论文快递｜田世民等：黄河流域水生态环境变化特征分析

河流作为地球水循环的重要组成部分，连接海洋和陆地，为生命系统维持提供必要需求［1］。河流生态系统作为地球物质循环和能量流动的主要载体［2］，承载着人类社会和自然环境的生存发展，因此河流的健康非常重要［3］。黄河是我国西北和华北地区的重要水源地，是连接青藏高原、黄土高原和华北平原的重要生态廊道［4］，在我国经济社会发展和生态文明建设中具有重要的战略地位［5］。黄河流域横跨九省（区），环境复杂多样［6］，生态脆弱，易受气候变化和人类活动的影响［7］，以仅占全国河川径流量2%的水资源，灌溉了占全国13%的耕地，贡献了占全国14%的GDP［8］。河流是人类生活、生产和生态用水的重要来源，也是污染物的重要受纳水体［9］。《重点流域水生生物多样性保护方案》提出，要削减黄河流域废污水排放量、改善水质、提高水生生物生境质量。党的十八大以来，黄河流域的生态环境治理和经济社会发展取得了显著成就，但水资源短缺与供需矛盾突出、部分支流水质污染较为严重、水生生物多样性受损等问题仍十分突出，一定程度上阻碍了流域生态环境的可持续发展［10－13］。因此，有必要对全流域水生态环境问题进行深入研究，明确水环境质量现状以及水生态质量，为科学制定生态保护和管理措施提供支撑。

学者们在黄河流域水生态环境领域开展了大量研究。李学军等［14］开展了2021 年和2022 年5—7 月黄河干流的生境调査与质量评价，分析得出黄河干流各河段生境质量综合得分为79～153，超过69%的河段生境质量综合得分为90 ～120，为中等等级。朱志鹏等［15］分析2015—2019 年黄河干流8 个省界站点7 项基本水质指标逐月监测数据发现，黄河流域水质良好，多数水质指标达到Ⅲ类水标准，但其时空变化情况差异显著。刘彦龙等［16］基于流域8 个监测断面2004—2018 年水质数据，分析了黄河流域水污染状况及时空变化规律，结果表明在时间上黄河流域水质逐年改善，2010 年为关键时间节点，在空间上各断面水质均呈显著改善趋势。张彦等［17］在黄河干流及主要支流湟水、渭河和汾河选取12 个水质监测断面和4 项水质指标（pH 值、溶解氧、高锰酸盐指数和氨氮），利用多元统计方法分析了水质时空差异性及其变化特征，发现黄河干流水质状况最好，湟水和渭河水质状况次之，汾河水质状况最差，且水质指标在空间和时间上均表现出显著的差异性。刘鸿志等［18］指出黄河流域工业废水处理率相对偏低，COD 和氨氮排放量较多。丁一桐［19］对2019 年春季及秋季黄河干流自源区至河口全河段浮游植物群落进行了系统调查。李学军等［20］发现黄河干流底栖动物平均生物量为2.44 g／m2。贺树杰等［21］通过调查2019 年3 月至2020 年2 月黄河宁夏段8 个样点的浮游动物，采集浮游动物13 种，指出浮游动物的密度、生物量都呈现夏季＞秋季＞冬季＞春季的特点，浮游动物的Shannon－Wiener 指数在夏季达到最大值，全年变化范围为0～1.147。

总体来看，目前关于黄河流域水环境和水生态的研究系统性仍然不够，大部分研究集中在局部河段，流域层面的研究存在断面稀疏、水生生物类型不全、水环境和水生态耦合研究不足等问题，且缺乏最新数据支撑。受地形、降雨等自然因素及人类活动频繁的影响，黄河流域各河段面临的问题各不相同：黄河源区水源涵养能力差［22］、上游甘宁蒙点面源污染［23］、中下游水资源不足及水土流失［24－25］致使其干流自源区至河口水文、泥沙、环境变异较大，进而导致各河段面临的水生态环境问题各不相同。因此，开展全流域水生态环境系统调查和评价，探讨黄河流域水生态环境变化特征，对深入认识黄河流域水生态环境演变规律以及保护修复具有重要意义。

黄科院在黄河流域不同河段进行水生态环境的监测与采样持续近10 a。2023 年对全流域水生态环境进行了系统监测，范围涵盖黄河源头（扎陵湖以上）至入海口整个干流以及无定河、汾河、渭河、伊洛河等4条重要支流，其中干流监测点位55 个，支流监测点位24 个（无定河8 个、汾河6 个、渭河5 个、伊洛河5个），监测点位示意见图1。对黄河流域整体水生态环境状况的评估分析还采用了黄河干流42 个地表水国控断面数据，共121 个监测点位，监测指标涉及水环境因子、浮游植物、浮游动物和底栖动物4 类。

pH 值、溶解氧指标等采用便携式水质多参数分析仪（YSI，ProfessionalPlus）现场监测；TP、NH3－N、COD和CODMn等水质指标样品按照《水质样品的保存和管理技术规定》（HJ 493—2009）进行采集和保存，水质指标检测按照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行。浮游植物、浮游动物和底栖动物采样和检测按照《生物多样性观测技术导则淡水底栖大型无脊椎动物》（HJ 710.8—2014）、《淡水浮游生物调查技术规范》（SC／T 9402—2010）进行。

1.2  分析方法

本研究采用水质指标法（Water Quality Index，简称WQI 法）综合评估研究区域水质状况，水质综合评价指数IWQ计算公式如下［26］：

式中：Ci为第i 类水质指标归一化值，Pi为第i 类水质指标相对权重，CpH、CDO、CTP、CCOD、CNH3－N 分别为pH值、DO、TP、COD、NH3－N 浓度归一化值。

WQI 法水质指标归一化值及相对权重见表1。IWQ的取值范围为0～100，等级划分为优秀（91≤IWQ≤100）、良好（71 ≤IWQ ＜91）、中等（51 ≤IWQ ＜71）、差（26≤IWQ＜51）和极差（0≤IWQ＜26）［27］。

2.1.1 水质基本特征

表2 为2023 年黄河干流（1—12 月）、4 条支流（5月）水质基本特征（其中A 为均值、S 为标准差）。干流pH 值的均值为8.2，DO、CODMn、COD、NH3－N、TP浓度的均值分别为9.3、2.0、9、0.08、0.04 mg／L。参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），黄河干流水质达到Ⅱ类标准，与2023 年《中国生态环境状况公报》中干流水质状况一致。支流无定河pH 值最大值为9.3，DO、CODMn、COD、NH3－N、TP 浓度最大值分别为11.8、5.6、10、0.67、0.07 mg／L，CODMn 和NH3－N 超过Ⅱ类标准，总体达到了Ⅲ类标准。渭河CODMn、COD、NH3－N、TP 浓度最大值分别为2.6、13、0.34、0.09 mg／L，达到Ⅱ类标准。汾河CODMn、COD、NH3－N、TP浓度最大值分别为3.9、19、0.32、0.18 mg／L，总体达到了Ⅲ类标准。伊洛河CODMn、COD、NH3－N、TP 浓度的最大值分别为2.1、10、0.29、0.08 mg／L，总体达到了Ⅱ类标准。

水生动植物的生存需要适宜的pH 值范围，较低或较高的pH 值都意味着水生生境的恶化［28］。黄河流域干、支流pH 值均在7 以上，表明水体总体上呈碱性。天然河流pH 值多受碳酸盐－碳酸氢盐－二氧化碳系统的平衡调节［29］，污染物（如有机物）的输入则导致水质失衡，从而引起河水酸化［30］。水生生物对水体中溶解氧水平的波动尤其是对溶解氧的减少很敏感［31］。溶解氧与水生生物的生存和水生态平衡有关。维持水生生物的溶解氧浓度下限为4.0 mg／L，饮用水溶解氧浓度下限为6.0 mg／L［32］。本次监测结果表明，黄河流域水体中溶解氧保持在较高的浓度。CODMn、COD、NH3－N、TP 是影响水质的主要因子［33］，流域内工业污染、城镇生活污染、规模化养殖污染等点源污染和农村生活污染、农业种植污染、规模以下养殖污染、水产养殖污染等非点源污染均会导致水质恶化［34－35］。目前，黄河流域干流水质达到Ⅱ类标准，支流中无定河、汾河达到Ⅲ类标准，渭河、伊洛河达到Ⅱ类标准。

2.1.2 水环境时空变化特征

为更好地展示不同区域间的差异，将黄河流域划分为黄河源区、上游甘宁蒙河段、中游和下游（见图1），这4 个区域干流中pH 值、DO、CODMn、COD、NH3－N、TP 在一年四季的变化情况见图2。pH 值在不同区域和四季保持了一定的稳定性，总体变化范围为8.1 ～8.3。黄河流域DO 浓度在四季中的变幅为7.8 ～11.5 mg／L，冬季值最大，在冬季呈现明显的由上游到下游升高的趋势。CODMn浓度在四季和不同区域的变化范围分别为1.8～2.2 mg／L 和1.6～2.3 mg／L，夏季中游的值最大。COD 浓度在四季和不同河段的变化范围分别为8.5～9.8 mg／L和7.6 ～10.3 mg／L，夏季中游和秋季黄河源区的值较大。NH3－N 浓度呈现明显的由上游向下游递增的趋势，总体上四季中冬季值相对较大。TP 浓度秋季最大，春季和夏季呈现黄河源区＜中游＜上游甘宁蒙河段＜下游，秋季和冬季呈现黄河源区＜上游甘宁蒙河段＜中游＜下游。总体来看，水环境因子分布呈现出时空异质性。

2.1.3 水环境综合评价

通过对单个水环境因子时空变化特征分析发现，其存在显著的时空异质性，进而采用综合水质评价方法对黄河干流水环境状况进行分析，结果见图3。可见，干流水质在春季上游甘宁蒙河段、中游达到了优秀级别，在夏季处于良好级别，在秋季和冬季上游甘宁蒙河段达到了优秀级别。整体来看，黄河流域四季不同区域均达到了良好级别，部分区域达到优秀级别，与采用单因子评价方法得到的黄河流域干流水质总体达到Ⅱ类相吻合。

2.2.1 浮游植物

黄河干流及重要支流共检出浮游植物7 门60 属136 种（见表3），其中：硅藻门24 属60 种，占44.12%；绿藻门16 属42 种，占30.88%；蓝藻门11 属17 种，占12.50%；裸藻门4 属8 种，占5.88%；隐藻门2 属4 种，甲藻门2 属3 种，金藻门1 属2 种，共占6.62%。从空间上看，黄河源区共检出浮游植物4 门39 种，其中硅藻门31 种，占绝对优势；上游甘宁蒙河段、中游和支流检出浮游植物种数分别为50 种、53 种和57 种，均超过下游的29 种，且均以硅藻门和绿藻门为优势种群。前期研究表明，20 世纪80 年代调查得到浮游植物种类为7 门92 属197 种，蒋晓辉等［36］2008 年调查得到8 门84 属160 种，丁一桐等［37］2019 年春秋两季调查检出8 门130 属350 种。本次调查得到的浮游植物种类数略少，可能与调查点位、时段以及水沙状况等有关。本次调查发现，库区附近点位浮游植物种类较多，丁一桐等调查点位以库区为主，本文调查点位以河道为主，是检出种类数和群落组成产生差异的主要原因。

黄河干流及重要支流浮游植物密度和生物量均值分别为2.97×106 cells／L 和1.76 mg／L（见表4）。其中：干流中游和上游甘宁蒙河段浮游植物密度、生物量均较高，分别为6.47×106 cells／L 和4.67×106 cells／L、2.24 mg／L 和3.49 mg／L；黄河源区和下游浮游植物密度、生物量均较低，分别为1.74×105 cells／L 和4.50×105 cells／L、0.42 mg／L 和0.47 mg／L；汾河、渭河和伊洛河等支流浮游植物密度和生物量均值分别为1.87×106 cells／L 和1.99 mg／L。总体上，黄河干流及重要支流浮游植物生物量较20 世纪80 年代（0.64 mg／L）和2008 年（1.14 mg／L）均大幅度增加。在空间上，蒋晓辉等2008 年调查结果显示，中游泥沙含量高、浮游植物密度和生物量较小，而下游养分含量高，使得浮游植物密度和生物量均较大。本次调查表明，除黄河源区因低温和贫营养而引起浮游植物密度和生物量较小，库区因水动力条件变化而引起浮游植物密度和生物量较大外，干流河道浮游植物密度和生物量空间差异明显减小，与丁一桐等2019 年调查结果一致。

黄河干流及重要支流浮游植物优势种主要来自硅藻门，不同区域浮游植物优势种表现出显著差异（见图4）。例如：黄河源区大羽纹藻和羽纹藻生物量占比分别达到35.13%和22.86%，上游甘宁蒙河段尖针杆藻生物量占比达到45.70%，中游以小环藻（27.12%）、尖针杆藻（20.57%）和纤细新月藻（9.79%）为主，下游则以伪鱼腥藻（49.40%）和绿色颤藻（24.38%）为主；支流优势种较多，以尖针杆藻（20.40%）和颗粒直链藻最窄变种（16.55%）为主，伪鱼腥藻、针杆藻、梅尼小环藻和啮蚀隐藻占比为8.16%～9.10%。笔者调查发现的优势种与蒋晓辉等2008 年和丁一桐等2019 年调查结果一致，表明近15 a 黄河干流及重要支流浮游植物优势群落较为稳定，且表现出明显的空间差异。

2.2.2 浮游动物

黄河干流及重要支流共检出浮游动物4 类75 种（见表5）：轮虫纲33 种，占44.00%；桡足类21 种，占28.00%；枝角类11 种，占14.67%；原生动物10 种，占13.33%。黄河源区和下游分别检出浮游动物13 种和14 种，均以桡足类为主（6 种和8 种）；上游甘宁蒙河段、中游和支流分别检出浮游动物25 种、23 种和28种，均以轮虫纲为主（分别有16 种、15 种和10 种）。黄河流域浮游动物研究的有关报道以黄河特定河段和某些支流为主。2021 年黄河若尔盖河段调查检出浮游动物12 种，轮虫纲和原生动物各6 种［38］；渭河陕西段调查检出浮游动物3 类22 种，以轮虫纲（15 种）为主［39］。2019—2020 年，黄河宁夏段调查检出浮游动物13 种，其中轮虫纲8 种、桡足类2 种、枝角类2 种、原生动物1 种［21］。这些成果与本文调查结果在种类上略有差异，但在群落组成上总体一致。

黄河干流及重要支流浮游动物密度和生物量均值分别为352.10 ind.／L 和0.49 mg／L（见表6）。其中：黄河源区和下游浮游动物密度较小，均值分别为96.68、245.11 ind.／L；在生物量上，黄河源区最小（0.08 mg／L），而黄河下游最大（1.33 mg／L）。

黄河源区浮游动物优势种为汤匙华哲水蚤（生物量占比51.05%）和针簇多肢轮虫（35.00%），而黄河下游优势种为右突新镖水蚤（40.13%）、萼花臂尾轮虫（21.41%）和猛水蚤（14.98%）。右突新镖水蚤和猛水蚤个体较大，是黄河下游浮游动物生物量较高的主要原因。上游甘宁蒙河段、中游和支流优势种分别为长额象鼻溞（67.78%）、广布中剑水蚤（37.32%）和卜氏晶囊轮虫（46.22%），表现出显著空间差异（见图5）。

2.2.3 底栖动物

黄河干流及重要支流底栖动物共检出4 类72 种（见表7），以摇蚊（38 种，占52.78%）为主，其次为其他昆虫（17 种，占23.61%），寡毛类和软体动物种类数分别为7 种和10 种。本文调查的底栖动物群落组成与冯治远等［40］2019 年的调查结果较为一致。20 世纪80 年代调查检出寡毛类、软体动物、摇蚊和其他昆虫分别有3 种、2 种、16 种和3 种，与20 世纪80 年代调查相比，本文调查中各类群检出种类数均明显增加；与2008 年调查相比，寡毛类减少10 种，软体动物和摇蚊分别增加6 种和10 种，其他昆虫减少1 种。寡毛类往往是具有重要指示作用的耐污种，其种类减少与近年来黄河干支流水环境明显改善有关。

黄河干流及重要支流底栖动物密度和生物量均值分别为68.33 ind.／m2和0.37 g／m2（见表8），与20 世纪80 年代和2008 年相比，生物量分别降低84.83%和36.97%。支流底栖动物密度（179.56 ind.／m2）是干流各河段的3 ～5 倍，而生物量则以下游最高（1.73 g／m2），黄河中游最低（0.09 g／m2）。与浮游动物类似，这种差异是下游检出的底栖动物个体生物量较大造成的。

从生物量看，黄河源区底栖动物优势种为钩虾（54. 59%）， 其次为 Calineuria （13. 97%） 和扁蜉（13.14%）；上游甘宁蒙河段优势种为河蚬（61.13%），其次为椭圆萝卜螺（11.31%）和膀胱螺（10.95%）；中游优势种为钩虾（61.01%），其次为Aeschnophlebla（25.07%）和直突摇蚊（7.92%）；下游优势种为铜锈环棱螺（61.75%），其次为梨形环棱螺（15.81%）和小划蝽（13.07%）；支流优势种有长腹春蜓（19.29%）、膀胱螺（15.71%）、大脐圆扁螺（13.57%）、苏氏尾鳃蚓（12.14%）、蜉蝣（11.43%）和直突摇蚊（9.29%），见图6。与20 世纪80 年代和2008 年调查结果相比，软体动物不仅种类数大幅度增加，而且生物量占比显著增加。有关研究表明，软体动物对栖息生境的健康程度要求较高［41］，软体动物种类和数量的增加是黄河流域水生态环境改善的重要表征。

选取黄河干流及主要支流无定河、汾河、渭河和伊洛河121 个监测点位和水质、浮游植物、浮游动物、底栖动物4 类指标对水生态环境状况进行评估，结论如下。

1）黄河干流水质状况较好，达到Ⅱ类标准，支流无定河、汾河水质总体达到Ⅲ类标准，伊洛河、渭河总体达到Ⅱ类标准。pH 值在不同区域和四季中保持了一定的稳定性，总体变化范围为8.1 ～8.3。DO 浓度在冬季最大，呈现明显的由上游到下游增大趋势。CODMn浓度在夏季中游最大。COD 浓度在夏季中游和秋季黄河源区明显较大。NH3－N 浓度明显呈现由上游向下游递增的趋势。TP 浓度在春季和夏季呈现黄河源区＜中游＜上游甘宁蒙河段＜下游，在秋季和冬季呈现黄河源区＜上游甘宁蒙河段＜中游＜下游。综合水质指标法分析结果表明，干流水质在春季上游甘宁蒙河段和中游达到了优秀级别，在夏季各河段均处于良好级别，在秋季和冬季上游甘宁蒙河段达到了优秀级别。

2）黄河干流及重要支流浮游植物共检出7 门60属136 种，与20 世纪80 年代和2008 年相比，种类数减少但生物量大幅度增加；近15 a 黄河干流及重要支流浮游植物优势群落较为稳定，浮游植物优势种表现出明显的空间差异。

3）黄河干流及重要支流浮游动物共检出4 类75种，以轮虫纲（44.00%）和桡足类（28.00%）为主，群落组成与以往研究成果总体一致；浮游动物密度、生物量和优势种均表现出明显的空间差异。

4）黄河干流及重要支流底栖动物共检出4 类72种，与20 世纪80 年代和2008 年相比，生物量分别降低84.83%和36.97%。与20 世纪80 年代相比各类群种类数均明显增加，与2008 年相比寡毛类种类数减少，软体动物和摇蚊种类数增加，这是流域水生态环境改善的重要表征。

完善的水生态环境数据库是流域河湖管理保护的重要基础支撑。黄河干支流水生态环境系统性调查监测有助于明晰流域水生态环境问题及水生态系统变化规律，有助于科学评估现有工程体系下黄河干支流水沙调控对生态的影响，为古贤、黑山峡等在建、待建水利工程生态影响研究奠定基础。采样点位和时间的不同会造成水质、浮游植物、浮游动物、底栖动物检出结果的异质性，在后期的调查中将在时间和空间两个尺度上加强监测，持续助力黄河流域生态保护和高质量发展。