基于著生藻類的松花江哈爾濱段明水期三季健康評價

李喆，霍堂斌，吳松，王繼隆，馬波

（中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

松花江作為我國七大水系之一，擔負著東北地區大部分人口的生活用水和工業生產用水的重任，也是生活、生產污水的受水體。松花江的污染源包括工業污染源、生活污染源、農業污染源。人類活動是影響松花江健康狀況的重要因素。與傳統的分析化學方法不同，生物監測不需要昂貴和精密的儀器，也減少了對各種污染物盲目化學篩選的時間和成本，被廣泛用于評價水環境健康狀況[1]。用于監測的生物包括著生藻類、水生大型植物、原生動物、細菌、魚類、大型無脊椎動物等[2]。著生藻類（周叢藻類）（periphyton）固著生活，物種數量巨大，群落結構復雜，對水環境因子變化敏感，具有較強的地域性，便于采集，是河流中更為穩固的水生生物類群，具有評價河流健康的優勢與潛力，逐步得到應用[3-5]。同一水生態一級分區的水系具有相似的氣候、水文、地貌和流域特征；在同一水生態分區內，水生生物類群結構相近，對環境因子有相似的響應模式，可以借鑒使用著生藻類的生物完整體性指數（P-IBI）核心參數[6]。

本研究基于明水期對著生藻類的逐月采集分析，通過篩選松花江哈爾濱段春、夏、秋三季P-IBI核心參數，建立評價體系，評價調查河段的健康狀況，探討不同人為干擾類型對河流健康狀況的影響，以期為松花江流域健康評價奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究水域概況

哈爾濱市位于東經125°42'～130°10'，北緯44°04'～46°40'，地處中國東北北部地區，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411km，流域面積11475 km2，自東南向西，流經五常、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約466km[10]，市區江段長約70km[11]，屬于寬淺河段。當松花江流經哈爾濱市后，流速減緩[9]。受北方寒冷氣候影響，不同季節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分布圖Fig.1 Sampling sites of periphyton in Harbin section of Songhua River

1.2 采樣點

根據調查江段人為干擾類型的不同，對松花江哈爾濱段（拉林河段-依蘭段）共設置8 個采樣點（圖1）。S1 位于哈爾濱城區碼頭江段，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、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，是調查河段最下游，屬于鄉村河段，周圍農業污染較少；S7 位于雙城杏山河段，屬于鄉村河段，受農業用水影響；S8 位于雙城拉林河河口，是調查河段上游，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《水和廢水監測分析方法》（第四版）[12]，選用人工基質-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）統計。著生藻類人工基質法需要先布設采樣裝置，本研究于2015 年5 月對各采樣點布設采樣裝置，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，采集的同時布設下次的采樣裝置。2016 年4 月開江后布設采樣裝置，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。樣本采集后在現場用魯哥氏液固定，帶回實驗室沉淀、濃縮、鏡檢。

1.4 著生藻類候選指標與分布范圍的篩選

用著生藻類的P-IBI 指數評價調查水域明水期春、夏、秋季水體的健康狀況。選擇28 個候選參數，包含著生藻類對環境變化較為敏感的6 類屬性。其中，A1 為著生藻類總分類單元數；A2 為硅藻總分類單元數；A3 為綠藻總分類單元數；A4 為藍藻總分類單元數；A5 為著生藻類屬的總數；A6 為硅藻屬的總數；A7 為綠藻屬的總數；A8 為藍藻屬的總數，這些反應著生藻類的物種豐富度；A9 為敏感性物種相對多度，反應著生藻類的敏感類群；A10 為Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）；A11 為Pielou 均勻度指數（J），反應群落多樣性；A12 為硅藻分類單元相對多度；A13 為藍藻分類單元相對多度；A14 為綠藻分類單元相對多度；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 為藍藻百分比；A24 為極細微曲殼藻Achnanthes minutissima 百分比，反應相對豐度；A25 為可運動硅藻百分比、A26 為具柄硅藻百分比，反應生態型屬性；A27 為著生藻類葉綠素a 含量；A28 為單位面積著生藻類密度，反應密度與生物量。不同參數對干擾的反應見表1[3]。

表1 構建P-IBI 指標體系的候選生物參數及對干擾的反應Tab.1 Candidate metrics for periphyton index of biotic integrity（P-IBI）and their expected direction of response to

首先對28 個候選參數的分布范圍進行篩選，如果95%以上的樣點得分為零，則放棄該參數。不同季節著生藻類的生物屬性特征不同，本研究對生物指標進行篩選時均從春、夏、秋三個季節分別篩選適合的指標進入下一步分析。

1.5 生物參數判別能力的篩選

按照Barbour 的方法，生物參數判別能力的篩選是比較生物參數的參照點和受損點在25%～75%分位數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：箱體部分沒有重疊時，IQ=3；箱體有部分重疊，但各自中位數值都在對方箱體范圍之外時，IQ=2；僅一個中位數值在對方箱體范圍之內，IQ=1；各自中位數值都在對方箱體范圍之內，IQ=0。只有IQ≥2 的參數才作進一步相關性分析[13,14]。

1.6 生物參數相關性的篩選

為檢驗各參數反映信息的獨立性，將通過判別能力分析余下的參數進行Pearson 相關分析[13]。采用Maxted 的標準，以|r|＞0.75 表示2 個參數高度相關，取其中一個即可代表相關參數間所包含的大部份信息[13,14]。

1.7 核心參數的賦分及健康評價標準的確立

經過以上篩選，確定用于P-IBI 評價的核心參數，根據各點位核心參數的分布范圍，對核心參數賦分。本研究選用四分法進行賦分（6、4、2、0）[15,16]。累加最終的P-IBI 得分。以參照點P-IBI 得分分布的25%分位數作為健康評價的標準[3]，當待評價點P-IBI 分值大于25%分位數值，則表示該樣點受到干擾小，確定為健康；小于25%分位數值的分布范圍，進行四等分，確定出亞健康、一般、差和極差。最終獲得5 個等級的劃分標準。

2 結果與分析

2.1 分布范圍分析

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

表2 28 個參數在不同季節的分布范圍Tab.2 Distribution ranges of 28 metric values in different

2.2 判別能力分析

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

2.3 相關性分析

結合相關分析得到的R 值（表3），最終篩選出各個季節的P-IBI 核心參數，春季著生藻類屬的總數、硅藻分類單元相對多度、綠藻分類單元相對多度、可運動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P-IBI 的核心參數（表3）。

2.4 核心參數的賦分

圖2 候選參數在參照點和受損點的箱形圖Fig.2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites

表3 各季節候選參數間的Pearson 相關分析結果Tab.3 Pearson's correlation matrix of candidate metrics in different seasons

表4 各季節核心參數在所有樣點的統計分布及分值計算標準Tab.4 Descriptive statistics of metrics within all sites using four-scoring method in different seasons

表5 各季節P-IBI 健康評價標準Tab.5 P-IBI criteria of health assessment in different seasons

本文采用四分法同時結合不同核心參數對干擾的反應對核心參數進行賦分，各季節各核心參數統計分布及分值計算標準見表4。

2.5 健康評價標準

根據核心參數賦分情況，最終得到P-IBI 值，通過P-IBI 值的分布情況，獲得松花江哈爾濱段各個季節的健康評價標準，評價標準分為5 個等級，分別是健康、亞健康、一般、差和極差（表5）。

2.6 健康評價

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

用表5 的健康評價標準評價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月呼蘭河未表現出健康狀況。大頂山壩上、壩下以及依蘭采樣點健康狀況較好。但大頂山壩上、壩下健康狀況不同，壩上明顯優于壩下。調查期間，雙城杏山江段健康狀況較為平穩，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、鄉村河段、工程河段對河流健康狀況的影響表現為：城市＞鄉村＞工程；城市的影響月份變化較鄉村影響大，工程對于河流壩上、壩下生態系統健康狀況的影響較為突出，壩上要優于壩下（圖3）。

3 討論

3.1 主要類型人為干擾對河流健康的影響

生態系統健康是當今生態學研究的熱點之一，河流生態系統健康（River Ecosystem Health,REH）是其主要的分支。河流生態系統在環境壓力下的實驗證明，一些指示種能評價河流的狀況，其結構與功能將受到人類活動的影響，而檢測水生生物生態結構與功能的完整性逐漸被接受并推廣開來[17-19]。20世紀80 年代，提出了一種重要的河流健康評價方法，即生物完整性指數（Index of Biotic Integrity,IBI）。IBI 指數可定量描述環境狀況，特別是人為干擾與生物特性之間關系的一組敏感性生物指數[20-22]。Karr 首次提出以魚類為研究對象，后逐步擴展到包括著生藻類的不同水生生物類群[23,24]。21 世紀初，國際上已逐漸重視著生藻類在河流生態系統評價中的作用[25,26]。在我國，殷旭旺等（2011）首次引入P-IBI 指數評價河流健康狀況，并與棲息地環境質量評價指數（qualitative habitat evaluation index，QHEI）的評價結果比較，結果基本一致[6]，進一步揭示了基于P-IBI 評價河流健康狀況的可行性。

松花江是東北主要水運干線和旅游地區。哈爾濱市作為臨水而建的城市擁有極大的發展潛力，也是松花江貫穿的主要城市之一，但其濱水區受城市發展結構限制，面臨著許多亟需解決的問題[27]。近年來由于人為活動較多的影響與工農業廢水污染，加之全球變暖與酸雨等因素，松花江水生態系統日趨脆弱[28]。松花江哈爾濱河段不同類型人為干擾因素對河流健康狀況的影響程度有差異。受工業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影響較大的碼頭段，河流健康狀況最低。20 世紀90 年代，哈爾濱就是黑龍江省主要工業排污區域，造紙、煤炭采選、食品、煉焦煤氣、飲料、石油加工、醫藥、黑色冶煉、木材制品、化工、電力、機械等行業在全省排污量大，對環境污染嚴重，工業廢水治理后仍無法達標[29]。有機污染物難降解，生物積累，有三致（致癌、致畸、致突變）效應[30]。研究表明：有機污染物對淡水綠藻、藍藻以及裸藻的生長有抑制作用[31-33]，也直接干擾魚類的生長、發育和繁殖[34]。當河流受到工業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、發電和改善哈爾濱市水環境為主，同時兼具交通、水產養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、人為活動較少，水體健康程度較好，但壩上、壩下健康狀況不同，壩上明顯優于壩下。這主要歸因于大壩調水，壩上水面較寬，似水庫，放水后水位波動不大，而壩下水面較窄，放水后在一定時期內水位波動較大。水環境的改變影響著生藻類的演替，反映了壩上、壩下水生態系統健康狀況的差異。農業是我國最大的水資源消耗產業，提高利用效率、降低農業水環境污染排放是推進“綠水青山”戰略的必然選擇[36]。黑龍江省的農業用水量大，并呈增長趨勢，主要用于灌溉農田[37]，過高的灌溉定額可引起pH 上升、加劇水質高礦化度[38]，因此需要注意采用精準的灌溉模式。在耕種過程中，農田中的泥沙、農藥、化肥可經雨水、融雪流入河流或滲入地下水，污染河流或地下水，形成嚴重的農業面源污染。近期，農田施用的除草劑、殺蟲劑已在哈爾濱市附近漁場水體檢測出[39]。黑龍江省污染源中工業污染源占6%，生活污染源21%，農業污染源的比例最高，占73%[37]。雙城杏山河段周圍農田相對較多，調查期間該河段的健康狀況較平穩，處于一般到亞健康狀況。由于農業污染中泥沙會產生河流局部透明度下降，而農藥、化肥等會改變局部河段營養鹽的比例，這些都影響著生藻類的演替速度及演替種類，其波動較工業、生活類人為影響的干擾要小。

綜上，“城市修補、生態修復”（“城市雙修”）是我國當前新常態背景下城市轉型發展的重要舉措，對作為城市重要存量資源的工業遺產，其保護利用與生態平衡越來越成為發展中關注的焦點，在新常態的發展背景下，需要探尋有效的規劃手段來促進其物質空間和非物質要素的有機更新[40]。本研究基于著生藻類評價不同類型人為干擾對河流健康狀況的影響程度的順序為：城市＞鄉村＞工程，這一結論建立在目前松花江哈爾濱段的現狀，不得不指出：大頂子山工程始建于2004 年，歷經6 年通過驗收，該水利工程施工過程中人為對河流健康狀況干擾程度不在本研究范圍內。

3.2 春、夏、秋季河流健康的動態特征

藻類物種不能代表藻類組合的敏感性[41]。采用多物種藻類數據對不同人為干擾模式的反應至關重要。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，春季各采樣點健康程度平穩且較好，夏季具有工業、生活干擾的河段健康程度明顯下降，并持續到秋季。而工程干擾樣點健康狀況有下降趨勢，但相對上述類型，比較平穩且較好，同時工程河段健康狀況在秋季有回升趨勢。農田干擾河段健康狀況在春季、夏季、秋季波動不大，10 月有回升趨勢。春季松花江哈爾濱段最為健康，健康樣點比例高達78.6%，亞健康的14.3%，差的占7.1%，即春季健康、亞健康比例總計達92.9%，差、極差比例占7.1%；夏季健康樣點比例為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、亞健康樣點比例達47.6%，一般的比例占28.6%，而差、極差的比例占23.8%，相對于春季，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42.8%，一般的比例28.6%，差、極差的比例總計為28.6%，相對于夏季，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較好，進入枯水期后，氨氮濃度開始增加，直至翌年1—3 月達到峰值，春季融雪期個別斷面的面源污染負荷加重了污染[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較大，西部地區降水較少，松花江中下游兩側地區居中[43]，諸多季節性水環境因子的變化影響著生藻類在特定河段的演替，表現為不同季節河流健康狀況不同。