2014, Vol. 35
2. 江苏省环境监测中心, 南京 210036
2. Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province, Nanjing 210036, China
人类在开发利用太湖的水资源过程中，将大量污染物和营养盐不断排入太湖，严重影响了太湖水环境安全和水生态功能[1, 2]. 为了解太湖水环境状况，制定合理的太湖开发和管理措施，我国对太湖进行了例行水质监测评价和多次水生生物监测评价[3, 4, 5].
水质和水生生物监测和评价都为太湖管理提供了理论依据，但两种评价方法存在分歧. 如从20世纪90年代开始太湖水质恶化趋势得到初步遏制，总磷、 总氮、 COD和BOD等主要污染指标均有所好转，但蓝藻水华在1999~2007年间发生面积和持续时间却有所增长，水生生物健康状况恶化[6]. 评价结果的差异为太湖的管理和治理提出了难题. 分析两种方法评价结果的异同，对太湖水资源管理和水环境保护具有非常重要的意义.
本研究在太湖湖体布设了9个点位，评估了2008~2012年的湖区水质和水生生物健康状况. 水质评价选用国内外较为常用的内梅罗指数法，水生生物评价选用底栖动物完整性指数评价法[7]. 底栖动物在湖泊生态系统的物质循环和能量流动中起到承上启下的作用[8]，且活动性较差，能反映区域水环境变化. 基于底栖动物的生物完整性指数作为一种综合性生物评价方法已经被广泛应用于北美、 欧洲和我国的河流及湖泊水生生物监测中[9, 10, 11, 12, 13]. 本研究旨在分析太湖水质和水生生物健康评价结果，初步探讨改善太湖水生态环境的方法.
本研究采样点分布如图1所示.
水质监测指标包括透明度、 溶解氧、 电导率、 高锰酸盐指数、 五日生化需氧量(BOD5)、 总氮(TN)、 氨氮(NH+4-N)和总磷(TP). 现场使用 YSI 6600V2 型多参数水质监测仪测定水体表层电导率及溶解氧，观测样点水体透明度. 采集1000 mL水样冷冻保存，带回实验室测定总氮、 总磷、 氨氮、 高锰酸盐指数和五日生化需氧量，处理和检测方法详见文献[14]. 底栖动物采样所用的仪器为开口面积为1/16 m2的彼得逊采样器，每个样点采样3次. 采集的样品过450 μm的滤网后盛装在棕色试剂瓶中(500 mL)带回实验室处理. 将样品置于白瓷盘中，人工拣选活体后加入8%的福尔马林溶液固定，并在显微镜下鉴定样品种类并计数.
 | 图1 太湖采样点分布示意Fig. 1 Locations of the sampling sites in Taihu Lake |
为表征底栖动物的丰富度、 耐污性、 多样性和结构组成，本研究综合考虑了太湖底栖动物组成和国内外底栖动物完整性评价的案例，选择总分类单元数、 个体数量等多种生物参数(见表 1)[8, 13].
 | 表 1 候选生物指标及其对干扰的反应1)Table 1 Candidate metrics and their expected response to disturbance |
太湖流域人类活动频繁，湖体无未受人类干扰的地区. 在以往的太湖参照点选择中，马陶武等[4]重点考虑了湖泊污染程度，应用了HBI法选择污染程度较低的点作为参照点. 而高欣等[13]考虑生态系统的复杂性，选用大型底栖动物多样性指数较高，理化指标较好的点作为参照点. 本研究肯定了耐污性和多样性在生态体系健康中的重要作用，同时也考虑群落丰富度和清洁种、 耐污种个体数量及比例在生态系统健康程度中的指示作用，选择了多种参数共同衡量各个样点的健康程度，并筛选生物健康状况较好的样点作为参照点. 方法如下：计算各采样点的候选生物指数，并计算其值的频度分布：最小值、 10%分位数、 50%分位数、 90%分位数、 最高值. 对于随污染胁迫增加而降低的参数，高于50%分位值、 10%~50%分位值和低于10%分位值的点位分别记5、 3、 1分. 对随污染胁迫增加而数值增加的参数，则低于50%的分位值、 50%~90%分位值和高于90%分位值分别记为5、 3、 1分[4]. 计算所有点位的总分值，并选取17个分值较高的点位作为参照点.
(1)判别能力分析
为消除极值的影响，对所有候选参数进行95%置信区间的标准化处理[13]. 本研究采用Barbour的方法，考察参照点和试验点在25%~75%百分位数范围内箱体之间的重叠情况，以检验生物指数在参照点和试验点之间差异的显著性(见图2)[16].
选择判别能力较强的候选生物参数，即参照点和试验点两箱体之间无重叠或箱体重叠但两箱体的中位线均在对方箱体之外的参数[优势种占百分比(M1)、 总分类数(M2)、 香农-维纳指数(M3)、 辛普森指数(M4)、 Margalef指数(M5)、 BI指数(M6)、 BPI指数(M7)、 腹足纲数量(M8)和腹足纲比例(M9)]用于进一步分析.
(2)相关性分析
相关性分析的目的是剔除冗余因子，使各参数反映的信息具有独立性. 对以上9个因子的Pearson分析结果如表 2所示.
| 表 2 候选生物Perason相关分析结果表Table 2 Person correlation matrix of the candidate metrics |
当r>0.7时，两种因素为高度相关，保留其中一个即可代表相关参数间所包含的大部份信息. 经过相关性分析，发现香农-维纳指数(M3)、 BI指数(M6)、 BPI指数(M7)和腹足纲数量(M8)可以表述9种候选参数所包含的主要信息. 因此最终选择这4个生物参数作为B-IBI的指标.
(3)参照点分布及分值计分标准
累加所有选定参数的赋分值，得出所有样点B-IBI的得分. 以参考点位B-IBI分值分布的25%分位数作为健康标准，将低于25%分为点的分值四等分，将健康水平分为健康、 亚健康、 一般、 较差、 差5个等级的划分标准(见表 3)[13]. 值得注意的是，由于太湖缺乏无人类干扰的清洁点，也没有足够的历史数据值得借鉴，本研究中选用水生生物丰度、 多样性和结构组成较好的点作为参照点，并以参照点的参数为标准定义了相对的健康等级，因此本研究中所定义的“健康”是相对而非绝对的.
| 表 3 B-IBI评价分级标准Table 3 Standard for the scores of the B-IBI assessment |
 | 图2 参照点和试验点的候选参数箱线图 Fig.2 Box-plots of the candidate metrics in reference sites and experimental sites |
内梅罗污染指数同时考虑了共存的多种污染参数和最主要的污染物对水质的影响，计算方法简单，是目前应用最为广泛的水质评价方法之一[11]. 其计算方法如公式(1)所示.
受监测数据的限制，本研究仅选取TN、 TP、 NH+4-N、 DO、 高锰酸盐指数和BOD5这6个参数评价水质污染状况. Lij为地表水Ⅲ类水的水质参数指标.
本研究应用SPSS 18软件实现参数之间的相关性分析.
2008~2012年太湖共发现大型底栖动物23种，其中每年发现大型底栖动物种类分别为13、 13、 8、 9、 9种. 东太湖(渔洋山和金墅港)的生物种类数明显高于其它点位. 5 a间在东太湖2个点位发现的底栖动物种类为18种，在其它湖区7个点位仅为9种.
太湖优势种为河蚬和霍甫水丝蚓. 但河蚬为优势种的点位也逐年减少(由2008年的4个点位降低到2012年的0个点位). 霍甫水丝蚓在全湖各点的优势地位日益明显：到2012年以霍甫水丝蚓为优势种的点位已达到5个，主要集中在太湖西北部. 大浦口在2009~2012年的优势种都是霍甫水丝蚓，该点位年平均生物总数和霍甫水丝蚓数量(887 ind ·m-2和451 ind ·m-2)明显高于其它点位. 生物耐污性BI指数太湖所有样点(包括参照点和试验点)的都达到了8以上，太湖湖体内的大型底栖动物以耐污种为主.
底栖动物完整性评价结果显示，太湖大部分区域处于亚健康状态(表 4). 太湖2011年和2012年水生生物健康状况较之前3年略有下降. 东太湖(渔洋山和金墅港)5 a间水生生物基本都处于健康状态，其底栖动物完整性指数最高的点位于太湖西北区域(大浦口、 沙诸、 小湾里、 五里湖心). 五里湖心的年均底栖动物完整性指数最低，5 a间水生生物平均健康状况较差.
| 表 4 太湖采样点位的B-IBI指数值和生态健康状况 1) Table 4 B-IBI value and health status of the sample sites in Taihu Lake |
2008~2012年太湖的水质在Ⅲ~劣Ⅴ类，主要的污染物是总氮，全湖大部分样品的总氮含量超过了国家Ⅲ类水标准. 部分点位的总磷和高锰酸盐指数也超出了Ⅲ类水质标准. 根据内梅罗指数法，计算太湖不同点位和时间的水质状况，结果如表 5所示. 太湖水质变化随年度没有明显的变化趋势，2008~2012年影响太湖内梅罗指数的最重要的水质参数是总氮. 五里湖心和东太湖点位水质较好，太湖西北部地区水质较差，水质最差的样点是大浦口.
| 表 5 太湖采样点位的内梅罗指数值
Table 5 Nemerow value of the sample sites in Taihu Lake
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总体上说，太湖水质评价和水生生物评价结果表现出相似趋势，说明水质和水生生物之间存在一定的相关性. 东太湖水生生物健康水平处于健康和亚健康状态，水生生物种类较多，并检出沙蚕、 环棱螺和钩虾等耐污性较差的物种，这与东太湖水质相对较好(长期处于Ⅲ~Ⅳ级)有关. 而东太湖污染物和营养盐较低与该地区完整的生态系统也不无关系. 东太湖水草繁盛，生态系统相对复杂，有利于区域的营养盐的固定和循环，有效降低了水体中有机物和营养盐含量，抑制了蓝藻水华暴发. 相反，大浦口的水质等级和水生生物健康状况都较差. 该采样点位于河口地区，入湖河流带来的大量黏质底泥、 有机质和营养盐导致湖区有机污染物和多种无机营养盐严重超标. 水体中过量的有机物和营养盐造成该区域藻类大量繁殖，隔断了水体中光和氧气交换，且有机污染物和蓝藻分解也会消耗大量溶解氧，这可能是大浦口地区生物种类减少，而耐缺氧生物霍甫水丝蚓大量滋生的原因.
从时间上看，根据1960~1961年的调查[3]，太湖全湖水质优于地表水Ⅲ类水的标准，而水生底栖动物种类超过了40种[3]. 而本研究中，2008~2012年间，太湖平均水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类，而底栖动物种类也仅有23种. 太湖水质等级和水生生物丰富度在50 a间都呈现出了明显的下降趋势，这说明太湖水生态健康状况与水质之间在长时间范围内表现出一致性.
内梅罗指数和生物完整性指数之间却缺乏相关性(r=0.023，P=0.885)，水质评价结果与水生生物评价结果之间也存在一定的差异. 空间上，五里湖心点位虽然水质等级与东太湖相当，但水生生物健康状况明显差于太湖其它点位. 时间上，太湖水质在2008~2012年间没有明显的变化，但水生生物健康状况却略下降.
水质理化和水生生物评价的目的都是衡量水环境健康程度，分析水环境安全问题，有目的性地管理并保护水资源，因而两者之间是相辅相成的. 然而，由于两种评价方法的评价角度和内容的差别，评价结果间常存在分歧. 当两者出现分歧时，不能简单地规定以何种监测方法结果为准，而应该分析分歧所产生的深层次原因，探讨相应的管理手段. 如本研究中五里湖水质和水生生物监测结果的差异主要源于人类清淤和闸控等干扰. 五里湖虽然水质较好，但水环境功能性和现有生态系统抗干扰能力较差，需要进一步地恢复水体生态功能. 而在Nedeau等[17]研究中排污通过增加浅滩生境增加了下游的石蛾、 蜉蝣等水生昆虫的丰富度，但排污后流域水质有所降低，因此不能因水体生物丰富度增加就认定排污有利于生态健康，仍然需要对污水进行净化处理. 只有掌握了影响水质和水生物健康的深层次原因才能准确有效地进行环境管理和污染治理.
本研究中水质评价和生物评价的差异可能主要源于以下3点.
第一，水质评价和水生生物评价所涉及的时间尺度有所区别. 水质参数所表征的是采样瞬时样点的水环境质量，受诸如风力、 温度等环境因素影响较大. 而水生生物评价结果则表征的是湖区长时间的水环境综合质量. 如本研究中底栖动物的种类和数量可以反映一个世代，甚至多个世代期间水质变化的积累状况，相对稳定. 此外，由于太湖中有机物和营养盐浓度对底栖动物没有明显的毒性效应，而底栖动物在生态系统中等级较高，因此其生物健康状况对水质变化反映具有一定的滞后性.
第二，水质评价主要关注水体中污染物和营养盐浓度是否超出了环境阈值，而水生生物评价所关注的是水环境对水生生物生长的承载功能，不仅要考虑水质因素，还需要考虑生境(底质、 流速、 温度、 泥沙含量、 大型水生植物覆盖等[18, 19, 20])因素. 如五里湖虽然目前水质高于地表水Ⅲ级水平，但由于： ①该地区水质曾一度污染严重，底栖动物大量死亡[21]; ②2003年进行生态清淤，底栖生态系统遭到严重破坏[22]; ③五里湖和梅梁湖之间设置了水闸隔断了湖区间的物质交换和生物迁移，因而水生生物健康状况较差[23]. 仅有水质差异成为影响底栖动物生存最重要的因素时，底栖动物的种类和数量(本研究中体现为生物完整性指数的变化)才能表征水质变化.
第三，底栖动物完整性指数和内梅罗指数均属于综合性评价方法，其结果同时反映不同权重的多个参数. 如本研究中底栖动物完整性指数涵盖了物种丰富度、 物种个体数量比例、 物种耐污性和物种多样性4类参数，而内梅罗指数包含了6个参数. 这些参数之间相互影响，影响方向和强度有所差异. 因此很难找出内梅罗指数和生物完整性指数之间的相关性.
此外，污染物浓度低于底栖动物的检出限、 污染物高于底栖动物的耐受能力以及污染物之间的相互作用等也可能影响水质评价和水生生物评价的一致性.
水质评价和水生生物评价的最终目的都是更好地管理太湖水资源. 分析影响水质和水生生物健康的主要因素，寻求改善水环境的可控手段对太湖水质管理和功能恢复具有非常重要的意义. 五里湖心的水质已可以满足多种底栖动物需求，因而模拟历史生态系统组成，通过水生生物种植、 底栖动物和鱼苗放养恢复多层次的生态系统应该是该区域水生态功能保护和恢复的重点.
太湖其他区域水质和水生生物评价存在相似的趋势，说明水质控制有利于保障区域水生态功能. 生物完整性指数评价指标中丰富度、 耐污性、 多样性和结构组成这4类环境参数与水质参数之间关系更紧密. ①底栖动物总数量可反映底栖动物的丰富度，其与高锰酸盐指数、 生化需氧量、 总氮和氨氮浓度都呈正相关，说明水体中有机物和营养盐是底栖动物生长提供了必要的生长条件. ②耐污性指数BI与叶绿素a呈正相关，多样性指数(香农维纳指数、 辛普森指数和Margalef指数)与水体的叶绿素a呈负相关. 叶绿素a可以表征湖泊中藻含量，是富营养化的重要参数[24, 25]. 这说明太湖富营养化增加了湖泊的污染，降低了水生生态系统稳定性，是影响水生生物健康的主要因素之一. ③寡毛纲分布广泛，是常见的耐污种[26, 27]. 本研究中寡毛类生物在水质和水生生物健康较差的西北湖区数量较大，其数量与高锰酸盐指数、 生化需氧量、 总氮、 氨氮、 总磷浓度及内梅罗指数都呈显著正相关. 因而可以考虑利用寡毛纲作为太湖水污染和富营养化的指示种.
尽管有机物和营养盐为水生生物提供了生长必须的营养物质，但过量的氮磷造成的太湖藻类大量繁殖，降低了生态系统稳定性，最终造成了生态系统功能退化. 因而，控制太湖流域有机污染物和氮磷浓度是实现水生生态系统平衡和健康的可行而有力手段. 其中，大浦口地区水质和水生生物健康状态较差说明入湖河流是太湖重要的污染源. 因而，严控入湖河流的水质等级和营养输入是维护太湖水生态功能的重中之重.
(1)太湖全湖水质受到污染，水生生物健康基本处于亚健康状态.
(2)水质和水生生物评价结果总体上呈现相似趋势. 东太湖水质和水生生物健康状态明显好于西太湖，太湖的水质和水生生物健康从20世纪60年代开始出现了明显的恶化. 水质和水生生物评价结果在短时间和个别点位的差异与两种评价的时间尺度及影响因素有关.
(3)控制太湖流域，特别是入湖河流的有机物和营养盐的排放对改善太湖水质、 保护太湖水生生物健康和恢复太湖水生态功能具有积极的意义.
致谢： 苏州市环境监测站、 无锡市环境监测站和常州市环境监测站在样品采集及分类鉴定中做了大量工作，在此致以诚挚的感谢.
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