漓江中下游基于魚類生物完整性指數(shù)的河流健康評價體系

丁洋， 吳志強, 2*， 黃亮亮， 封文利， 師瑞丹

(1. 桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004； 2. 廣西大學，南寧 530004)

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DOI:10.11984/j.issn.1000-7083.20150289

漓江中下游基于魚類生物完整性指數(shù)的河流健康評價體系

丁洋1， 吳志強1, 2*， 黃亮亮1， 封文利1， 師瑞丹1

(1. 桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西桂林 541004； 2. 廣西大學，南寧 530004)

2014年4月—2015年1月，按季度對漓江中下游進行了4次魚類物種采樣調(diào)查，通過對22個初選指標的篩選，建立了基于魚類生物完整性指數(shù)(IBI)的河流健康評價體系，最終確定了7個評價指標，即魚類總物種數(shù)、鯉科魚類占總類數(shù)的百分比、亞科魚類種數(shù)、亞科魚類種數(shù)、雜食性魚類數(shù)量百分比、敏感性魚類占總類數(shù)的百分比、耐受性魚類占總類數(shù)的百分比。采用1、3、5賦值法計算各采樣點IBI值，并將魚類完整性劃分為6個等級對河流進行評價，具體為：極好(58～60)、較好(48～52)、一般(40～44)、較差(28～34)、極差(12～22)、無魚(0)。結果顯示，漓江中下游以及各分段河流(桂林段、陽朔段、平樂段)的魚類IBI總分均在40分以上，處于一般或一般以上水平。

魚類；生物完整性指數(shù)；漓江

生物完整性(biological integrity)是生物群落自身具有的維持平衡、保持結構完整性和應變環(huán)境的能力，在一個區(qū)域內(nèi)天然棲息地中包括該群落所有種類組成、多樣性和功能結構特征。Karr和Dudkey(1981)首次提出生物完整性的概念，并以魚類為研究對象，用生物完整性指數(shù)(index of biological integrity，IBI)評價水環(huán)境的健康狀況。IBI評價法已在歐美等發(fā)達國家得到廣泛應用，其指示物種的選取也擴展到底棲無脊椎動物、著生藻類等(Karretal., 1986; 黃亮亮等，2013)。而魚類對生態(tài)環(huán)境變化的感知能力及直接的指示作用具有其他水生生物無法比擬的優(yōu)勢，使其成為河流健康評價的主要指示生物(廖靜秋,黃藝,2013)。

目前我國的生物完整性研究尚處于起步階段，有關基于IBI的河流健康評價的研究大多集中在長江及其附屬湖泊，遼河流域和廣西河池地區(qū)，由于IBI評價法的局限性，在一個新地區(qū)建立和應用該方法時，要因地制宜考慮各個環(huán)節(jié)的制定。漓江沿江河床多為卵石，水質清澈，兩岸多為巖溶地貌。本研究以漓江中下游魚類為研究對象，初步構建漓江中下游基于魚類的IBI評價指標體系，通過對初選指標進行篩選和賦值，并將其用于該地區(qū)的河流健康評價，為漓江生態(tài)環(huán)境質量評價和管理提供重要數(shù)據(jù)。

圖1 漓江中下游采樣點分布圖

Fig. 1 Distribution of sampling sites in the middle and lower reaches of Lijiang River

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

漓江位于中國廣西壯族自治區(qū)南嶺山脈西南部，屬珠江水系，發(fā)源于廣西東北角興安縣與資源縣交界處的貓兒山，在平樂縣與恭城河交匯，最后流入桂江。地理坐標110°18′17.2″～110°38′10.6″E、24°37′56.0″～25°17′20.0″N，全長214 km，干流160 km，總流域面積6 050 km2。

2014年4月—2015年1月，按季度赴漓江中下游進行魚類資源采樣調(diào)查，選擇在漓江中下游的桂林市、大圩鎮(zhèn)、草坪鄉(xiāng)、楊堤鄉(xiāng)、興坪鄉(xiāng)、高洲村、陽朔縣、福興鎮(zhèn)、平樂縣等地進行實地采樣(圖1)。并將研究區(qū)域分為3個評價區(qū)域，即桂林段、陽朔段、平樂段，采用IBI進行評價。

1.2 采樣方法

走訪漁民和市場，掌握漁獲物情況，并于2014年4月—2015年1月在漓江中下游區(qū)域采集魚類標本，共設置9個采樣點(圖1)。采用地籠、拖網(wǎng)、撒網(wǎng)等漁具捕魚或到市場收集魚類標本，并用10%的福爾馬林溶液固定后帶回實驗室保存。

1.3 參照點的確定和指標賦值

1.4 指標設置及篩選原則

初選指標設置遵循全面性和適用性原則，綜合目前國內(nèi)外基于魚類IBI研究報道，同時結合漓江中下游流域的魚類物種組成特征及實際情況，共設置22個初選指標(表1)，可歸類為種類組成與豐度、營養(yǎng)結構、外來入侵種和健康狀況、繁殖共位群、耐受性5個項目層指標。

根據(jù)國內(nèi)外IBI研究的經(jīng)驗，擬定了3條指標篩選標準：①種類數(shù)指標，若各采樣點或評價區(qū)域的指標結果均小于5，應取消；百分比指標，若各采樣點或評價區(qū)域之間的差異小于5%，應取消；任何一個指標，若90%以上采樣點或評價區(qū)域指標值均為0，應取消。②取消因研究水平不足和資料收集不全、沒有得出調(diào)查結果的指標。③對高度相關的指標，只保留信息包含量最大的一個指標(Bozzetti & Schulz, 2004;劉愷等,2010; 孟偉等,2011)。

表1 漓江中下游魚類生物完整性指數(shù)候選指標及歷史數(shù)據(jù)

1.5 綜合評價

2 評價指標的篩選與賦值

2.1 評價指標的初選

根據(jù)鄭海濤(2006)對不同國家和地區(qū)魚類IBI指標體系的總結概括，本研究共設置22個初選指標(表2)，根據(jù)樂佩琦(2000)、廣西水產(chǎn)研究所和中國科學院動物研究所(2005)、鄭海濤(2006)研究資料確定魚類的耐受性、營養(yǎng)結構和繁殖共位群。本研究將適應緩流或靜水的鲌亞科魚類視為耐受性強的魚類，野鯪亞科、鲃亞科、亞科和平鰭鰍科等激流性魚類視為敏感性魚類。對已列入瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約、世界自然保護聯(lián)盟和《中國動物紅色名錄》的魚類則視為敏感性魚類(劉愷等，2010)。

2.2 參數(shù)指標再篩選

種類組成和豐度:野鯪亞科魚類種數(shù)和鲃亞科魚類種數(shù)在各河段的采樣值均小于5，應刪除這2個指標；鰍科、平鰭鰍科、鲿科、雅羅魚亞科、下層魚類占總類數(shù)的百分比在各個評價河段之間的差異均小于5%，應刪除這7個指標。

營養(yǎng)結構:去除在各評價河段對比中百分比差異均小于5%的指標，即去除植食性魚類、魚食性魚類、無脊椎動物性食性魚類3個指標。

魚類數(shù)量與外來入侵物種:魚類總個體數(shù)和外來魚類個體數(shù)由于缺乏歷史數(shù)據(jù)，沒有得出調(diào)查結果，應刪除。

繁殖共位群:由于魚類基礎生態(tài)學研究的困難和不足，本研究調(diào)查到的相當一部分魚類無法獲知其產(chǎn)卵類型，因而對于該項目下的2個初選指標無法獲得足夠的數(shù)據(jù)，應刪除。

表2 漓江中下游魚類生物完整性指數(shù)候選指標及調(diào)查結果

耐受性:由于敏感性和耐受性強的魚類包括上層魚類、下層魚類，只保留信息量大的指標，應將上層魚類占總類數(shù)的百分比、下層魚類占總類數(shù)的百分比2個指標刪除。

2.3 賦值標準的確定

根據(jù)指標篩選結果，本研究最終確定7個IBI指標。

表3 漓江中下游魚類完整性指標賦值標準

3 綜合評價結果

根據(jù)指標的調(diào)查結果和評分標準，通過計算得出了漓江中下游的3個河段以及中下游全段的魚類IBI分值(表4)。在本研究中，參照Karr等(1986)的評價等級和評價內(nèi)容對漓江中下游及3個河段的魚類完整性進行評價。結果顯示漓江中下游魚類的IBI總分為46.3，處于較好與一般之間，但敏感性魚類的減少、種類和豐度下降，雜食性和耐受性強的魚類比例升高，使魚類營養(yǎng)結構偏斜，表明環(huán)境惡化的訊號增加；在各河段評價結果中，桂林段魚類的IBI總分最高，為49.7，健康等級處于較好水平；陽朔段處于較好與一般之間；平樂段處于一般水平。綜合3個河段的情況來看，各河段之間數(shù)據(jù)相差不大，說明各河段的魚類完整性變化不大；另外，魚類總物種數(shù)、鯉科魚類占總類數(shù)的百分比、亞種魚類種數(shù)、亞科魚類種數(shù)、敏感性魚類占總類數(shù)的百分比這5個指標的值均低于期望值，雜食性魚類數(shù)量百分比、耐受性魚類占總類數(shù)百分比這2個指標的值高于期望值，說明3個河段的魚類完整性較歷史記錄水平發(fā)生了較大變化。

4 討論

4.1 評價結果與實際情況的符合程度

歷史數(shù)據(jù)作為指標設置和初步篩選的重要依據(jù)，在IBI評價研究中起著非常重要的作用，因此使用IBI評價時應重視對歷史數(shù)據(jù)的搜集。漓江作為國內(nèi)外游客的旅游勝地，隨著桂林旅游業(yè)的發(fā)展，漓江桂林至陽朔段每年接待游客300多萬人次(孟偉等,2011)，旅游在給當?shù)貛斫?jīng)濟收入的同時也給漓江生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力。船舶航運，漁業(yè)的不合理開發(fā)利用，以及河岸景觀建設等形式的人類活動對漓江生態(tài)環(huán)境仍然存在較大影響。

表4 漓江中下游魚類完整性指數(shù)的評分

本文共設置22個初選指標，分屬于物種組成與豐度、營養(yǎng)結構、魚類數(shù)量與外來入侵物種、繁殖共位群、耐受性5個項目層。研究結果顯示：①桂林段魚類IBI評分最高，為49.7，鯉科魚類占總類數(shù)的百分比，亞科、亞科魚類種數(shù)，雜食性魚類占總類數(shù)的百分比，耐受性魚類占總類數(shù)的百分比5個指標評分較高，對評價結果貢獻較大；②陽朔段耐受性魚類占總類數(shù)的百分比最低為55%，只有鯉科魚類占總類數(shù)的百分比，亞科、亞科魚類種數(shù)，雜食性魚類占總類數(shù)的百分比4個指標評分為滿分；③由于只有亞科、亞科魚類種數(shù)，雜食性魚類占總類數(shù)的百分比3個指標評分較高，所以平樂段魚類IBI總分只有42.9分，為3個河段最低；④漓江中下游魚類IBI總分為46.3，處于較好與一般之間，但敏感性魚類占總類數(shù)的百分比評分只有1分，說明敏感性魚類比例不及歷史數(shù)據(jù)，與歷史數(shù)據(jù)的43.8%相比呈下降趨勢。

結合當?shù)貙嶋H環(huán)境狀況來看，相比于平樂段，漓江桂林段和陽朔段航運雖然較為頻繁，對魚類棲息地影響較大，但同時由于政府對中游(桂林段和陽朔段)的重視和保護，使中游河流狀況較好，相反下游(平樂段)漁業(yè)管理較為寬松，電魚、炸魚、毒魚等非法捕魚活動較為嚴重。綜合上述情況來看，評價結果與河流受人為干擾的實際情況是較為符合的。

4.2 IBI評價法的局限性和適用性

由于只考慮物種的豐度，而沒有考慮其均勻性，并且該方法較適用于有一定規(guī)模的河流，對小型河流難以完全適用，所以IBI評價法有自身的局限性。盡管如此，基于以下3點，IBI評價法還是值得推廣使用的：①我國目前大多使用理化指標等非生物指標進行河流環(huán)境評價，而IBI評價法可以直接地反映環(huán)境變化對生物造成的影響，相比之下IBI評價法更直觀；②雖然IBI評價法自身的局限性，但這也正好符合我國的國情。在我國人類活動主要集中于大的江河流域，因此這些地方較小河流受到的人為干擾更為嚴重，也更需要借助IBI之類的評價方法；③在國外IBI的研究和應用已經(jīng)有30多年的歷史，形成了準確、完善的研究體系。

由于我國基于魚類IBI研究資料的缺乏，所以在使用IBI評價法以魚類為研究對象時，應選擇有一定研究基礎的河流進行。由于漓江魚類歷史分布資料較完整，所以本文共設置22個初選指標，其中14個指標建立在物種組成與豐度項目下；而在其他4個項目下由于研究資料的不足，可選擇和使用的指標受到限制，不夠全面。

4.3 研究河段其他評估方式的比較討論

歷史上有關漓江的調(diào)查、科學研究數(shù)不勝數(shù)，但關于漓江河流健康評價的科學研究卻寥寥無幾。漓江有文獻記錄的河流評價方法有2種：一種為IBI評價法，另一種為溪流狀況指數(shù)(index of stream condition, ISC)評價法。蔡德所等(2011)在對漓江中下游河段河流健康的調(diào)查中采用了ISC評價法，綜合反映了河流水文學、河流物理構造特征、河岸區(qū)狀況、水質及水生生物5個要素，采用打分的方法對河流進行對比性評價。與IBI評價法相比，該方法的特點是涵蓋面廣、周期長、涉及學科眾多，但也正是由于這種方法的復雜性，不適宜作為一種常用的檢測手段。河流健康狀況直接影響著魚類等水生生物的生存繁衍，例如廣西賀江水污染事件被指死魚比環(huán)境監(jiān)測站可靠。IBI評價法正是利用魚類這種重要的指示作用，省去了中間繁雜的采樣、化驗、分析等環(huán)節(jié)，可以快速、準確地評估指定河段河流的健康狀況。

5 結論

通過對22個初選指標的篩選最終確立7個評價指標，分別為魚類總物種數(shù)、鯉科魚類占總類數(shù)的百分比、亞科魚類種數(shù)、亞科魚類種數(shù)、雜食性魚類占總類數(shù)的百分比、敏感性魚類占總類數(shù)的百分比、耐受性魚類占總類數(shù)的百分比，建立了漓江中下游魚類生物完整性指數(shù)評價體系。

調(diào)查結果顯示，漓江中下游魚類IBI為46.3，處于一般和較好之間；中下游各河段的IBI水平也均在一般或一般以上水平，沒有發(fā)現(xiàn)差、極差以及無魚的情況；鯉科魚類占總類數(shù)的百分比、雜食性魚類數(shù)量百分比與歷史數(shù)據(jù)接近，但魚類總物種數(shù)、亞科魚類種數(shù)、亞科魚類種數(shù)減少，雜食性魚類比例和耐受性強的魚類比例相比歷史記錄明顯上升，敏感性魚類占總類數(shù)的百分比減少，表明漓江生態(tài)環(huán)境仍然面臨很大壓力。

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Application of Index of Biological Integrity Based on Fish to Assess the River’s Health in the Middle and Lower Reaches of Lijiang River

DING Yang1, WU Zhiqiang1, 2*, HUANG Liangliang1, FENG Wenli1, SHI Ruidan1

(1. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region 541004, China; 2. Guangxi University, Nanning 530004, China)

Four quarterly samplings for fish species were carried out during the period from April 2014 to January 2015. By the filtration of 22 primary indices, the evaluation system was established on the basis of index of biological integrity (IBI) with 7 evaluation indices selected, including total number of species, ratio of cyprinid species with total number of species, the number of Gobioninae, the number of Coltrinae, ratio of omnivorous species with total number of species, ratio of sensitive species with total number of species, and ratio of tolerant species with total number of species. The IBI value of each sampling site was then calculated using 1, 3, 5 approximation of value assignment, and the values were classified into 6 levels to assess the biological integrity of fish: extremely good (58～60), good (48～52), normal (40～44), bad (28～34), and extremely bad (12～22), no fish (0). The results showed that, the IBI score of the middle and lower reaches of Lijiang River was over 40, as well as that in each river segment (Guilin segment, Yangshuo segment, and Pingle segment), indicated that an average level and above.

fish; index of biological integrity; Lijiang River

研究參照點(

ite)的選取尚未見相應的規(guī)范，通常選擇不受人類干擾或受干擾相對較少的河段，或者以歷史數(shù)據(jù)為參照點。由于漓江中下游不受人類干擾或受干擾相對較少的河段難以尋覓，所以本研究盡可能以歷史數(shù)據(jù)為參照點確定期望值。根據(jù)目前應用最多的評價方法,即傳統(tǒng)的1、3、5賦值法：將各指標分為1分、3分、5分3個層次，分值越高表示調(diào)查得出的數(shù)據(jù)與期望值越接近，即5分表示采樣所得數(shù)據(jù)與期望值十分接近；3分屬于中等；1分表示與期望值相差大。

2015-09-21 接受日期：2015-11-21

國家自然科學基金(51379038, 51509042); 廣西科學研究與技術開發(fā)計劃項目(桂科攻1355007-14); 廣西教育廳高校科學研究項目(YB2014151); 廣西自然科學基金(2014GXNSFBA118072); 廣西高等學校高水平創(chuàng)新團隊及卓越學者計劃項目(002401013001)

丁洋(1991—), 男, 碩士研究生, 主要從事環(huán)境生態(tài)研究, E-mail:1101882622@qq.com

*通信作者Corresponding author， 教授, 博士生導師, 主要從事魚類生態(tài)學研究, E-mail:zqwu@glut.edu.cn

Q959.4

A

1000-7083(2016)02-0288-06