基于魚類生物完整性指數(shù)的深圳鵝公灣漁業(yè)水域健康評價

余景 趙漫 胡啟偉 陳丕茂

摘要：【目的】基于魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）評價深圳鵝公灣漁業(yè)水域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為開展南海近海典型漁業(yè)水域的生態(tài)修復提供參考依據(jù)。【方法】基于2012年8月（夏季）和11月（秋季）、2013年2月（冬季）和5月（春季）4個季度的生物資源、生態(tài)環(huán)境調(diào)查資料，選取魚類總種類數(shù)、石首魚科魚類種類數(shù)比例、鯛科魚類種類數(shù)比例、浮游生物食性魚類種類數(shù)比例、底棲生物食性魚類種類數(shù)比例和底棲—游泳生物食性魚類種類數(shù)比例6個指標，構(gòu)建深圳鵝公灣F-IBI指標體系，并通過主成分分析和Pearson相關(guān)性分析對其適用性進行檢驗。【結(jié)果】石首魚科魚類種類數(shù)比例、鯛科魚類種類數(shù)比例、浮游生物食性魚類種類數(shù)比例、底棲生物食性魚類種類數(shù)比例對F-IBI健康狀況評價結(jié)果的影響較大，是主要的評價指標。鵝公灣F-IBI與水溫、鹽度、化學需氧量（COD）和石油類呈正相關(guān)，與pH、溶解氧（DO）、溶解性無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（PO43--P）和懸浮物呈負相關(guān)，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關(guān)（P<0.01）?！窘Y(jié)論】基于魚類總種類數(shù)、石首魚科魚類種類數(shù)比例、鯛科魚類種類數(shù)比例、浮游生物食性魚類種類數(shù)比例、底棲生物食性魚類種類數(shù)比例和底棲—游泳生物食性魚類種類數(shù)比例6個指標構(gòu)建的鵝公灣F-IBI評價體系具有可靠性，可用于南海近海典型漁業(yè)水域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評估。

關(guān)鍵詞： 漁業(yè)水域；魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）；生態(tài)系統(tǒng)健康評價；深圳鵝公灣

中圖分類號： S931.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）03-0524-08

0 引言

【研究意義】生物完整性指數(shù)（Index of biological integrity，IBI）評價體系是通過對生態(tài)系統(tǒng)中某一類群落（如魚類）的物種組成、多樣性及功能結(jié)構(gòu)等進行分析，將其與相應(yīng)的標準體系進行比較，然后根據(jù)分類指標評價觀測生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況（Karr，1981；劉愷等，2010）。IBI是目前水生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應(yīng)用最廣泛的一個生態(tài)指標（王備新等，2006），是由Karr（1981）首次提出并以魚類為研究對象而建立，隨后擴展到其他水生生物，如大型底棲無脊椎動物、周叢生物、藻類、浮游生物和高等維管束植物等。魚類是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，也是海洋健康狀況的重要指示生物，因此以魚類為評價對象能更全面詳細地反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，對了解和維護水域生態(tài)系統(tǒng)健康、水域的可持續(xù)利用和管理具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】在國外，魚類生物完整性指數(shù)（Index of biological integrity of fish，F(xiàn)-IBI）評價體系多應(yīng)用于湖泊、河口和近海等水域環(huán)境的監(jiān)測和管理。F-IBI最初應(yīng)用于美國中西部流域（Karr，1981），此后還用于法國Seine河流域受農(nóng)業(yè)排放和城鎮(zhèn)化的影響評估（Oberdorff and Hughes，1992），改進后的F-IBI被用于檢測污染對法國大西洋沿岸河口魚類種群的影響（Delpech et al.，2010）。在國內(nèi)，F(xiàn)-IBI評價體系多應(yīng)用于湖泊和河流等淡水區(qū)域。長江中游淺水湖泊F-IBI評價體系建立較早（朱迪和常劍波，2004），該體系以1978年的調(diào)查數(shù)據(jù)為參照，對長江中游不同類型淺水湖泊進行F-IBI時空變化的比較研究。此后，鄭海濤（2006）建立了怒江中上游F-IBI評價體系，對怒江的不同河段進行評價。近年來，F(xiàn)-IBI在廣西河池地區(qū)（劉愷等，2010）、長江中上游干流及附屬湖泊（劉明典等，2010）、漓江（朱瑜等，2012）、三門峽濕地（Zhang et al.，2014）、廣東鑒江流域（郜星晨等，2015）和渾河流域（張賽賽等，2015）等得到廣泛應(yīng)用，這些評價體系多以歷史數(shù)據(jù)或受損較小區(qū)域的數(shù)據(jù)為參照，研究區(qū)域尺度不一，評價指標存在明顯差異?！颈狙芯壳腥朦c】至今，鮮見將F-IBI評價體系應(yīng)用于深圳鵝公灣海域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以魚類為研究對象，構(gòu)建深圳鵝公灣漁業(yè)水域的F-IBI評價體系，評價該海域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為廣泛開展南海近海典型漁業(yè)水域的生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)域概況

鵝公灣是南海近海典型的漁業(yè)水域，位于深圳市大鵬灣內(nèi)。鵝公灣的用海方式主要是淺海養(yǎng)殖和投放人工魚礁，其養(yǎng)殖方式以網(wǎng)箱、浮筏吊養(yǎng)為主，主要養(yǎng)殖軍曹魚、石斑魚、紅鮋、扇貝等經(jīng)濟品種。從2007年開始，在鵝公灣內(nèi)建設(shè)了準生態(tài)公益型人工魚礁和國內(nèi)首座開放型人工魚礁。

1. 2 調(diào)查時間及站位設(shè)置

本研究在東經(jīng)114°27′53.08″～114°29′5.05″、北緯22°28′21.97″～22°31′24.10″的區(qū)域布設(shè)10個調(diào)查站位（圖1），分別設(shè)鵝公灣人工魚礁區(qū)（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7站位）和對照區(qū)（S8、S9、S10站位）。于2012年8月（夏季）和11月（秋季）、2013年2月（冬季）和5月（春季）對10個調(diào)查站位（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10）進行生物資源和生態(tài)環(huán)境調(diào)查。

1. 3 調(diào)查項目及樣品分析方法

調(diào)查項目包括海水水質(zhì)和游泳生物資源狀況。海水水質(zhì)包括水溫、鹽度（‰）、pH、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、溶解性無機氮（DIN）、活性磷酸鹽（PO43--P）、石油類和懸浮物。利用拖網(wǎng)進行游泳生物資源狀況調(diào)查，拖網(wǎng)漁船每站拖1次，時長為15 min，平均拖速2.5～3.0 km/h。調(diào)查過程中所有樣品的采集和分析均按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763-2007）和《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB/T 17378-2007）規(guī)定的方法進行操作。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

1. 4. 1 參照樣點確定 基于參照點為未受損樣點或受損極小樣點，受損點為已受各種干擾樣點的原則（王備新等，2006），采用研究區(qū)域歷史數(shù)據(jù)為參照點，主要包括1964～1965年南海北部底拖網(wǎng)漁業(yè)資源調(diào)查報告、南海漁業(yè)資源與漁業(yè)管理、南海北部近海海域的綜合調(diào)查資料（南海水產(chǎn)研究所，1966；邱永松等，2008；賈曉平等，2012），確定S8、S9和S10號站位為受損點。

1. 4. 2 鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI評價指標選取和篩選 IBI指標可歸類為種類組成和豐度、耐受性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、繁殖共位群、魚類數(shù)量和健康狀況等（王備新等，2006；鄭海濤，2006；劉愷等，2010）。根據(jù)深圳鵝公灣海域的開發(fā)狀況，本研究從種類組成和豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)及繁殖共位群三類中選取候選指標。其中，種類組成和豐度包括總種類數(shù)、某科魚類種類數(shù)比例、中上層和底層魚類種類數(shù)比例，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)包括浮游生物食性、浮游—底棲生物食性、底棲生物食性、底棲—游泳生物食性和游泳生物食性魚類種類數(shù)比例，繁殖共位群主要由產(chǎn)浮性卵魚類種類數(shù)比例組成（表1）。

在候選指標中根據(jù)指標屬性分類進行篩選，獲得評價指標。指標篩選原則：對于種類數(shù)指標，取消各站位或評價區(qū)域結(jié)果均小于5的指標；對于百分比指標，取消各站位或評價區(qū)域間差異小于10%的指標，取消90%以上站位或評價區(qū)域指標值均為0的指標（劉愷等，2010；裴雪姣等，2010）。

對候選指標進行判別能力分析和相關(guān)性分析，確定構(gòu)建F-IBI的評價指標。判別能力分析是分析候選指標對人類活動的響應(yīng)程度，利用箱線圖比較參照樣點和受損點在25%～75%范圍即箱體IQ（Interquartile ranges）的重疊情況，反映候選指標在參照樣點與受損樣點間的差異程度，分別賦予不同數(shù)值。沒有重疊，IQ=3；各自中位數(shù)值均在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值均在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。其中，只有IQ≥2的指標被認為是對人為活動具有顯著響應(yīng)，可進行下一步分析。利用Pearson相關(guān)性分析檢驗候選指標的獨立性，剔除相關(guān)性較高的指標（|r|>0.75）。

1. 4. 3 指標賦值標準 將指標分為1、3、5分三個層次，5分表示采樣所得數(shù)據(jù)與參照樣點值十分接近，3分屬于中等，1分表示與參照樣點值相差明顯（Karr and Chu，2000）。每個站點的F-IBI即為該站點各評價指標得分總和。F-IBI可劃分為6個健康等級（表2）（Karr et al.，1986）。為消除指標數(shù)量造成F-IBI總分差異，采用以下公式對F-IBI總分進行計算（Moyle and Randall，1998）：

F-IBI=指標分值總和/指標個數(shù)×12

2. 2 指標選取和評分標準的確定

2. 2. 1 指標選取結(jié)果 （1）判別能力分析：初步篩選的14個候選指標通過判別能力分析，得到11個在參照點和受損點具有顯著差異的指標，分別是M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M9、M11、M12和M13。這些指標對人為活動干擾有顯著響應(yīng)（圖2）。

（2）相關(guān)性分析：對判別能力分析篩選出的11個候選指標進行Pearson相關(guān)性分析，得出指標間相關(guān)系數(shù)。由表4可知，M2與M3和M4顯著相關(guān)（P<0.05，下同）、與M12極顯著相關(guān)（P<0.01，下同），M3與M4、M7、M9和M12顯著相關(guān)，M4與M9和M13顯著相關(guān)，M5與M7和M9顯著相關(guān)，M6與M13顯著相關(guān)，因此排除M2、M3、M4、M5和M13等5個指標。最終選取M1、M6、M7、M9、M11和M12等6個指標用于構(gòu)建鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI評價體系。

2. 2. 2 評分標準 本研究以歷史數(shù)據(jù)（南海水產(chǎn)研究所，1966；邱永松等，2008；賈曉平等，2012）為參照，將各指標分別賦值為1、3、5三個層次（表5），各指標對干擾的響應(yīng)依據(jù)判別能力分析結(jié)果（圖2）。

2. 3 鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI評價結(jié)果

根據(jù)篩選指標的調(diào)查結(jié)果和評分標準，得到鵝公灣漁業(yè)水域魚類完整性分值和健康等級（表6）。人工魚礁區(qū)（S1～S3站位）魚類完整性好，多數(shù)指標與參照值接近，說明人工魚礁區(qū)魚類資源狀況較好；對照區(qū)（S8～S10站位）魚類完整性處于差或一般狀態(tài)，其中M7（鯛科魚類種類數(shù)比例）和M12（底棲—游泳生物食性魚類種類數(shù)比例）評分較低。

2. 4 F-IBI適用性檢驗結(jié)果

2. 4. 1 主成分分析結(jié)果 通過主成分分析法分析M1、M6、M7、M9、M11和M12等6個指標對鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI健康狀況評價結(jié)果的影響（圖3）。在第一主成分上，M7和M9有較高的載荷，說明第一主成分由M7和M9決定，即M7和M9作為F-IBI的主要評價指標可信。在第二主成分上，M6和M11有較高的載荷，說明第二主成分由M6和M11決定，即M6和M11作為F-IBI的主要評價指標可信?？梢姡笜薓6、M7、M9和M11對F-IBI健康狀況評價結(jié)果的影響較大，是主要的評價指標。

2. 4. 2 相關(guān)性分析結(jié)果 鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI與該海域理化因子（包括水溫、鹽度、pH、DO、COD、DIN、PO43--P、石油類和懸浮物）的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，鵝公灣F-IBI與水溫、鹽度、COD和石油類呈正相關(guān)，與pH、DO、無機氮、PO43--P和懸浮物呈負相關(guān)，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關(guān)（表7）。

3 討論

3. 1 F-IBI評價體系在鵝公灣漁業(yè)水域的應(yīng)用

參照點的選取對IBI評價體系構(gòu)建具有導向性和決定性的作用（郜星晨等，2015）。目前，關(guān)于參照點的定義及其設(shè)定方法并無明確規(guī)定，參照點的一般選取原則是利用歷史數(shù)據(jù)，或選擇無人類干擾的原始水域。因此，本研究選取漁業(yè)資源尚未嚴重衰退的歷史（1965～1966年）數(shù)據(jù)（南海水產(chǎn)研究所，1966；邱永松等，2008；賈曉平等，2012）為F-IBI評價體系的參照點。

自Karr（1981）首次提出12項評價指標以來，由于地域差異和生態(tài)系統(tǒng)類型不同已發(fā)展為多種形式。IBI評價在設(shè)置初選指標時需全面考量，避免遺漏體現(xiàn)群落變化的關(guān)鍵指標。鄭海濤（2006）在總結(jié)不同國家和地區(qū)F-IBI體系評價指標的基礎(chǔ)上，設(shè)置五大類指標。本研究選取種類組成和豐度及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)項目下的6個指標，用于構(gòu)建鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI評價體系。此外，目前評價指標的篩選也尚無統(tǒng)一方法，既可以根據(jù)指標屬性分類篩選適合的IBI評價體系（劉愷等，2010），也可以根據(jù)Barbour評價方法對候選指標進行分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性分析（蘇玉等，2013）。本研究根據(jù)判別及相關(guān)性分析結(jié)果可知，石首魚科魚類種類數(shù)比例（M6）、鯛科魚類種類數(shù)比例（M7）、浮游生物食性魚類種類數(shù)比例（M9）和底棲生物食性魚類種類數(shù)比例（M11）對F-IBI評價結(jié)果有較大影響。石首魚科的杜氏叫姑魚、銀牙魚、黃姑魚、白姑魚、大黃魚、棘頭梅童魚及鯛科的二長棘鯛、黑鯛，均為南海底拖網(wǎng)的主要捕撈對象，且在調(diào)查期間石首魚科的白姑魚和鯛科的二長棘鯛、黑鯛均具有較高的漁獲率。通過判別能力分析可知，人工魚礁區(qū)底棲生物食性魚類種類數(shù)比例有所增加，與相關(guān)研究結(jié)果（陳丕茂等，2013；廖秀麗等，2013）一致。因此，基于這6個指標構(gòu)建的鵝公灣漁業(yè)水域F-IBI評價體系具有可靠性。

3. 2 人工魚礁對鵝公灣漁業(yè)水域的生態(tài)影響

人工魚礁不僅能改善海洋環(huán)境、為海洋生物提供庇護場所，礁體表面附著的大量海洋生物還能為海洋生物提供豐富的餌料來源，具有集魚和增殖效應(yīng)（Yu et al.，2015；趙漫等，2016）。本研究結(jié)果表明，人工魚礁區(qū)（S1～S3站位）多數(shù)指標與參照值接近，說明人工魚礁區(qū)漁業(yè)資源狀況較好。人工魚礁改善了投放水域的生態(tài)環(huán)境，提升其環(huán)境承載力和生產(chǎn)力（McGowan et al.，2014）。此外，人工魚礁為魚類、蝦類等海洋生物提供了一個良好的棲息地和產(chǎn)卵場所（Zhou et al.，2010）。尤其是近年來灣內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，魚類的棲息環(huán)境受到嚴重破壞，對照區(qū)（S8～S10站位）魚類生物完整性處于差或一般狀態(tài)，因此急需通過投放人工魚礁以改善鵝公灣漁業(yè)水域的生態(tài)環(huán)境。

鵝公灣F-IBI與水溫、鹽度、COD和石油類呈正相關(guān)，與pH、DO、無機氮、PO43--P和懸浮物呈負相關(guān)，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關(guān)。COD是影響鵝公灣水域生態(tài)系統(tǒng)健康和F-IBI的主要理化因子，人工魚礁區(qū)由于攝食生物增多、生物擾動增加，加速了沉積物中有機物質(zhì)的分解，導致局部水域COD較高；另一方面，陸源輸入也是影響COD的重要因素（李磊等，2012）。已有相關(guān)研究表明，COD是海域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的負影響因子（裴雪姣等，2010；張浩等，2015），但其影響機理有待進一步探究。

3. 3 F-IBI評價體系的展望

目前，運用F-IBI評價體系對國內(nèi)河流湖泊健康狀況評價較常見。魚類以其生活范圍廣泛，受物理、化學及生物條件長期的影響、易于分析和解釋等優(yōu)勢一直被視為生物學評估監(jiān)測的理想指標（Karr，1981）。本研究從魚類角度客觀評價深圳鵝公灣漁業(yè)水域的健康狀況，參照郜星晨等（2015）的研究成果，運用判別及相關(guān)性分析等方法構(gòu)建適合該水域的F-IBI評價體系，結(jié)果表明，人工魚礁投放水域健康狀況較好，其余站點水域健康等級為一般和差，急需采用一定措施對其進行生態(tài)修復，以促進該海域生物資源的可持續(xù)發(fā)展。海灣水域和內(nèi)陸河流湖泊相比，其水文、生物等環(huán)境因素具有一定的差異，為進一步將IBI評價體系用于海灣水域，還應(yīng)增加不同環(huán)境指標體系、不同年份和季節(jié)采樣調(diào)查的次數(shù)，從而進行更準確的灣內(nèi)水域健康狀況評價及修復研究，同時應(yīng)深入研究生物完整性與環(huán)境因子間的相關(guān)性，以完善生物完整性評價體系。

4 結(jié)論

基于魚類總種類數(shù)、石首魚科魚類種類數(shù)比例、鯛科魚類種類數(shù)比例、浮游生物食性魚類種類數(shù)比例、底棲生物食性魚類種類數(shù)比例和底棲—游泳生物食性魚類種類數(shù)比例6個指標構(gòu)建的鵝公灣F-IBI評價體系具有可靠性，可用于南海近海典型漁業(yè)水域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評估。

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（責任編輯 蘭宗寶）