新形勢(shì)下水生物監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建的思考

王旭濤

(珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510610)

黨的十九大報(bào)告對(duì)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)行了多方面的深刻論述，要求“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)”，將建設(shè)生態(tài)文明提升為“千年大計(jì)”。水作為生態(tài)系統(tǒng)的重要控制要素，是生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容，站在中國(guó)發(fā)展新的歷史起點(diǎn)上，積極踐行人與自然和諧共生理念，不斷強(qiáng)化水生態(tài)文明建設(shè)，必將成為今后水利工作的重中之重。在目前生態(tài)文明建設(shè)的新形勢(shì)下，如何開展水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，對(duì)于提升我國(guó)水安全保障能力具有重要意義，也是水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作者應(yīng)重點(diǎn)思考的問(wèn)題。

1 生物監(jiān)測(cè)的必要性

面對(duì)我國(guó)河流水質(zhì)污染嚴(yán)重、河流開發(fā)過(guò)度致使生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重的現(xiàn)狀，除了常規(guī)的物化監(jiān)測(cè)外，急需對(duì)河流生態(tài)健康進(jìn)行監(jiān)控。我國(guó)目前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作主要集中在理化監(jiān)測(cè)上，理化監(jiān)測(cè)盡管能夠靈敏、快速、精確測(cè)得水體內(nèi)許多化學(xué)成分的濃度，卻不能明確這些化學(xué)成分對(duì)水環(huán)境的真實(shí)影響，也無(wú)法表明河流生態(tài)是否健康。我國(guó)已開展河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)十年，形成了龐大的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和整套的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，每年投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行理化采樣和檢測(cè)分析。GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》總共規(guī)定了109項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，其中基本水質(zhì)指標(biāo)僅有24項(xiàng)[1]，就算這24項(xiàng)基本水質(zhì)指標(biāo)全部合格也不代表水環(huán)境狀況一定是良好的[2]，因?yàn)樗w中的化學(xué)污染物種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)標(biāo)規(guī)定的數(shù)量。而生物監(jiān)測(cè)可以綜合、直接體現(xiàn)各種污染對(duì)水環(huán)境的影響，從而界定水環(huán)境質(zhì)量與水生態(tài)狀況。生物監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于：理化參數(shù)反映的是各種化學(xué)物質(zhì)在水中的瞬時(shí)含量，而生物參數(shù)則可反映這些化學(xué)物質(zhì)在一段時(shí)間內(nèi)如何作用于水生態(tài)系統(tǒng)。

河流水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)的工作目標(biāo)，就是利用各種技術(shù)手段，測(cè)定和分析水體生命系統(tǒng)各層次對(duì)自然或人為的反應(yīng)或反饋效應(yīng)，綜合判斷這些干擾對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生的影響、危害及其變化規(guī)律，為水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估及管理提供科學(xué)依據(jù)。在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的應(yīng)用上，生物監(jiān)測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)：①生物參數(shù)可反映水中各種化學(xué)成分在一段時(shí)間內(nèi)如何作用于水生態(tài)系統(tǒng)，而理化參數(shù)反映的是各種化學(xué)物質(zhì)在水中的瞬時(shí)含量；②某種指示生物能否在水中生存、生存的好壞，直接、全面和綜合反映了水環(huán)境質(zhì)量；③根據(jù)生物的年齡可以追蹤評(píng)價(jià)不同時(shí)段的水環(huán)境質(zhì)量。將生物監(jiān)測(cè)與理化監(jiān)測(cè)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，可以有效加強(qiáng)對(duì)我國(guó)河流生態(tài)健康的監(jiān)管。

2 生物監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇

生物監(jiān)測(cè)(biological monitoring)指利用群落、種群或生物個(gè)體對(duì)環(huán)境污染產(chǎn)生的反應(yīng)，通過(guò)生物學(xué)的方法，從生物學(xué)角度對(duì)環(huán)境污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的一種技術(shù)。在河流水環(huán)境中，水生群落可以認(rèn)為是對(duì)生物和非生物壓力的復(fù)合響應(yīng)，即污染物質(zhì)進(jìn)入河流，水生生物在群落結(jié)構(gòu)特征、個(gè)體行為、生理功能、生態(tài)習(xí)性上都會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)，且響應(yīng)結(jié)果是污染物對(duì)于生物的連續(xù)影響和累積作用[3]。

水體中的生物種類繁多，目前用于生物監(jiān)測(cè)的主要有細(xì)菌、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、著生硅藻、沉水植物、魚類等[4]。不同種類生物的生長(zhǎng)周期不同，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也不同，開展監(jiān)測(cè)工作時(shí)究竟選擇什么種類的生物必須要結(jié)合監(jiān)測(cè)目的、水環(huán)境特征及生物自身特點(diǎn)進(jìn)行篩選，并不是監(jiān)測(cè)的生物指標(biāo)越多越好，以免出現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果自相矛盾的現(xiàn)象。

浮游植物生長(zhǎng)周期短，在水中分布廣泛、密度很高，可以反映水體的營(yíng)養(yǎng)狀況，但是浮游植物顆粒較小，在水中呈懸浮狀態(tài)隨水流動(dòng)，所采樣品不能準(zhǔn)確反映采樣點(diǎn)所在位置的水環(huán)境狀況，多用于湖泊、水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。

浮游動(dòng)物對(duì)環(huán)境變化敏感，但是其運(yùn)動(dòng)能力弱，跟浮游植物一樣隨水體流動(dòng)，因此也不適合作為流動(dòng)水體的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

底棲動(dòng)物大部分時(shí)間或整個(gè)生長(zhǎng)周期都生活在水體底部，對(duì)環(huán)境變化敏感，由于運(yùn)動(dòng)能力不強(qiáng)導(dǎo)致對(duì)水環(huán)境污染的回避能力也有限，其群落結(jié)構(gòu)可以如實(shí)反映局部水體的污染特征。但是底棲動(dòng)物密度低，采樣較為復(fù)雜，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)需多次采樣方能獲得具有代表性的樣本；且底棲動(dòng)物分布受人為擾動(dòng)影響較大，如采沙場(chǎng)下游河段被細(xì)沙覆蓋很難采集到底棲動(dòng)物。

著生硅藻附著在水底石塊或其他基質(zhì)上生長(zhǎng)，固著性強(qiáng)，生長(zhǎng)周期短，不會(huì)“隨波逐流”移動(dòng)，能夠反映一定時(shí)間段內(nèi)的水環(huán)境狀況，可作為河流水環(huán)境指示生物。而且著生硅藻樣品經(jīng)雙氧水消解后剩下的硅質(zhì)外殼制作成玻片標(biāo)本后可保存幾十上百年，保證了數(shù)據(jù)的可追溯性。但是著生硅藻需要根據(jù)外殼上的花紋鑒定到種，鑒定難度大，國(guó)內(nèi)尚未普及。

魚類生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境變化敏感，但是運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì)水環(huán)境污染的回避能力也強(qiáng)，可作為較大的時(shí)間尺度和空間尺度上的指示生物。值得注意的是，魚類對(duì)水環(huán)境污染的指示范圍有限，太清潔或污染太嚴(yán)重的水里很難有魚類生存，不像浮游生物、底棲動(dòng)物和著生硅藻可以在各種水環(huán)境下生長(zhǎng)。

3 生物監(jiān)測(cè)的方式

作為水環(huán)境監(jiān)測(cè)部門我們開展水生生物監(jiān)測(cè)的目的不是簡(jiǎn)單地了解水中生物的種類和數(shù)量，而是要通過(guò)水生生物的群落結(jié)構(gòu)或指示生物反映所監(jiān)測(cè)水域的水環(huán)境狀況，并對(duì)此作出評(píng)價(jià)。目前國(guó)內(nèi)水生生物監(jiān)測(cè)存在一些問(wèn)題：①缺乏統(tǒng)一的水生物監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，不同監(jiān)測(cè)單位獲得的數(shù)據(jù)缺乏可比性[5]；②評(píng)價(jià)手段單一，評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面、準(zhǔn)確；③指示物種僅能定性描述水體污染程度，不能量化水環(huán)境狀況。

生物監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于建立生物群落結(jié)構(gòu)或指示生物與水環(huán)境狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后通過(guò)生物監(jiān)測(cè)信息來(lái)反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的水環(huán)境狀況。以珠江流域開展著生硅藻評(píng)價(jià)工作為例：

珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心自2007年起在珠江流域設(shè)置了113個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(基本上涵蓋了珠江流域主要的干支流和不同水質(zhì)狀況的河段)，每年同步開展水質(zhì)、著生硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)了11年，對(duì)11年的水質(zhì)和生物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用加權(quán)平均回歸模型模擬了珠江流域常見的230種硅藻[6- 8]和208種底棲動(dòng)物[9]生長(zhǎng)所需的13項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的最適值和耐受范圍，并據(jù)此篩選了不同水質(zhì)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的硅藻和底棲動(dòng)物指示種，解決了以往硅藻和底棲動(dòng)物指示種僅能定性籠統(tǒng)指示水質(zhì)狀況的難題。根據(jù)在流域不同河段的采樣經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果編寫了珠江硅藻和底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)指南，構(gòu)建了硅藻和底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析了硅藻物種在各級(jí)水質(zhì)中的出現(xiàn)概率，計(jì)算了珠江流域常見底棲動(dòng)物功能類群及耐污值；從流域?qū)用娼y(tǒng)一了硅藻和底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)和評(píng)價(jià)等級(jí)，使得流域內(nèi)各條河流的評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比性[10]。

4 生物監(jiān)測(cè)的未來(lái)趨勢(shì)

目前水生生物監(jiān)測(cè)主要采用的方法是野外采樣，然后實(shí)驗(yàn)室內(nèi)在顯微鏡下鑒定生物種類、記錄數(shù)量。但是顯微鏡檢的方法存在3個(gè)弊端。

(1)門檻高。新職工按水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可開展工作，但是水生物的鑒定過(guò)高依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，沒有幾年的水生物鑒定經(jīng)驗(yàn)無(wú)法獨(dú)立開展工作，而且目前高校中很少有學(xué)生學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的生物分類學(xué)，導(dǎo)致生物鑒定人才極度缺乏。

(2)效率低。在顯微鏡下鑒定一個(gè)藻類樣品需要二三個(gè)小時(shí)，這就導(dǎo)致無(wú)法增加水生物監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量和監(jiān)測(cè)頻次，從而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確定和全面性。

(3)誤差大。由于生物鑒定過(guò)高依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，相同的物種不同的人可能鑒定出不同的結(jié)果，這就導(dǎo)致監(jiān)測(cè)誤差增大。

新形勢(shì)下建設(shè)生態(tài)文明需要大量的水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐，而基層水文單位往往僅有水文監(jiān)測(cè)人員和水質(zhì)監(jiān)測(cè)人員，缺乏生物監(jiān)測(cè)人員[11]，有生物監(jiān)測(cè)人員的水文單位由于受到生物鑒定效率瓶頸的制約也無(wú)法大規(guī)模開展監(jiān)測(cè)工作。那么該如何解決上述問(wèn)題？新形勢(shì)下的水生生物監(jiān)測(cè)工作究竟應(yīng)該由誰(shuí)來(lái)做？

考慮到生物鑒定的本質(zhì)實(shí)際是圖像識(shí)別，珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合深圳市綠野江河科技有限公司基于人工智能(深度學(xué)習(xí))技術(shù)開發(fā)了藻類自動(dòng)檢測(cè)儀。該儀器利用機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)、自動(dòng)化控制、機(jī)電一體化等技術(shù)，結(jié)合高性能運(yùn)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)室人工鏡檢全過(guò)程，通過(guò)圖像辨析水樣中藻類的紋理、形態(tài)和顏色等特征，對(duì)水樣中的常見藻類快速精準(zhǔn)識(shí)別，并按照優(yōu)勢(shì)藻種(屬)排序生成藻密度分析報(bào)告。該系統(tǒng)目前對(duì)藍(lán)藻門、硅藻門、綠藻門、甲藻門、隱藻門、裸藻門、金藻門約50種不同藻屬可精確定量定性分析，其他未包含的藻類經(jīng)過(guò)系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)后即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別并計(jì)數(shù)。2018年7月由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所牽頭，無(wú)錫市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站以及中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心五家單位所屬的生物實(shí)驗(yàn)室參加了人工驗(yàn)證比對(duì)，在太湖隨機(jī)取3個(gè)水樣，由五家單位實(shí)驗(yàn)室和該儀器同時(shí)檢測(cè)這三個(gè)水樣。結(jié)果是該儀器檢測(cè)的誤差在這些實(shí)驗(yàn)室間人工檢測(cè)的誤差范圍內(nèi)；儀器在1.5×108個(gè)/L藻密度水平上10次重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差小于5%；在1.09×106～3.08×1010密度區(qū)間表現(xiàn)出良好的線性，r2=0.993。

新形勢(shì)下水生生物監(jiān)測(cè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是什么樣的？可以將上述儀器進(jìn)行優(yōu)化，在基層水文機(jī)構(gòu)布設(shè)生物圖像采集部分，在流域監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上布設(shè)圖像識(shí)別部分和生物鑒定數(shù)據(jù)庫(kù)，基層水文機(jī)構(gòu)的水文監(jiān)測(cè)人員或水質(zhì)監(jiān)測(cè)人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的儀器操作培訓(xùn)便可使用儀器自動(dòng)獲取生物圖像，然后將生物圖像經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至流域監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)分析[12]，之后流域監(jiān)測(cè)中心將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給基層水文機(jī)構(gòu)，如遇到陌生的生物種類，經(jīng)專家人工識(shí)別后補(bǔ)充進(jìn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，再次遇到該物種便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，檢測(cè)的樣品越多，數(shù)據(jù)庫(kù)就越龐大，自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率越高，實(shí)現(xiàn)了良性循環(huán)。

如此便可將基層水文機(jī)構(gòu)的水文或水質(zhì)監(jiān)測(cè)人員轉(zhuǎn)變成生物監(jiān)測(cè)人員，短時(shí)間內(nèi)便可建立起一支遍布整個(gè)流域的水生物監(jiān)測(cè)隊(duì)伍；自動(dòng)識(shí)別的效率遠(yuǎn)高于人工鑒定，就可以大幅度提升水生態(tài)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量和監(jiān)測(cè)頻次，數(shù)據(jù)量的提升進(jìn)一步提高了自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率；全流域使用同一個(gè)生物鑒定數(shù)據(jù)庫(kù)，使得生物鑒定不再依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，降低了鑒定誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

新形勢(shì)下的水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)要以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指引，緊抓生態(tài)文明建設(shè)新契機(jī)，全面融入生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主戰(zhàn)場(chǎng)，構(gòu)建現(xiàn)代水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)體系，適應(yīng)和把握信息化與大數(shù)據(jù)的發(fā)展等新形勢(shì)[13]，保障水質(zhì)安全和水生態(tài)安全，維護(hù)河湖健康，全面實(shí)現(xiàn)服務(wù)水環(huán)境、水資源管理和社會(huì)公眾能力水平的新飛躍。