發(fā)出適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的生物指數(shù)。 在我國(guó),大型底棲動(dòng)物也被廣泛用于環(huán)境響應(yīng)分析及水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。 針對(duì)我國(guó)底棲動(dòng)物區(qū)系組成,張汲偉等[50]構(gòu)建了符合中國(guó)可涉水水體(溪流等)和不可涉水水體(河流、湖泊等)特征的底棲動(dòng)物指數(shù)。

大型底棲動(dòng)物在黃河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可追溯至20 世紀(jì)80 年代,顏京松等[51-52]首次以底棲動(dòng)物為研究對(duì)象,采用Trent 生物指數(shù)(TBI)、Chandler 生物指數(shù)(CBI)、Shannon-Wiener指數(shù)和Goodnight 指數(shù)評(píng)價(jià)了黃河干支流枯水期水質(zhì),認(rèn)為TBI 和CBI 更適用于評(píng)價(jià)黃河水質(zhì)。同期,金德美等[53]探索開(kāi)展了黃河底棲動(dòng)物與化學(xué)因子相關(guān)性分析。 20 世紀(jì)90 年代的相關(guān)研究較少,宋玉珍等[54-55]通過(guò)群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)種分析了黃河蘭州段的水質(zhì)狀況。 進(jìn)入21 世紀(jì),伴隨我國(guó)水生態(tài)監(jiān)測(cè)理念的轉(zhuǎn)變,底棲動(dòng)物的指示作用在黃河流域得到了更多關(guān)注與應(yīng)用。 在黃河干流,陳鍔等[56-57]應(yīng)用生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)和CBI 對(duì)春秋兩季黃河蘭州段的水質(zhì)進(jìn)行了生物學(xué)評(píng)價(jià)。 黃旭蕾等[58]對(duì)比20 世紀(jì)80 年代和2008年生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù),應(yīng)用9 種指數(shù)分析了黃河干流水質(zhì)。 其分析結(jié)果表明,Shannon-Wiener 指數(shù)、Margalef 指數(shù)、BMWP 系統(tǒng)和科級(jí)生物指數(shù)(FBI)可作為黃河水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。 針對(duì)源頭區(qū)和河口區(qū)的研究較多,其中:潘保柱等[59]以底棲動(dòng)物作為指示生物分析了黃河源的生態(tài)狀況;LIU 等[60]在黃河源頭區(qū)應(yīng)用FBI、生物指數(shù)(BI)、Shannon-Wiener 指數(shù)進(jìn)行的底棲動(dòng)物狀況評(píng)價(jià)顯示,源頭區(qū)的生態(tài)健康狀況比下游白河更為脆弱;田靜[61]分析了河口區(qū)的水環(huán)境狀況、沉積環(huán)境狀況及大型底棲動(dòng)物分布特征,對(duì)海洋生物指數(shù)(AMBI)進(jìn)行了校正,建立了基于大型底棲動(dòng)物的黃河口及鄰近海域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 支流方面,殷旭旺等[62]和惠曉梅等[63]分別在渭河全流域和沁河山西段探索應(yīng)用底棲動(dòng)物綜合評(píng)估水環(huán)境狀態(tài),發(fā)現(xiàn)渭河上游、洛河中上游地區(qū)的健康狀況較好,渭河中下游、涇河全流域及洛河下游地區(qū)的健康狀況較差,沁河山西段沁水縣以上河段的水環(huán)境狀態(tài)好于其余河段。 湖庫(kù)方面,在劉家峽水庫(kù)[58]、沙湖[64]、烏梁素海[65]、三門峽水庫(kù)[58]、小浪底水庫(kù)[58]、東平湖[66]等黃河流域重點(diǎn)湖泊水庫(kù),均有應(yīng)用底棲動(dòng)物評(píng)估湖庫(kù)水環(huán)境狀況的報(bào)道,多使用生物量、密度及多樣性指數(shù)反映湖庫(kù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

上述研究充分肯定了底棲動(dòng)物在黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)中的重要作用和廣闊的應(yīng)用前景。目前,已陸續(xù)開(kāi)展了針對(duì)黃河全流域的廣泛調(diào)查[67-69]和針對(duì)部分河段[70]及支流[71]的重點(diǎn)調(diào)查,但主要關(guān)注底棲動(dòng)物群落的分布、結(jié)構(gòu)與相關(guān)變化等,在應(yīng)用底棲動(dòng)物進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)與河流健康評(píng)價(jià)方面較其他流域仍相對(duì)薄弱,監(jiān)測(cè)范圍不全,評(píng)價(jià)指數(shù)也不盡相同(表1),尚未形成覆蓋全流域的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。 2005 年傅小城等[65]的調(diào)查顯示,黃河流域底棲動(dòng)物的平均密度和生物量都較低,且干流相對(duì)支流明顯偏低。 在這種情況下,使用傳統(tǒng)的采樣及分類鑒定方式在黃河流域開(kāi)展底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)相對(duì)困難,而采樣量小、靈敏度高的環(huán)境DNA 技術(shù)[72]或能為黃河流域的生物監(jiān)測(cè)提供新的選擇。 同時(shí),根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ),如何通過(guò)合理布設(shè)點(diǎn)位、制定盡可能簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)化采樣方案來(lái)獲取具有代表性的可靠數(shù)據(jù),并篩選適宜的評(píng)價(jià)體系,也將成為應(yīng)用底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)黃河生態(tài)狀況的重要研究?jī)?nèi)容。

3.2 著生藻類

作為初級(jí)生產(chǎn)者,著生藻類位于河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的起始端,具有繁殖速度快、生存周期短的特點(diǎn),能夠反映水環(huán)境的短期效應(yīng)和瞬時(shí)變化[73]。 著生藻類種類多、分布廣,通常附著在底質(zhì)上,在不同水體中具有特定的種類組成,其群落生長(zhǎng)和繁殖的特征與數(shù)量可直接響應(yīng)水體內(nèi)的物理、化學(xué)及生物變化,因此,著生藻類成為河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指示生物[47]。 著生藻類(尤其是硅藻)的豐度、多樣性、生物量、葉綠素a濃度及類群相似性等指標(biāo)均可作為環(huán)境壓力的指示參數(shù)[73],物種敏感性和耐受性則可用于多種生物指數(shù)的開(kāi)發(fā),以評(píng)估水體富營(yíng)養(yǎng)化、酸化、鹽堿化、重金屬污染及有機(jī)污染等水環(huán)境狀態(tài)。 在英國(guó)、美國(guó)、南非等國(guó)家,著生藻類已經(jīng)被納入水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系[74]。

著生藻類在我國(guó)河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,在長(zhǎng)江[75]、松花江[76]、遼河[77]等均有報(bào)道,但在黃河流域僅少數(shù)支流及湖泊有報(bào)道。 徐宗學(xué)團(tuán)隊(duì)[78-81]在渭河流域持續(xù)開(kāi)展了著生藻類研究,不僅從12 種硅藻指數(shù)中篩選出6 種較適用于渭河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)的指數(shù)[78],還成功構(gòu)建了綜合物理完整性、化學(xué)完整性和著生藻類生物完整性的渭河生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)體系(IEI)[81],有效彌補(bǔ)了著生藻類完整性評(píng)價(jià)和水質(zhì)評(píng)價(jià)的不足。 其評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,渭河水系整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況優(yōu)于洛河水系和涇河水系,且渭河水系上游的健康水平較高,中上游的評(píng)價(jià)等級(jí)高于下游,洛河水系和涇河水系也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。 這與殷旭旺等[62]應(yīng)用底棲動(dòng)物得到的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。 在東平湖,劉雙爽等[82]使用Shannon-Wiener 指數(shù)和Pielous 均勻度指數(shù)揭示了東平湖水體由中度污染到輕度污染的變化。

著生藻類在世界范圍內(nèi)廣泛分布,其物種組成具有地域特征。 物種在不同地理區(qū)域的生態(tài)需求,可能會(huì)對(duì)基于同種指標(biāo)的生物監(jiān)測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[83]。 由于著生藻類通常附著在底質(zhì)上,種群的定植模式和規(guī)模還受河流底質(zhì)類型的影響[84]。 項(xiàng)珍龍等[85]發(fā)現(xiàn),卵石型底質(zhì)的藻類物種多樣性比泥沙型底質(zhì)更高。 黃河中下游河床多為均勻密實(shí)的砂質(zhì),這可能成為著生藻類生長(zhǎng)的限制因素。 因此,使用著生藻類指標(biāo)在黃河流域進(jìn)行水生態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí),需充分考慮地域適用性。

3.3 魚類

魚類處于河流生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的頂端,其壽命較長(zhǎng)且運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng),能有效反映河流的綜合生態(tài)條件[2],可作為反映長(zhǎng)期效應(yīng)和廣域生境狀態(tài)的優(yōu)秀指示生物[1]。 魚類群落能夠響應(yīng)包括流量調(diào)節(jié)、化學(xué)污染、富營(yíng)養(yǎng)化、物理生境改變、人類開(kāi)發(fā)及物種引入等在內(nèi)的幾乎所有類型的人為干擾[86]。 在漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖管理中,以魚類作為水質(zhì)的反映指標(biāo)已有悠久的歷史[6]。 研究者以魚類為基礎(chǔ)構(gòu)建了多種生物指數(shù),其中,KARR[2]于1981 年提出的魚類生物完整性指數(shù)(F-IBI)成為多參數(shù)指數(shù)的典型代表,在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。 LYDY 等[87]將改良后的F-IBI 應(yīng)用于美國(guó)堪薩斯州的河流評(píng)價(jià),以反映其受城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)影響的程度。 劉明典等[88]依照長(zhǎng)江魚類區(qū)系的組成特征,初步構(gòu)建了長(zhǎng)江流域的魚類群落生物完整性指標(biāo)體系。

研究人員在黃河流域部分河段和區(qū)域進(jìn)行了F-IBI 的應(yīng)用探索。 張芮等[89]、秦祥朝等[90]分別在河口區(qū)域和伊洛河中下游各選取12 個(gè)和24 個(gè)指標(biāo),初步構(gòu)建了河口水域和伊洛河中下游F-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 溫家華等[91]綜合了F-IBI 法(15個(gè)候選指標(biāo))、綜合污染指數(shù)法、層次分析法,分別對(duì)大汶河流域的魚類、水質(zhì)、河岸帶進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)。 其評(píng)價(jià)結(jié)果表明,大汶河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體較差。 武瑋等[92]使用改良健康指數(shù)(MIWB)評(píng)價(jià)了渭河流域的魚類完整性,評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,渭河上游及南岸支流的魚類完整性最高,渭河關(guān)中地區(qū)、涇河和北洛河的魚類完整性較差。 該結(jié)果與著生藻類的評(píng)價(jià)結(jié)果[78]較為一致,部分差異主要源于魚類和著生藻類對(duì)環(huán)境壓力的敏感性不同。 同時(shí),武瑋等[92]提出,由于F-IBI 計(jì)算復(fù)雜,需要豐富的魚類功能屬性資料,MIWB 比F-IBI 更適用于魚類資料缺乏且人類干擾劇烈的渭河流域。 該建議為應(yīng)用魚類進(jìn)行黃河水生態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的思路。 此外,長(zhǎng)期以來(lái),通過(guò)魚類反映污染物的生物累積和毒性效應(yīng)一直是黃河流域水污染監(jiān)測(cè)的重要方式,如魚體重金屬的富集情況[93]、水污染對(duì)魚類的遺傳毒性[94]等,魚類群落結(jié)構(gòu)特征也被用于探究黃河調(diào)水調(diào)沙對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[95]。

黃河水系魚類主要分布在下游,共約141種,大部分屬于鯉科[96]。 在應(yīng)用魚類反映水環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)方面,現(xiàn)有研究多使用多樣性指數(shù)( 如 Shannon-Wiener 指 數(shù)、 Simpson 指 數(shù)、Margalef 指數(shù))反映魚類群落結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化,較少應(yīng)用以生物完整性指數(shù)(IBI)為代表的多參數(shù)指數(shù)(表1),難以形成對(duì)全流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)的有力支撐。

表1 生物監(jiān)測(cè)在黃河流域的應(yīng)用Table 1 Application of biological monitoring in the Yellow River Basin

3.4 其他生物

水生態(tài)監(jiān)測(cè)常用的生物類群還有很多,包括細(xì)菌、浮游動(dòng)物、浮游植物、高等水生植物等。 將這些類群作為指示生物各有優(yōu)勢(shì)和短板,其響應(yīng)的環(huán)境變化類型也各有差異,因此,選擇合適的指示生物是有效開(kāi)展河流水生態(tài)監(jiān)測(cè)的重要前提。在時(shí)間尺度上,大型底棲動(dòng)物、著生藻類、浮游動(dòng)物、浮游植物和細(xì)菌能夠表征水環(huán)境相對(duì)短期的變化,魚類則能夠體現(xiàn)水環(huán)境的長(zhǎng)期變化;在響應(yīng)環(huán)境的變化類型方面,大型底棲動(dòng)物易受底質(zhì)類型、流速、河道形態(tài)等生境變化的影響[97],著生藻類、浮游植物更多地受到pH、營(yíng)養(yǎng)鹽等水化學(xué)因子的影響[98]。 表1 簡(jiǎn)要列出了底棲動(dòng)物、魚類和著生藻類在黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)和水環(huán)境健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用情況。

應(yīng)用生物類群監(jiān)測(cè)水環(huán)境時(shí),可單獨(dú)使用某一種類群進(jìn)行評(píng)價(jià),也可使用多種生物的集合種群進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 浮游植物[99-101]是黃河水生態(tài)監(jiān)測(cè)中除底棲動(dòng)物、魚類外,應(yīng)用較多的另一生物類群。 蔣曉輝等[99]綜合浮游植物、底棲動(dòng)物、魚類指標(biāo)對(duì)黃河干流劉家峽以下河段的研究發(fā)現(xiàn),與參照值相比,大部分河段水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均發(fā)生了較大變化,部分河段水生態(tài)功能喪失。 黃旭蕾[102]綜合3 種生物類群的調(diào)查結(jié)果也表明,黃河干流水生態(tài)狀況不容樂(lè)觀。

4 黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析

水少沙多、水沙異源、時(shí)空分布不均是黃河區(qū)別于國(guó)內(nèi)外其他河流的基本特征[104]。 黃河中游分布著世界上面積最廣、流失強(qiáng)度最大的水土流失區(qū)域,是黃河泥沙的主要來(lái)源[105]。 “人民治黃”以來(lái),在水沙治理、防洪減災(zāi)等方面取得了矚目的成績(jī),但流域內(nèi)生態(tài)脆弱問(wèn)題仍十分突出,水生生物資源狀況不容樂(lè)觀。 李紅娟等[106]在2002—2006 年對(duì)黃河流域水生生物資源進(jìn)行的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),黃河干流漁業(yè)產(chǎn)量與20 世紀(jì)50 年代相比下降了80% ～ 85%。 蔣曉輝等[99]分析2008 年黃河干流水生態(tài)調(diào)查資料發(fā)現(xiàn),與20 世紀(jì)50 年代、80 年代相比,除底棲動(dòng)物外,其他生物的種類和數(shù)量均明顯下降。

當(dāng)前,我國(guó)水環(huán)境管理正從單一的水質(zhì)管理向水生態(tài)管理轉(zhuǎn)變,構(gòu)建合理、高效的水生態(tài)監(jiān)測(cè)方法并推廣應(yīng)用對(duì)黃河流域水生態(tài)保護(hù)與管理具有重要意義。 盡管研究人員付出諸多努力,但目前黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)尤其是水生生物監(jiān)測(cè)的整體水平仍相對(duì)落后。

在常規(guī)監(jiān)測(cè)方面,黃河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟,監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)較為完善且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。 未來(lái),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì),逐步擴(kuò)大自動(dòng)監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍,促進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的高效化、網(wǎng)絡(luò)化,將是提升監(jiān)測(cè)效率的重要途徑。

在生境監(jiān)測(cè)方面,現(xiàn)有研究已提出多種針對(duì)不同尺度生境的監(jiān)測(cè)方法,但仍缺少多尺度長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)生境整體變化的成熟方法,也尚未根據(jù)黃河水少沙多的特征構(gòu)建有針對(duì)性的流域生境監(jiān)測(cè)體系。 其中,生態(tài)流量是一項(xiàng)重要的生境特征參數(shù),雖然主流生境監(jiān)測(cè)方法較少涉及該指標(biāo),但生態(tài)流量對(duì)在流域尺度下維持河流生態(tài)系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。 伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,黃河的供水量不斷增加,2018 年總供水量已達(dá)516. 2 億m3,因此,將生態(tài)流量指標(biāo)納入黃河生境監(jiān)測(cè)體系已成為迫切需求[20]。 受天然因素和調(diào)水調(diào)沙影響,黃河水體含沙量高且具有時(shí)間和空間異質(zhì)性,而含沙量也是對(duì)底棲動(dòng)物影響最為顯著的水動(dòng)力因素之一[107],但目前該指標(biāo)并未被納入主流生境監(jiān)測(cè)方法,因此,在構(gòu)建黃河流域生境監(jiān)測(cè)體系時(shí),將含沙量納入其中十分必要。

在生物監(jiān)測(cè)方面,從監(jiān)測(cè)區(qū)域上看,黃河流域?qū)ι锉O(jiān)測(cè)的應(yīng)用遠(yuǎn)未普及,現(xiàn)有工作零星分布在局部河段、支流和湖庫(kù),亟須擴(kuò)展至整個(gè)流域,并建立長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)機(jī)制;從工作積累上看,黃河流域的生物監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)薄弱,現(xiàn)有研究成果各有側(cè)重,缺乏監(jiān)測(cè)指標(biāo)上的統(tǒng)一性、時(shí)間上的連續(xù)性,造成數(shù)據(jù)不可比等問(wèn)題;從監(jiān)測(cè)指標(biāo)上看,現(xiàn)有研究中,采用單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析的研究較多,綜合多個(gè)指標(biāo)開(kāi)展深入調(diào)查的研究較少,尚未形成全面、完善的指標(biāo)篩選和綜合評(píng)價(jià)體系;從監(jiān)測(cè)技術(shù)上看,目前的生物監(jiān)測(cè)以形態(tài)學(xué)鑒定為主導(dǎo),通過(guò)人工識(shí)別或鏡檢獲取樣品信息,其鑒定結(jié)果精確,但鑒定過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng),且對(duì)鑒定人員鑒定經(jīng)驗(yàn)的要求高,不利于大規(guī)模開(kāi)展,而熒光藻類分析技術(shù)[108]、環(huán)境DNA 技術(shù)[72]等新興技術(shù)(表2)或可有效彌補(bǔ)該方面的不足。

表2 水生態(tài)監(jiān)測(cè)新興技術(shù)Table 2 The advantages and disadvantages of aquatic ecological monitoring emerging technologies

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略,黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)面臨更高的要求與挑戰(zhàn)。 結(jié)合黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀,在水生態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行方面提出以下建議:

1)加快黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)。 首先,加強(qiáng)水生態(tài)監(jiān)測(cè)人才隊(duì)伍建設(shè)。 拓寬用人渠道,積極培養(yǎng)、引進(jìn)優(yōu)秀人才加入到黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作中來(lái),是迅速提高黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)能力的重要手段。 其次,大力開(kāi)展流域監(jiān)測(cè)站網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)。 完善的水生態(tài)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)是開(kāi)展流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)支撐。 加大對(duì)監(jiān)測(cè)站基礎(chǔ)設(shè)備的投入,健全水生態(tài)監(jiān)測(cè)部門專用設(shè)備儀器的配置,可以為水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作的順利運(yùn)行提供必要的物質(zhì)保障。 再次,積極推動(dòng)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。生物類群方面,建議結(jié)合黃河流域已有研究成果,由單一生物類群監(jiān)測(cè)逐步擴(kuò)展至多生物類群監(jiān)測(cè),建立綜合多生物類群的水生生物監(jiān)測(cè)技術(shù);工作范圍方面,建議將水生態(tài)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行從河段、支流逐步擴(kuò)展至流域尺度,并形成示范區(qū)域,結(jié)合不同區(qū)域的關(guān)鍵生態(tài)問(wèn)題,分區(qū)分片有序擴(kuò)展,定期開(kāi)展生態(tài)狀況調(diào)查與評(píng)估,提升流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)能力。

2)建立適用于黃河流域的水生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。 首先,開(kāi)展流域數(shù)據(jù)管理平臺(tái)建設(shè)。開(kāi)發(fā)建立集水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送、集中存儲(chǔ)和管理、統(tǒng)一分析和評(píng)價(jià)于一體的流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)流域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集管理和分析評(píng)價(jià),可以為流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立奠定基礎(chǔ),提升流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、管理和生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估的現(xiàn)代化與信息化水平。 其次,建立具有流域特色的水生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。 綜合考慮黃河流域不同區(qū)域的具體情況,合理篩選監(jiān)測(cè)指標(biāo),分區(qū)域建立適用于本區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù);綜合考慮流域內(nèi)不同類型生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境突出問(wèn)題的差異性,因地制宜、分類施策,科學(xué)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算權(quán)重,分類設(shè)置針對(duì)不同類型、不同區(qū)域的生態(tài)狀況表征指標(biāo),綜合形成適用于黃河流域的水生態(tài)多指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系,為黃河流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作的常態(tài)化、深入化開(kāi)展提供重要支撐。

3)探索新興監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。 發(fā)展智慧監(jiān)測(cè),探索推動(dòng)遙感、無(wú)人機(jī)、環(huán)境DNA 等新興技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,不斷提升水生態(tài)監(jiān)測(cè)能力,協(xié)同提升地面觀測(cè)、遙感驗(yàn)證和生物多樣性監(jiān)測(cè)能力,提高監(jiān)測(cè)效率與監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度,不斷拓展水生態(tài)監(jiān)測(cè)新興技術(shù)在黃河流域的應(yīng)用空間。