應(yīng)用魚類完整性指數(shù)F-IBI評價巢湖流域的主要河流健康

劉 楊，陳 凱，蔡永久，尹洪斌，嚴(yán)云志

1.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲學(xué)系，江蘇 南京 210095 3.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008

河流和湖泊作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有休閑娛樂、農(nóng)業(yè)灌溉以及提供飲用水等重要功能[1]。然而，諸如水壩建設(shè)、城鎮(zhèn)化發(fā)展等人類活動的加劇嚴(yán)重影響了河流和湖泊的生物完整性，導(dǎo)致棲息地破碎化、河岸侵蝕以及化學(xué)有機(jī)污染等[2-3]。為了更好地監(jiān)測和管理河流健康狀況，研究人員逐漸將一些物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)等作為評價河流健康程度的有效手段[4-5]。由于生物指標(biāo)更能體現(xiàn)多種生態(tài)脅迫的累積效應(yīng)，并且包括群落結(jié)構(gòu)和功能等高層次信息，因而應(yīng)用最為廣泛[6]。由于魚類在自然界中分布廣泛、易于鑒定且對水質(zhì)敏感性高[7-8]，KARR[9]首先在河流健康狀況的評價中，對魚類建立和使用生物完整性指標(biāo)(Fish-Index of Biotic Integrity,F-IBI)，并逐漸改善和應(yīng)用于其他生物類群[10-11]。

在已有的F-IBI應(yīng)用中，已對黃河[12]、長江[13]以及一些小型河流和湖泊[14-15]進(jìn)行了有效的健康狀況評價。然而，巢湖作為中國五大淡水湖泊之一，其水系的健康程度卻較少受到關(guān)注。目前，巢湖流域河流健康的相關(guān)報道大多聚焦于浮游植物以及大型底棲動物。龍健[16]研究巢湖流域浮游植物的結(jié)果顯示，其河流水體生態(tài)健康狀況總體呈中等狀態(tài)，且不同地區(qū)的健康狀況存在差異；寧怡等[17]以大型底棲動物作為研究對象，評價了巢湖水體及其主要的水系健康程度。但是，鮮見將魚類作為指示物種來研究巢湖流域河流健康的報道。近年來，由于人類活動的干擾，巢湖水質(zhì)以及水生生物數(shù)量逐漸下降，甚至發(fā)生不同程度的富營養(yǎng)化[18]。因此，有必要對巢湖水系進(jìn)行生物完整性評價，可為其生態(tài)系統(tǒng)及其物種多樣性的恢復(fù)、保護(hù)和管理提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

巢湖地處長江下游的安徽省境內(nèi)(地理坐標(biāo)為117°16′54″～117°51′46″E，31°43′28″～31°25′28″N)，是中國五大淡水湖之一[19]。巢湖流域處于中國亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為16 ℃，年降水量較為充沛(約為1 200 mm)，年平均徑流量可達(dá)5.92×109m3，汛期主要集中在5—8月[20]。該流域水系較多，主要的入湖河流包括杭埠河-豐樂河、南淝河、十五里河、雙橋河、白石天河、柘皋河、派河、兆河等以及唯一的出湖河流裕溪河[21-23]。自20 世紀(jì)80年代以來，巢湖流域內(nèi)大力發(fā)展城鎮(zhèn)化，其富營養(yǎng)化情況日益加劇，水體生態(tài)功能有所下降，漁業(yè)資源和魚類多樣性受到極大的影響[24]。

1.2 采樣點設(shè)置與魚類調(diào)查

在野外調(diào)查過程中，具體調(diào)查樣點的選取既考慮樣點對特定河段的代表性，又根據(jù)可抵達(dá)性和可操作性來確定。此次調(diào)查樣點共53個，分別散布于7個單獨入巢湖河流，包括杭埠河(11個)、豐樂河(9個)、派河(5個)、南淝河(6個)、柘皋河(4個)、白石天河(5個)、兆河(6個)和出巢湖河流裕溪河(7個),見圖1。此外，考慮到人為干擾因素，每條河流的調(diào)查樣點盡可能包括人為活動壓力相對較小的樣點。

圖1 巢湖水系及采樣點設(shè)置Fig.1 Location of sampling sites in the Chaohu basin

2013年10月，對上述采樣點進(jìn)行取樣。視水深選擇漁具(已經(jīng)過相關(guān)部門許可)：可涉水水域(水深不足1 m)，采用背式電魚器(電瓶參數(shù)為20 A 12 V，電魚器為4 000 W)直接涉水取樣；不可涉水水域(水深超過1 m)，采用船運電捕器(電瓶參數(shù)為100 A 12 V，電魚器為30 000 W)并借助皮筏艇進(jìn)行取樣。每個采樣點取樣時間約為30 min，采樣河長約為100 m，以盡可能確保不同采樣點數(shù)據(jù)間的可比性。采集后的標(biāo)本在新鮮狀態(tài)下鑒定，對物種數(shù)與個體數(shù)進(jìn)行計數(shù)。疑難種以甲醛固定，帶回實驗室進(jìn)一步鑒定。其余活體標(biāo)本釋放至采集地。

1.3 環(huán)境變量

運用ArcGIS Desktop 10.0軟件，在精度為30 m的矢量圖上，提取每個采樣點的三大類陸地景觀因子，包括林地面積占比、農(nóng)業(yè)用地面積占比、建設(shè)用地面積占比。由于采樣點上游的土地利用會對水生生物造成影響，因此研究針對采樣點上游的土地類型進(jìn)行面積計算。

若水層較深，則采用2.5 L采水器分別于水體上、中、下3層采水，并混合取1.5 L水樣；若水層較淺，則取表層水樣，黑暗環(huán)境下冷藏保存。帶回實驗室內(nèi)測定總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chla)，分別使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[25]、鉬酸銨分光光度法[26]和丙酮-紫外分光光度法[27]進(jìn)行測定。

1.4 F-IBI指數(shù)構(gòu)建

參照文獻(xiàn)[28]，選取對干擾反應(yīng)較敏感的29個候選參數(shù)，包括種類組成和豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、繁殖共位群、耐受性及魚類數(shù)量等5種屬性(表1)，按照候選參數(shù)與土地利用間的相關(guān)性分析、參數(shù)間的相關(guān)性分析以及參數(shù)的分布范圍篩選。對于參數(shù)的分布范圍，其值過小會導(dǎo)致參數(shù)不能完全區(qū)分河流狀況[29]。如果某一參數(shù)超過70%的數(shù)值為0，則刪除該參數(shù)[30]。

表1 候選參數(shù)及其對干擾的響應(yīng)Table 1 Candidate metrics and its responses to disturbance

1.4.1 參照條件的建立

HUGHES[31]總結(jié)了參照條件建立的方法(包括參照點的采用、歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用、考古學(xué)研究應(yīng)用等)。由于工業(yè)化程度的日益提高，很難選取合適的參照點，同時也缺少古生物學(xué)知識背景，因此HUGHES提出以觀測值作為“假設(shè)參照”的方法來建立參照條件[32-33]。該研究以王岐山[34]的歷史調(diào)查結(jié)果作為參考，但其僅是巢湖水域整體的物種組成數(shù)據(jù)。為了更好地聯(lián)系歷史數(shù)據(jù)，筆者將涉及物種數(shù)的參數(shù)以歷史物種數(shù)作為最佳期望值，而涉及數(shù)量的參數(shù)則以該參數(shù)的5%或95%分位數(shù)值作為最佳期望值。

1.4.2 分值計算

對各參數(shù)進(jìn)行計分的目的是統(tǒng)一評價量綱。參考王備新等[10]的建議，相對于三分法和四分法而言，在沒有或參照點很少的情況下，比值法更合理，因此該研究采用比值法統(tǒng)一各指數(shù)量綱。隨干擾增加而降低的參數(shù)，以其95%分位數(shù)值作為最佳期望值，計算方法為參數(shù)實際值/最佳期望值；隨干擾增加而上升的參數(shù)，則以5%分位數(shù)值作為最佳期望值，計算方法為(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。規(guī)定計算后分值的分布范圍為0 ～ 1，若大于1，則均記為1[35]。

1.4.3 健康評價標(biāo)準(zhǔn)確定

對構(gòu)成的F-IBI值進(jìn)行百分制轉(zhuǎn)換，劃分為5個等級，規(guī)定大于80為健康；[60～80)為亞健康；[40～60)為一般；[20～40)為差；小于20為極差。

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境因子

表2展示了巢湖流域河流水體土地利用和理化因子。

表2 巢湖流域河流水體土地利用和理化因子Table 2 Landuse types and physicochemical factors of sampling segments in the Chaohu basin

如表2所示，在三大類土地利用類型中，農(nóng)業(yè)用地面積百分比的均值相對較高，而林地面積百分比和建設(shè)用地面積百分比的均值較為相近；就理化因子而言，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對水質(zhì)的劃分，其均值水平主要處于劣Ⅴ類～Ⅲ類水平。

2.2 魚類組成及生態(tài)類型

綜合王岐山[34]的巢湖調(diào)查結(jié)果和筆者研究結(jié)果：鯉科魚類是巢湖水系的主要物種，所占的比例為54.12%～62.5%。按魚類的垂直分布位置看，底層魚類均占有最高的比例(歷史比例約為41.18%，2013年比例約為47.5%)，如鯉(Cyprinuscarpio)、鯽(Carassiusauratus)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)等；按其食性看，肉食性魚類1987年的比例較高，如紅鰭原鲌(Cultrichthyserythropterus)、食蚊魚(Gambusiaaffinis)等，而2013年僅雜食性魚類的比例最高，如寬鰭鱲(Zaccoplatypus)、切尾擬鲿(Pseudobagrustruncatus)等；從產(chǎn)卵類型看，產(chǎn)粘性卵魚類比例較高(歷史比例約為43.53%，2013年比例約為47.5%)，如麥穗魚(Pseudorasboraparva)、棒花魚(Abbottinarivularis)等；從耐受性看，耐受物種中草魚(Ctenopharyngodonidellus)等比例較高，而敏感物種如尖頭鱥(Phoxinusoxycephalus)等的比例較低(附錄A)。

2.3 參數(shù)篩選

候選參數(shù)與土地利用相關(guān)性分析表明，M3、M4、M7、M12、M15、M17、M18、M21、M22、M19、M20、M25、M26、M27和M28至少與一種土地利用類型顯著相關(guān)(表3)。

表3 同土地利用類型顯著相關(guān)的候選參數(shù)Table 3 Candidate metrices that had significantly correlation with land-use types

根據(jù)相關(guān)性大小，綜合考慮參數(shù)反映信息的不同，就與食性相關(guān)的參數(shù)而言，M12同農(nóng)業(yè)面積的相關(guān)系數(shù)比M15更高，因此保留參數(shù)M12。類似的，同M17相比，M18與農(nóng)業(yè)面積的相關(guān)系數(shù)更高，因而僅保留參數(shù)M18。在反映耐受性屬性時，4個參數(shù)間彼此均高度相關(guān)(M25、M26、M27和M28)，且相對于M25和M27而言，M26和M28與土地利用面積的相關(guān)系數(shù)更高，故不考慮參數(shù)M25和M27。余下的9個參數(shù)進(jìn)行下一步篩選。

其次，對上述篩選后的參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，如果2個參數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于0.75，則保留生物學(xué)信息較多或同環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性更高的參數(shù)[36]。結(jié)果顯示，盡管M4與M3高度相關(guān)，但由于參照的歷史數(shù)據(jù)僅有物種組成，相對于參數(shù)M4而言，參數(shù)M3能夠更好地聯(lián)系歷史狀況；同時M4和M26、M28也高度相關(guān)，因此，不保留參數(shù)M4。此外，M26和M28的相關(guān)系數(shù)為1，而耐受性魚類的數(shù)量較多，可能包含更多的信息，故僅保留M26(表4)。余下參數(shù)進(jìn)行下一步分析。

表4 9個候選參數(shù)間的相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation analysis among nine candidate metrics

注：M3、M4、M21、M22、M19、M20、M26、M28、M7所代表的候選參數(shù)指標(biāo)參照表1。

最后，考慮剩余參數(shù)的分布范圍。盡管M19和M20的相關(guān)性較高，但兩者的50%分位數(shù)值均為0，隨污染的增強，其值幾乎無可變動范圍，故均刪除。同樣的，M21和M22的25%分位數(shù)值也均為0，均刪除。此外，M1在研究魚類生物完整性評價時，應(yīng)用較為廣泛，予以保留。綜合考慮，F(xiàn)-IBI指數(shù)的構(gòu)成包括M1、M3、M7、M12、M18和M26等6個參數(shù)。

2.4 分值計算

根據(jù)篩選后的參數(shù)5%和95%分位數(shù)值，確定比值法計算公式，并依此計算各采樣點的F-IBI值(表5)。

2.5 健康評價

F-IBI總體得分范圍為9 ～ 71分，其中杭阜河、兆河、柘皋河和派河健康狀況整體一般；白石

天河上游健康狀況為亞健康，但靠近巢湖的采樣點健康狀況差；裕溪河和南淝河整體健康狀況偏差；豐樂河的不同河段，其健康狀況有亞健康、一般和差3種標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。

表5 比值法計算6個生物參數(shù)分值的公式Table 5 Formulas for calculation of six metrics scores using the ratio method

注：M3的5%分位數(shù)值和M7的95%分位數(shù)值均是以歷史數(shù)據(jù)為最佳期望值。

圖2 巢湖水系健康狀況Fig.2 Condition of health in the Chaohu basin

2.6 F-IBI值與水體指標(biāo)的關(guān)系

F-IBI與log轉(zhuǎn)化后的水體指標(biāo)(TN、TP和Chla)的Pearson相關(guān)性分析見圖3。由圖3可見，F(xiàn)-IBI與三類指標(biāo)均顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),但是同Chla的相關(guān)系數(shù)最高(r=0.52),同TN的相關(guān)系數(shù)最低(r=0.34)。表明巢湖河流的富營養(yǎng)化是影響河流健康的不可忽視因素。

圖3 F-IBI分值與TN、TP和Chla的散點圖Fig.3 The scatter plot between the F-IBI and TN, TP, chlorophyll a, respectively

3 討論

運用生物指標(biāo)進(jìn)行河流生態(tài)健康評價，選取合適的參照點尤其重要。目前關(guān)于參照點選取的常用方法有4種，包括“極少受干擾樣點”“受干擾程度最小樣點”“最容易實現(xiàn)樣點”以及“歷史樣點”[37]，但在實際研究中仍無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如BAROBOUR等[38]在無人為干擾的溪流中設(shè)置參照樣點；MAXTED等[36]通過理化指標(biāo)、生境質(zhì)量來確定參照樣點；BOZZETTI等[6]和LI等[12]則采用“假設(shè)對照值”的方法。該研究采用的“假設(shè)對照值”法，可能會高估最終的F-IBI值，但是在一定程度上也反映了巢湖水系的健康程度。在后期的研究中，需要通過遙感分析采樣點附近的土地利用情況，并結(jié)合多種理化指標(biāo)來綜合確定采樣點的受干擾程度，以增加參照點選取的準(zhǔn)確性。

部分生態(tài)學(xué)家認(rèn)為，至少需要結(jié)構(gòu)和功能兩大指標(biāo)體系，才能構(gòu)成較為完整的生態(tài)健康評價系統(tǒng)[39]。一方面，就維持水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能而言，魚類的作用明顯較強[40]。此外，該研究采用的魚類生物完整性指數(shù)法綜合了魚類群落組成、數(shù)量以及性狀特征等多個指標(biāo)，能夠體現(xiàn)多種生態(tài)脅迫效應(yīng)，可以更有效地反映巢湖水系的生態(tài)健康程度。研究表明，該體系的評價結(jié)果與巢湖水系的實際情況較為吻合，但是由于數(shù)據(jù)數(shù)量和來源的限制，該評價標(biāo)準(zhǔn)目前適用于研究區(qū)域內(nèi)的水體健康，對于其他水體只能作為參照。另一方面，生物指標(biāo)作為結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系之一，僅用某一類生物評價生態(tài)健康程度，其結(jié)果可能是片面的。因此，有必要考慮以多種生物作為指示物種，以期全面評價水體健康狀況。

從20世紀(jì)80年代開始，巢湖流域出現(xiàn)水華藍(lán)藻現(xiàn)象并逐漸擴(kuò)散至全湖，該水系的健康程度在空間上主要表現(xiàn)為西低東高的趨勢[41]。該研究也發(fā)現(xiàn)相對于東巢湖而言，西巢湖的主要河流(南淝河、派河和杭阜河-豐樂河)受到了大量來自城鎮(zhèn)的生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)面源污染，其水質(zhì)明顯較差[42]。盡管杭阜河-豐樂河也輸入大量污染物，但其同時輸入的水量遠(yuǎn)超污染物，導(dǎo)致流入巢湖的污染物濃度較低，對巢湖富營養(yǎng)化的影響有限。該研究表明，杭阜河-豐樂河的健康程度整體一般，甚至上游呈現(xiàn)亞健康的狀態(tài)，和事實情況接近；但同時也發(fā)現(xiàn)派河整體狀況一般，可能由于采樣點調(diào)查過少，與以往的調(diào)查研究結(jié)果不太一致[42]。此外，南淝河的健康狀況整體偏差，是巢湖流域主要的污染源。因此，西巢湖是生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及環(huán)境保護(hù)的重點區(qū)域，尤其是南淝河和派河。因大量營養(yǎng)鹽排放導(dǎo)致水體環(huán)境惡化，也造成巢湖流域部分食性專一(如肉食性)的魚類種類和數(shù)量減少，如翹嘴鲌(Erythroculterilishaeformis)、鲇(Silurusasotus)、鱖(Sinipercachuatsi)等魚類食性生態(tài)位較窄，對惡性水環(huán)境條件較為敏感。因此，在巢湖流域未來的管理和發(fā)展中，有必要控源截污、提高污水排放標(biāo)準(zhǔn)以及增加打撈力度等，從而減少浮游植物的數(shù)量，增加水體透明度，營造適合這些魚類生存的良好環(huán)境。此外，需要建立生態(tài)保護(hù)區(qū)，恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)、在重點區(qū)域?qū)嵤┮运参餅橹鞯纳鷳B(tài)修復(fù)，以期恢復(fù)巢湖流域的生態(tài)健康。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建的由魚類總物種數(shù)、鯉科魚類物種數(shù)百分比、中下層魚類物種數(shù)百分比、肉食性魚類數(shù)量百分比、產(chǎn)粘性卵魚類數(shù)量百分比和耐受性魚類數(shù)量百分比等6個參數(shù)構(gòu)成的F-IBI值及評價體系，是可以應(yīng)用于巢湖流域水生態(tài)健康評價的。

2)巢湖流域的河流健康狀況在空間分布上主要呈現(xiàn)為西低東高的趨勢。目前巢湖水系的健康管理需要采取綜合治理策略，開展控源工作，削減入湖污染負(fù)荷，恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)等。

致謝：感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王備新老師的悉心指導(dǎo)。