西遼河流域魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)及與環(huán)境因子的關(guān)系*

張 浩，丁 森，張 遠(yuǎn)，賈曉波，孟 偉，郭 彪

(1：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，秦皇島 066003)

(2：中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室，北京 100012)

(3：天津市渤海水產(chǎn)研究所，天津 300457)

西遼河流域魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)及與環(huán)境因子的關(guān)系*

張 浩1,2，丁 森2，張 遠(yuǎn)2，賈曉波2，孟 偉2，郭 彪1,3**

(1：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，秦皇島 066003)

(2：中國環(huán)境科學(xué)研究院流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室，北京 100012)

(3：天津市渤海水產(chǎn)研究所，天津 300457)

采用魚類生物完整性指數(shù)(F-IBI)評(píng)估西遼河流域環(huán)境質(zhì)量，利用相關(guān)分析篩選了影響F-IBI的環(huán)境因子，結(jié)合局部加權(quán)回歸散點(diǎn)修勻法(LOWESS)估算了這些環(huán)境因子的保護(hù)限值.結(jié)果表明：20個(gè)候選參數(shù)指標(biāo)中，鰍科魚類物種百分比、底層魚類物種數(shù)、耐受性魚類個(gè)體數(shù)、雜食性魚類物種數(shù)和筑巢產(chǎn)卵魚類個(gè)體百分比適合作為西遼河流域F-IBI構(gòu)建參數(shù).采用比值法統(tǒng)一參數(shù)量綱，以參考點(diǎn)F-IBI值的95%分位數(shù)作為健康參考值，對(duì)全流域44個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，得到健康點(diǎn)位5個(gè)(11.4%)，亞健康點(diǎn)位9個(gè)(20.5%)，一般點(diǎn)位12個(gè)(27.3%)，差點(diǎn)位11個(gè)(25.0%)，極差點(diǎn)位7個(gè)(15.9%).電導(dǎo)率、氨氮濃度、堿度和泥沙比例與F-IBI呈顯著負(fù)相關(guān)，坡降和草地比例與F-IBI呈顯著正相關(guān).經(jīng)LOWESS和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率、氨氮濃度、堿度、泥沙比例和草地比例等環(huán)境因子的保護(hù)限值分別為531μS/cm、0.55mg/L、4.4mmol/L、47.2%和37.0%，且限值兩側(cè)的F-IBI分值差異顯著，該結(jié)果可作為西遼河流域環(huán)境管理中魚類群落完整性保護(hù)的有益參考.

魚類生物完整性指數(shù)；局部加權(quán)回歸散點(diǎn)修勻法；西遼河流域；環(huán)境因子

水體的生物學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)估水體生態(tài)系統(tǒng)完整性和水生生物保護(hù)具有重要意義[1].生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity, IBI)作為一種較為成熟的生物學(xué)評(píng)價(jià)方法，已得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[2-5].關(guān)于IBI的研究，眾多學(xué)者較多注重于對(duì)其研究的內(nèi)容不斷改進(jìn)和完善，如拓展生物類群[6-8]、完善指標(biāo)體系[9]、構(gòu)建方法和健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]等，并對(duì)不同的水體類型進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，而關(guān)于環(huán)境因子與IBI之間的相互關(guān)系以及環(huán)境因子保護(hù)限值的研究鮮有報(bào)道.

我國關(guān)于生物學(xué)評(píng)價(jià)的研究多集中于地表徑流連續(xù)性的水體[11-15].西遼河所處區(qū)域氣候干旱少雨，多數(shù)支流常出現(xiàn)季節(jié)性斷流，此外，對(duì)西遼河流域開展的水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)研究尚不多見，僅見高欣等[16]以大型底棲動(dòng)物為研究對(duì)象建立了本區(qū)域的水質(zhì)生物評(píng)價(jià)體系.本研究嘗試構(gòu)建西遼河流域魚類生物完整性指數(shù)(fish index of biotic integrity, F-IBI)，了解流域內(nèi)各調(diào)查樣點(diǎn)的健康狀況，并從水化學(xué)[17]、物理生境和土地利用[18]等方面篩選出對(duì)該流域F-IBI有重要影響的環(huán)境因子并計(jì)算其保護(hù)限值，以期為該流域魚類保護(hù)和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

西遼河(41.1°～45.2°N, 116.7°～124.2°E)位于我國北方典型的農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)交匯過渡地帶，流域面積約為20.1×104km2[19]，其干流長為827km，流域內(nèi)大的支流有西拉木倫河、老哈河、教來河等.該流域的主要?dú)夂蛱卣鳛楦珊瞪儆辏渌帜暾舭l(fā)量遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，水土流失和草場荒漠化嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)大部分河流處于全年斷流或季節(jié)性斷流狀態(tài).該區(qū)域的環(huán)境壓力主要來自自身和人類干擾.

1.2 調(diào)查方法

2012年8月在西遼河流域設(shè)置44個(gè)調(diào)查斷面(圖1).對(duì)于可涉水河流使用電魚法進(jìn)行樣本調(diào)查，對(duì)于不可涉水河流采用刺網(wǎng)采樣(孔徑大小為5cm)和電魚法相結(jié)合的調(diào)查方法，每個(gè)斷面的調(diào)查距離約為300m，調(diào)查時(shí)間為30min.對(duì)采集的魚類進(jìn)行物種鑒定和生物學(xué)測量，并最終放歸河流.

物理生境特征指標(biāo)包括坡降、蜿蜒度和底質(zhì)粒徑(巨礫、鵝卵石、小卵石、砂礫和泥沙的比例)；其中坡降和蜿蜒度用ArcGIS 9.3軟件進(jìn)行分析，底質(zhì)粒徑組成用篩網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場分析，并將粒徑大于128mm的定義為巨礫，粒徑為64～128mm的定義為鵝卵石，粒徑為16～64mm的定義為小卵石，粒徑為4～16mm的定義為砂礫，粒徑小于4mm的定義為泥沙.

土地利用方式包括未利用地、水域、林地、建設(shè)用地、耕地和草地等.本研究分析了調(diào)查樣點(diǎn)河岸帶兩側(cè)各3km和樣點(diǎn)上、下游各3km范圍內(nèi)的土地利用情況，該數(shù)據(jù)使用ArcGIS 9.3軟件分析獲得.

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 F-IBI評(píng)價(jià)計(jì)算 該過程包括4個(gè)基本步驟：(1) 參照點(diǎn)位的篩選.參照渠曉東等的標(biāo)準(zhǔn)化方法[10]進(jìn)行參考點(diǎn)位的篩選，即根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)和生境評(píng)分結(jié)果對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)：樣點(diǎn)水質(zhì)為Ⅱ類及以上，生境評(píng)分為140分及以上，同時(shí)人類活動(dòng)強(qiáng)度與河岸土地利用類型兩項(xiàng)指標(biāo)得分(≥30)均較高的為參照點(diǎn)；水質(zhì)為Ⅴ類及劣Ⅴ類，生境評(píng)分為120分以下，同時(shí)人類活動(dòng)強(qiáng)度與河岸土地利用類型兩項(xiàng)指標(biāo)得分(<25)均較低的采樣點(diǎn)為受損點(diǎn).(2) IBI指標(biāo)體系的構(gòu)建.綜合參考目前魚類IBI的相關(guān)研究報(bào)道[12,15,21-23]，并結(jié)合本次魚類調(diào)查的實(shí)際情況，從5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)體系構(gòu)建：物種組成與豐度、耐受性和敏感性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、魚類數(shù)量與健康狀況、繁殖共位體.從上述5個(gè)方面共選取對(duì)環(huán)境變化較為敏感的20個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)體系的候選指標(biāo)(表1).(3) 指標(biāo)的篩選.參考當(dāng)前IBI計(jì)算中的指標(biāo)篩選方法[21-22]，對(duì)上述指標(biāo)依次進(jìn)行分布范圍篩選、判別能力分析、相關(guān)性計(jì)算等.最終選取適合作為該區(qū)域F-IBI的構(gòu)建指標(biāo).其中分布范圍篩選是指候選指標(biāo)在超過5%以上樣點(diǎn)得分不為0，否則放棄該評(píng)價(jià)指標(biāo)[21]；判別能力分析是指對(duì)參考點(diǎn)和受損點(diǎn)在25%～75%分位數(shù)分布范圍(即箱體IQ值)重疊情況的比較，若箱體沒有重疊，則IQ值為3，若箱體部分重疊，但是彼此的中位值均不在對(duì)方箱體內(nèi)，則IQ值為2，若箱體重疊且一者中位值在對(duì)方箱體內(nèi)，則IQ值為1，若箱體重疊且彼此中位值均在對(duì)方箱體內(nèi)，則IQ值為0，在研究中僅對(duì)IQ值≥2的情況做進(jìn)一步分析[22]；相關(guān)性計(jì)算指對(duì)通過判別能力分析的各候選指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，對(duì)于|R|>0.9的指標(biāo)僅選其一[22].(4) 西遼河F-IBI的健康評(píng)價(jià).對(duì)各構(gòu)建指標(biāo)按比值法進(jìn)行量綱統(tǒng)一[13,21]，各樣點(diǎn)F-IBI值用百分制表示.以參照點(diǎn)F-IBI值分布的95%分位數(shù)值作為健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)小于95%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行4等分，分別劃分出亞健康、一般、差和極差的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

1.3.2 環(huán)境因子保護(hù)限值計(jì)算 環(huán)境變量同F(xiàn)-IBI進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，對(duì)具有顯著相關(guān)性的環(huán)境變量，利用局部加權(quán)回歸散點(diǎn)修勻法(locally weighted regression scatterplot smoother, LOWESS)進(jìn)行擬合，在曲線最為平滑的情況下(f=0.9)，將曲線明顯轉(zhuǎn)折處作為環(huán)境變量對(duì)F-IBI的保護(hù)限值[23]，并利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法，對(duì)各環(huán)境因子的保護(hù)限值進(jìn)行檢驗(yàn).

環(huán)境和魚類狀況等基礎(chǔ)性分析采用Excel 2007軟件完成，參考點(diǎn)與受損點(diǎn)箱體圖繪制采用Oringin 8.5軟件完成，環(huán)境因子保護(hù)限值分析和環(huán)境因子間相關(guān)性分析圖采用R 3.03語言分析軟件完成，相關(guān)性分析和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)采用SPSS 19.0軟件完成.

2 結(jié)果

2.1 魚類組成和環(huán)境特征

本次調(diào)查共采集到魚類樣本9899尾，隸屬于5目8科25屬28種.其中，鯉形目魚類最多，有20種；鱸形目其次，有4種；鲇形目較少，有2種；刺魚目和鳉形目最少，分別只有1種.鲇、黃顙魚、鯉、寬鰭鱲和大鱗副泥鰍等物種在該流域內(nèi)分布較少；北方條鰍、達(dá)里湖高原鰍、棒花魚、洛氏鱥、鯽和麥穗魚等物種數(shù)量較多；鯽、棒花魚、麥穗魚、北方條鰍和泥鰍等物種分布較廣.通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,12,24]和實(shí)際調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該流域各魚類相關(guān)生態(tài)信息進(jìn)行總結(jié)(表2).

表1 西遼河流域魚類IBI候選指標(biāo)列表

對(duì)西遼河流域44個(gè)調(diào)查斷面的27個(gè)水化學(xué)和物理生境等環(huán)境因子的整體狀況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì).在水化學(xué)方面，參照國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，表明水溫、DO和pH均在合理范圍內(nèi)，CODMn、NH3-N、TN和TP濃度等水質(zhì)評(píng)價(jià)所選變量的最大值均已達(dá)到劣Ⅴ類；物理生境方面，各環(huán)境因子變化幅度均較大(表3).

2.2 F-IBI評(píng)價(jià)

2.2.1 參考點(diǎn)位選擇 按照上述點(diǎn)位篩選方法，最終篩選出了W11、W24、W55、W69和W76共計(jì)5個(gè)點(diǎn)位為參照點(diǎn)；W6、W33、W39、W48、W93、W95、W99、W100和W106共計(jì)9個(gè)點(diǎn)位為受損點(diǎn).

2.2.2 指標(biāo)篩選 各候選指標(biāo)都通過了分布范圍的篩選.在候選指標(biāo)判別能力的篩選中，M2、M7、M10、M11和M19，共計(jì)5個(gè)指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)間有顯著差異(P<0.05)，其中M2、M11和M19的IQ值為3，M7和M10的IQ值為2(圖2).對(duì)上述5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)(表4)，所有|r|值均小于0.9，最終確定5個(gè)指標(biāo)作為構(gòu)建西遼河流域IBI評(píng)價(jià)的參數(shù)指標(biāo).

2.2.3 評(píng)分及評(píng)價(jià) 根據(jù)篩選出的構(gòu)建西遼河流域IBI的各參數(shù)指標(biāo)(表5)及各自對(duì)干擾的反應(yīng)，計(jì)算出各參數(shù)指標(biāo)在樣點(diǎn)的得分及IBI值，并確定西遼河流域魚類生物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6).

2.2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)該流域F-IBI的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)全流域樣點(diǎn)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)健康點(diǎn)位5個(gè)，亞健康點(diǎn)位9個(gè)，一般點(diǎn)位12個(gè)，差點(diǎn)位11個(gè)，極差點(diǎn)位7個(gè)，其各自在全流域所占比例依次為11.4%、20.5%、27.3%、25.0%和15.9%.健康和亞健康點(diǎn)位主要集中在河流源頭區(qū)的中上游，較差和極差的點(diǎn)位主要分布在河流的下游區(qū)域(圖3)；同時(shí)，河流健康狀況與其所處區(qū)域開發(fā)狀況密切相關(guān).

表2 西遼河流域魚類組成

-表示信息不詳.

表3 西遼河流域環(huán)境特征

圖2 通過判別能力篩選的5個(gè)候選指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱體圖Fig.2 Box-plots of 5 candidate metrics which accepted by the discriminatory power analysis between reference sites and impaired sites

表4 5個(gè)候選指標(biāo)的Pearson相關(guān)性計(jì)算

Tab.4 The pearson correlation coefficient among 5 candidate biological metrics

候選指標(biāo)M2M7M10M11M19M21M7-0．451M10-0．430．661M11-0．340．550．421M19-0．620．570．500．771

表5 F-IBI構(gòu)建參數(shù)

表6 西遼河流域魚類生物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 西遼河流域F-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 F-IBI assessment results in the Xiliao River Basin

2.3 重要環(huán)境變量篩選及其保護(hù)限值計(jì)算

分析F-IBI值與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，以反映水化學(xué)、物理生境和采樣點(diǎn)周邊土地利用類型對(duì)河流健康的影響程度.采用Spearman相關(guān)性分析IBI值與環(huán)境因子之間的相關(guān)性.結(jié)果表明：IBI與水化學(xué)變量中的Cond(P=0.002)、Alk(P=0.003)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與NH3-N(P=0.035)呈顯著負(fù)相關(guān)；與物理生境變量中的坡降(P<0.001)呈極顯著正相關(guān)，與泥沙比例(P=0.038)呈顯著負(fù)相關(guān)；與土地利用方式中的草地比例(P=0.006)呈極顯著正相關(guān)(表7).

西遼河流域F-IBI與Cond擬合曲線的拐點(diǎn)為531μS/cm，與NH3-N擬合曲線的拐點(diǎn)為0.55mg/L和1.35mg/L，與Alk擬合曲線的拐點(diǎn)為4.4mmol/L，與坡降擬合曲線的拐點(diǎn)為10.4%，與泥沙比例擬合曲線的拐點(diǎn)為47.2%，與草地比例擬合曲線的拐點(diǎn)為37.0%(圖4).經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cond、Alk、泥沙比例、草地比例的拐點(diǎn)兩側(cè)F-IBI得分差異顯著，其P值依次為0.002、0.043、0.044和0.009.NH3-N的保護(hù)限值(0.55mg/L)有意義(P=0.026)；NH3-N濃度(1.35mg/L)無意義(P=0.19>0.05).坡降的獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)P值為0.801，大于0.05，差異不顯著.

表7 西遼河流域F-IBI與環(huán)境因子之間的相關(guān)性系數(shù)

*表示P<0.05；**表示P<0.01.

圖4 西遼河流域與IBI顯著相關(guān)環(huán)境因子的LOWESS曲線及保護(hù)限值(垂直虛線代表環(huán)境保護(hù)限值)Fig.4 The LOWESS curves and protection limits of environmental factors that significantly associated with IBI in the Xiliao River Basin(vertical dashed line means the protection limit values of environmental factors)

將對(duì)西遼河流域F-IBI有重要影響的環(huán)境因子做相關(guān)性分析，結(jié)果表明：Cond與Alk具有較高的相關(guān)性(r=0.870)，其它環(huán)境因子間的相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)均未超過0.5(圖5).

圖5 西遼河流域環(huán)境因子間的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation coefficients of environmental factors in the Xiliao River Basin

3 討論

3.1 關(guān)于健康標(biāo)準(zhǔn)的劃分

對(duì)于確定F-IBI核心參數(shù)的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者所采取的標(biāo)準(zhǔn)稍有不同[1,3,25-26]，這會(huì)造成最終的評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異.一般來講，參照點(diǎn)IBI值的25%分位數(shù)常被作為健康河流樣點(diǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的前提是參照點(diǎn)選取較為容易且?guī)缀醪淮嬖谌藶楦蓴_因素.在參照點(diǎn)選取較為困難的情況下，有學(xué)者提出[3,25]以所有樣點(diǎn)IBI值的95%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).此外還有學(xué)者依據(jù)研究流域本身的特征，提出以參照點(diǎn)50%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以5%分位數(shù)作為差等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，置于兩標(biāo)準(zhǔn)之間的作為亞健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[25-26].因此，應(yīng)以所選擇的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能客觀反映出研究流域整體及各個(gè)樣點(diǎn)的健康狀況為宜.本研究以參考點(diǎn)F-IBI值的95%作為健康樣點(diǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于小于該標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行4等分，該評(píng)價(jià)結(jié)果所反映出的西遼河流域不同區(qū)域健康狀況及整體健康狀況與高欣等[16]利用大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果類似.本研究認(rèn)為采用參考點(diǎn)F-IBI值的95%作為健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)適合該流域.

3.2 西遼河環(huán)境特征分析及對(duì)F-IBI的影響

西遼河流域是我國北方典型的農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)交匯過渡地帶，其所流經(jīng)區(qū)域?yàn)槲覈鴥?nèi)蒙古高原向遼河平原過渡地帶.該流域上游以山地、林地和草場為主，中下游以農(nóng)田和城鎮(zhèn)用地為主，并伴有水域和荒蕪用地[27-28].根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，西遼河流域水體CODMn、NH3-N、TN和TP等參數(shù)變化幅度均較大.該區(qū)域上游海拔較高，人類活動(dòng)相對(duì)較少，水質(zhì)較為清潔，中下游區(qū)域受農(nóng)田灌溉、放牧、城市生活污水及企業(yè)廢水排放的影響，水質(zhì)較差.西遼河的物理生境特征以坡降變化和底質(zhì)粒徑組成的變化最為明顯.坡降變化劇烈的原因與該流域海拔變化幅度有關(guān)，較大的坡降有助于提高水體的氧含量[29].底質(zhì)粒徑組成變化大說明該流域河流的生境差異較大，底質(zhì)粒徑與區(qū)域自然地理地貌、氣候特征及人類活動(dòng)有關(guān).

關(guān)于水化學(xué)對(duì)F-IBI影響的探討：第一，通常認(rèn)為河流中的Cond高低受自然和人為兩方面因素影響[30]，不同區(qū)域Cond背景值差異較大.Kimmel等[31]以美國賓夕法尼亞州一條受煤礦廢水影響的溪流為對(duì)象，提出保護(hù)該河流魚類群落結(jié)構(gòu)的Cond保護(hù)限值為3000～3500μS/cm.本課題組在太子河流域的研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)溪流中大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)完整的Cond保護(hù)限值為277.1μS/cm(未發(fā)表).本研究發(fā)現(xiàn)西遼河流域基于魚類群落的Cond保護(hù)限值則為531μS/cm.造成上述研究結(jié)果差異的原因可能與流域環(huán)境本底值以及研究的生物類群不同有關(guān).Kimmel等[31]的研究中Cond保護(hù)限值較高與水體長期受到工礦廢水影響有直接關(guān)系，在這種長期壓力條件下，水生生物對(duì)環(huán)境干擾的耐受性提高，生物群落結(jié)構(gòu)也逐漸趨于穩(wěn)定，較高的環(huán)境背景壓力下研究得到的保護(hù)限值有可能會(huì)高于其他低環(huán)境干擾壓力區(qū)域的.西遼河流域處于高原向平原過渡地帶，該流域大部分區(qū)域受到降水、灌溉等因素影響，河道內(nèi)水量不足，而在放牧造成草地退化的同時(shí)，流域坡度差異導(dǎo)致水體對(duì)河岸侵蝕加劇，地表風(fēng)化嚴(yán)重，最終造成水體Cond背景值整體偏高，其中Alk對(duì)Cond的貢獻(xiàn)較大(圖5).另外，有研究發(fā)現(xiàn)[31-32]大型底棲動(dòng)物對(duì)環(huán)境的干擾比魚類更為敏感，不同的研究對(duì)象會(huì)使環(huán)境因子保護(hù)限值結(jié)果存在差異.第二，Alk會(huì)對(duì)魚類群落產(chǎn)生影響.黎道豐等[33]發(fā)現(xiàn)高鹽堿度會(huì)降低魚類種類數(shù)量并導(dǎo)致魚類生長緩慢.本研究也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果，堿度增加會(huì)降低F-IBI評(píng)價(jià)得分.第三，本研究發(fā)現(xiàn)NH3-N的有效保護(hù)限值為0.55mg/L，處于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)之間，這與國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中漁業(yè)水質(zhì)要求相一致.W102點(diǎn)位的NH3-N濃度達(dá)到4.07mg/L，但F-IBI得分為74.3，同時(shí)該點(diǎn)位草地比例較高(84%)，河岸帶生境質(zhì)量較好.一方面較好的河岸帶生境條件有利于對(duì)外源NH3-N輸入起到緩沖作用[18]，另一方面較好的生境條件有利于維持較好的魚類群落結(jié)構(gòu)[34].

關(guān)于物理因素對(duì)F-IBI影響的探討：西遼河區(qū)域處于內(nèi)蒙古高原向遼河平原的過渡區(qū)域，坡降變化較大.同時(shí)受干旱和人為干擾等因素的影響，草場退化和荒漠化情況不容樂觀，因此確定上述環(huán)境因子的保護(hù)限值具有重要意義.坡降指河流水面單位距離的落差，其可以直接影響水體的流速，對(duì)于底質(zhì)泥沙含量比較高的區(qū)域，水流速度較大導(dǎo)致水體的濁度升高，不利于光合作用的正常進(jìn)行，導(dǎo)致藻類產(chǎn)氧量降低，同時(shí)泥沙可堵塞魚類鰓絲，對(duì)其呼吸造成影響[35]；有研究表明[36-37]泥沙對(duì)水體中的NH3-N和重金屬等有毒物質(zhì)有吸附作用，并隨著水流帶到下游區(qū)域，對(duì)區(qū)域水質(zhì)的改善具有一定的作用，但會(huì)加重下游區(qū)域的污染情況；草地對(duì)于提高河流生境質(zhì)量，防止水土流失和土地沙漠化有著重要作用，同時(shí)可以緩解其它環(huán)境因子的負(fù)面影響[18].因此，在區(qū)域管理中，恢復(fù)和保持草地比例，防止土地荒漠化和水土流失，控制河流底質(zhì)中的泥沙比例，最終提高F-IBI狀況具有重要意義.

[1] Aparicio E, Carmona-Catot G, Moyle PBetal. Development and evaluation of a fish-based index to assess biological integrity of Mediterranean streams.AquaticConservation:MarineandFreshwaterEcosystems, 2011, 21(4): 324-337.

[2] Karr JR. Assessment of biotic integrity using fish communities.Fisheries, 1981, 6(6): 21-27.

[3] Barbour MT, Gerritsen J, Snyder BDetal. Rapid Bio-assessment Protocols for use in wadeable streams and rivers: Periphyton, benthic macroinvertebrates, and Fish: 2nd ed. Washington DC: 841-B-99-002. USA: U. S. Environmental Protection Agency, EPA, 1999.

[4] Kane DD, Gordon SI, Munawar Metal. The Planktonic Index of Biotic Integrity(P-IBI): An approach for assessing lake ecosystem health.EcologicalIndicators, 2009, 9(6): 1234-1247.

[5] EC(European Communities). Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy.OfficialJournaloftheEuropeanCommunities, 2000, L 327:1-72.

[6] 黃 藝,舒中亞.基于浮游細(xì)菌生物完整性指數(shù)的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)——以滇池流域?yàn)槔?環(huán)境科學(xué),2013,34(8): 3010-3018.

[7] 殷旭旺，張 遠(yuǎn)，渠曉東等.渾河水系著生藻類的群落結(jié)構(gòu)與生物完整性.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(10): 2732-2740.

[8] Lunde KB, Resh VH. Development and validation of a macroinvertebrate index of biotic integrity(IBI) for assessing urban impacts to Northern California freshwater wetlands.EnvironmentalMonitoringandAssessment, 2012, 184(6): 3653-3674.

[9] 鄭海濤.怒江中上游魚類生物完整性評(píng)價(jià)[學(xué)位論文].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[10] 渠曉東，劉志剛，張 遠(yuǎn).標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選參照點(diǎn)構(gòu)建大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù).生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(15): 4661-4672.

[11] 蔡 琨，張 杰，徐兆安等.應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)太湖生態(tài)健康.湖泊科學(xué),2014,26(1): 74-82.DOI 10.18307/2014.0109.

[12] 陳宏文,張 萌,劉足根等.贛江流域淡水生態(tài)系統(tǒng)完整性與健康狀態(tài)的魚類F-IBI值評(píng)價(jià).長江流域資源與環(huán)境,2011,20(9): 1098-1107.

[13] 陳 橋,徐東烔，張 翔等.太湖流域平原水網(wǎng)區(qū)底棲動(dòng)物完整性健康評(píng)價(jià).環(huán)境科學(xué)研究,2013,26(12): 1301-1308.

[14] 黃亮亮,吳志強(qiáng),蔣 科等.東苕溪魚類生物完整性評(píng)價(jià)河流健康體系的構(gòu)建與應(yīng)用.中國環(huán)境科學(xué),2013,33(7): 1280-1289.

[15] 朱 迪,陳 鋒,楊 志等.基于魚類生物完整性指數(shù)的水源地評(píng)價(jià).水生態(tài)學(xué)雜志,2012,33(2): 1-5.

[16] 高 欣,張 遠(yuǎn),丁 森等.西遼河大型底棲動(dòng)物生物完整性評(píng)價(jià)及同環(huán)境因子關(guān)系的探討.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(2014),2014: 3153-3163.

[17] 吳東浩,于海燕,吳海燕等.基于大型底棲無脊椎動(dòng)物確定河流營養(yǎng)鹽濃度閾值——以西苕溪上游流域?yàn)槔?應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(2): 438-488.

[18] Mantyka-Pringle CS, Martin TG, Moffatt DB. Understanding and predicting the combined effects of climate change and land-use change on freshwater macroinvertebrates and fish.JournalofAppliedEcology, 2014, 51(3): 572-581.

[19] 孫小舟,封志明,楊艷昭等.西遼河流域近60年來氣候變化趨勢分析.干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(9): 62-66.

[20] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì)．水和廢水監(jiān)測分析方法:第4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[21] 裴雪嬌,牛翠娟,高 欣等.應(yīng)用魚類完整性評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)遼河流域健康.生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(21): 5736-5746.

[22] 宋智剛,王 偉,姜志強(qiáng)等.應(yīng)用F-IBI對(duì)太子河流域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)的初步研究.大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(6): 480-487.

[23] Celeste PK, Nadanovsky P. Income and oral health relationship in Brazil: is there a threshold?CommunityDentOralEpidemiol, 2009, 37(4): 285-293.

[24] 解玉浩.東北地區(qū)淡水魚類.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2007: 29-439.

[25] 池仕運(yùn),竺維佳,施練東等.應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)水源地水庫溪流健康狀態(tài).水生態(tài)學(xué)雜志,2012,33(2): 16-25.

[26] Astin L. Developing biological indicators from diverse data: the potomac basic-wide index of benthic integrity(B-IBI).EcologicalIndicators, 2007, 7(4): 895-908.

[27] 孟 偉,張 遠(yuǎn),鄭炳輝.遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(6): 911-918.

[28] 王金龍.遼河流域水生態(tài)功能三級(jí)區(qū)水生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)[學(xué)位論文].沈陽:遼寧大學(xué),2013.

[29] 劉 婷,樊貴盛,陽 輝.瀟河流域水質(zhì)污染的空間變化特征.人民黃河,2014,36(3): 58-60.

[30] 李?yuàn)欉t,鄭雄波,高全洲等.東江流域河水電導(dǎo)率形成機(jī)制.中山大學(xué)學(xué)報(bào),2013,52(1): 142-146.

[31] Kimmel WG, Argent DG. Stream fish community responses to a gradient of specific conductance.Water,Air,andSoilPollution, 2010, 206(1/2/3/4): 49-56.

[32] Kennedy AJ, Cherry DS, Currie RJ. Field and laboratory assessment of a coal processing effluent in the Leading Creek Watershed, Meigs County, Ohio.ArchivesofEnvironmentalContaminationandToxicology, 2003, 44： 324-331.

[33] 黎道豐,蔡慶華.不同鹽堿度水體的魚類區(qū)系結(jié)構(gòu)及主要經(jīng)濟(jì)魚類生長的比較.水生生物學(xué)報(bào),2000,24(5): 493-501.

[34] Pinto BCT, Araujo FG, Hughes RM. Effects of landscape and riparian condition on a fish index of biotic integrity in a large southeastern Brazil river.Hydrobiologia, 2006, 556(1): 69-83.

[35] 白音包力皋,陳興茹.水庫排沙對(duì)下游河流魚類影響研究進(jìn)展.泥沙研究,2012,(1): 74-80.

[36] 王而立,王嗣淇,王 亮.西遼河流域沙土對(duì)氨氮的吸附行為研究.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(6G): 102-106.

[37] 易雨君.長江水沙環(huán)境變化對(duì)魚類的影響及棲息地?cái)?shù)值模擬[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué),2008.

Assessment of the fish index of biotic integrity and its relationship with environmental factors in the Xiliao River Basin

ZHANG Hao1,2, DING Sen2, ZHANG Yuan2, JIA Xiaobo2, MENG Wei2& GUO Biao1,3

(1:OceanCollege,HebeiAgriculturalUniversity,Qinhuangdao066003,P.R.China)

(2:LaboratoryofRiverineEcologicalConservationandTechnology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)

(3:BohaiFisheriesResearchInstituteofTianjin,Tianjin300457,P.R.China)

The environmental quality of Xiliao River Basin is assessed based on the fish index of biotic integrity(F-IBI). Protection limit values of the environmental factors correlated with the F-IBI are determined by the method of locally weighted regression scatterplot smoother(LOWESS). The results indicated that five indices, including the percentage of the Cobitidae fish, the number of demersal fish species, the number of omnivorous fish species, the number of tolerated fish individuals and the percentage of the nests spawning fish individuals, were suitable for constructing the F-IBI assessment system. The ratio method is used to unify dimensionless parameters. The 95% quantile of the F-IBI in all reference sites is used as the reference value of health conditions. Forty four sampling sites of Xiliao River Basin were assessed by F-IBI. The results found that five sites(11.4%) were in excellent grade, nine sites(20.5%) were in good grade, twelve sites(27.3%) were in normal grade, eleven sites(25.0%) were in poor grade, and seven sites(15.9%) were in very poor grade. Electrical conductivity, ammonia nitrogen, alkalinity and proportion of sand were negatively correlated with F-IBI scores in the Xiliao River Basin, whereas slope and proportion of grassland were positively correlated with F-IBI scores. The results of LOWESS and independent samplettest indicated that F-IBI scores significantly changed when the electrical conductivity, ammonia nitrogen concentration, alkalinity, proportion of sand and proportion of grassland reached the protection limit value, which was 531μS/cm, 0.55mg/L, 4.4mmol/L, 47.2% and 37.0%, respectively. The results of this study could provide beneficial information for the regional environmental management of fish integrity protection in the Xiliao River Basin.

Fish index of biotic integrity; LOWESS; Xiliao River Basin; environmental factors

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401066)和國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501-001-04)聯(lián)合資助．2014-10-26收稿；2015-02-05收修改稿．張浩(1987～)，男，碩士研究生；E-mail: shenduhao@126.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 829-839

DOI 10.18307/2015.0509

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail: dingsen@craes.org.cn.