基于魚類完整性指數(shù)評價倭肯河流域健康狀況

金洪宇，李雷，張澤鵬，馬波

（1.國家農(nóng)業(yè)科學漁業(yè)資源環(huán)境撫遠觀測試驗站，黑龍江 哈爾濱 150070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黑龍江流域漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站，黑龍江 哈爾濱 150070；3.中國水產(chǎn)科學研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070；4.中國水產(chǎn)科學研究院營口增殖實驗站，遼寧 營口 115000）

生物完整性是生物集合群落所需的一種穩(wěn)定能力，具體是指與自身生境區(qū)域相適應(yīng)的生物群落具有維持自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力[1,2]。魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有生命周期較長、活動范圍廣等特點，能準確反映長時間序列下大尺度范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境變化特征[3-5]。1981 年，Karr[6]將“完善的生物群落結(jié)構(gòu)是構(gòu)建良好生態(tài)環(huán)境的必要條件”作為中心思想，提出了生物完整性指數(shù)（index of biotic integrity，IBI）概念，并將魚類作為指示生物，評價了美國中西部河流健康狀況。目前，世界各地對IBI 評價方法不斷探究、完善，在底棲生物[7]、藻類[8]及水生植物[9]等不同生物類群中得到了廣泛應(yīng)用。我國專家學者們也利用F-IBI 評價方法評估了長江[10,11]、黃河[12]及太湖[13]等流域的健康狀況。研究發(fā)現(xiàn)，由于自然狀況及周邊人類活動干擾的差異性，F(xiàn)-IBI 評價方法并不適用于所有類型的水域。本研究依據(jù)倭肯河流域內(nèi)生物群落組成及自然環(huán)境特點，構(gòu)建了其獨有的IBI 體系，以解決IBI 體系在不同類型水域中適用性的難題。

倭肯河屬于松花江右岸的一級支流，全長450.0 km，流經(jīng)七臺河市、勃利縣、樺南縣、依蘭縣等市縣，流經(jīng)區(qū)域為北方高緯度寒冷地區(qū)，屬于寒溫帶大陸性濕潤季風氣候區(qū)，夏季燠熱多雨、冬季寒冷干燥[14]。近年來，隨著人類生產(chǎn)活動的日益加劇，生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水的不合理排放，導致倭肯河流域生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[15]。本研究于2021 年調(diào)查了倭肯河流域魚類資源現(xiàn)狀，構(gòu)建了魚類生物完整性指數(shù)評價體系，評價了河流健康狀況，為豐富北方寒冷地區(qū)河流生物完整性指數(shù)評價體系的研究，為制定倭肯河流域漁業(yè)資源保護及水域生態(tài)環(huán)境修復措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及調(diào)查站位

研究區(qū)域為北緯45°46'49"～46°23'41"，東經(jīng)129°34'32"～131°30'51"。參照《內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查手冊》[16]，依據(jù)倭肯河的地形地貌及水文狀況，設(shè)10 個調(diào)查位點，包括上游江段：龍慶（S1）、半拉山（S2）、桃山湖上（S3）、桃山湖下（S4）；中游江段：大山頭（S5）、小八浪村（S6）、先鋒村（S7）；下游江段：團山子（S8）、孫家亮子（S9）、依蘭縣（S10）（圖1）。

圖1 倭肯河調(diào)查采樣站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Woken River

1.2 樣品采集及種類鑒定

2021 年5 月、10 月，根據(jù)倭肯河流域魚類的種類、生活習性及季節(jié)分布規(guī)律等特點，采用三層流刺網(wǎng)（中上層魚類）和地籠（底層魚類）相結(jié)合的采捕方法調(diào)查了魚類種類和數(shù)量。每個采樣點設(shè)置4 組三層刺網(wǎng)（長50.0 m，高1.0 m，網(wǎng)目1.0～4.0 cm）和2 個地籠（20.0 m，網(wǎng)目5 mm，30.0 cm×30.0 cm），白天采樣12 h。根據(jù)《東北地區(qū)淡水魚類》[17]、《黑龍江省魚類》[18]及《黑龍江流域（中國）魚類識別手冊》[19]等，分類鑒定各位點的魚類，統(tǒng)計漁獲物。測量全部采樣魚類的體長（1 mm）、體質(zhì)量（0.1 g）?，F(xiàn)場未能鑒別的魚類，用福爾馬林溶液保存，到實驗室后鑒定物種。

1.3 魚類生物多樣性評價

本研究采用相對重要指數(shù)（Index of relative importance，IRI）評價倭肯河流域魚類優(yōu)勢種組成；采用豐富度指數(shù)（Margalef，D）、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener，H）和均勻度指數(shù)（Pielou，J）評價魚類多樣性。具體計算公式如下：

式中，N 為數(shù)量百分比，W 為重量百分比，F(xiàn) 為出現(xiàn)頻率。IRI＞100 的物種為優(yōu)勢種。S 為魚類種類數(shù)，T 為魚類總尾數(shù)，Pi=ni/T 為采樣點中第i 種魚的尾數(shù)占采樣點魚類總尾數(shù)的比例。

1.4 魚類完整性評價

1.4.1 參考點選取

在進行生物完整性研究中，通常將流域內(nèi)生物、理化環(huán)境較好及未受人為活動干擾的采樣點作為參考點，或者將河流的歷史調(diào)查結(jié)果作為參考點。但本研究缺少倭肯河流域的歷史調(diào)查數(shù)據(jù)，選取受人為干擾較少的S1、S4 及S9 采樣點作為參考點。

1.4.2 參數(shù)指標及篩選原則

依據(jù)倭肯河流域特有的魚類組成及生態(tài)系統(tǒng)特征，并綜合國內(nèi)外最新的相關(guān)研究[20-22]，將魚類組成和豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性、繁殖共位群及魚類數(shù)量與健康狀況等5 大類31 個參數(shù)指標用于構(gòu)建倭肯河流域的魚類完整性指數(shù)評價體系（表1）。

表1 魚類完整性候選指標列表Tab.1 List of the index of biotic integrity candidate metrics in fish

倭肯河流域魚類完整性指數(shù)參數(shù)指標篩選：（1）分布范圍篩選：統(tǒng)計各采樣位點的種類數(shù)指標，若小于3，則刪除該指標；統(tǒng)計各采樣位點的百分比指標，若均小于10%，則刪除該指標；各觀測點的任意指標結(jié)果，若90%以上為0，則刪除該指標。（2）箱體判別分析：運用箱體圖，對觀測點與受損點不同指標的25%～75%分位數(shù)范圍進行判讀，將不存在重疊顯現(xiàn)或各自中位數(shù)未在對方箱體之內(nèi)的部分重疊現(xiàn)象的指標進行保留。（3）相關(guān)性分析篩選：分析通過判別分析篩選保留后的指標的相關(guān)性，剔除其余高度相關(guān)的指標（|R|＞0.9），僅保留對結(jié)果反映最為明顯的指標。

1.4.3 指標賦值及評價標準

本研究采用比值法統(tǒng)一指標量綱[23]，受外界干擾影響下降的參數(shù)指標，其最佳期望值為5%分位數(shù)，參數(shù)分值等于實際值/最佳期望值；反之，其最佳期望值為95%分位數(shù)，參數(shù)分值等于（最大值-實際值）/（最大值-最佳期望值）。計算結(jié)果大于1的參數(shù)分值，計為1。

根據(jù)F-IBI 的計算結(jié)果，將F-IBI 值大于等于參考點25%分位數(shù)的采樣位點，設(shè)為“健康”狀態(tài)。同時，按照四分法進行“亞健康”、“一般”、“差”、“極差”的等級劃分。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用EXCEL2016、R 進行統(tǒng)計分析，圖片使用Adobe Photoshop CS6 進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚類種類組成

本次調(diào)查共采集魚類1 637 尾，總重量31.1 kg，4 目6 科20 屬28 種（表2）。其中，鯉形目有2科15 屬22 種，種類數(shù)最多；其次為鲇形目，有2 科3 屬4 種；鮭形目和鱸形目種類最少，僅有1 科1 屬1 種。漁獲物統(tǒng)計結(jié)果表明，數(shù)量最多的為鯽，占總數(shù)的28.59%，其次為（Hemiculter leucisculus）和麥穗魚，而湖（Rhynchocypris percnurus）和北方花鰍（Cobitis granoei Rendahl）數(shù)量最少，僅為0.06%；同時，鯽的重量占比最大，為34.36%，其次為鯉（Cyprinus carpio haematopterus）和鲇，而北方花鰍重量占比最少，僅為0.01%。

表2 倭肯河流域魚類名錄及分布表Tab.2 The list and distribution of fishes in the Woken River

鯽分布范圍最廣，在10 個采樣點中均出現(xiàn)，其次為黑龍江鳑鲏（Rhodeus sericeus）在8 個采樣點中出現(xiàn)，、麥穗魚和犬首（Gobio gobio cynocephalus），均在7 個采樣點中出現(xiàn)。分布較廣的魚類還有鲇、興凱（Hmiculter lucidus）、黑龍江花鰍（Cobitis lutheri）等。而湖、大鰭（Acheilognathus macropterus）、高體（Gobio soldatovi）、克氏鳈（Sarcocheilichthysczerski）i、馬口魚（Opsariichthys bidens）、平口（Ladislavia taczanowskii）、北方花鰍、北方泥鰍（Misgurnus bipartitus）和烏蘇里擬鲿（Pseudobagrus ussuriensis）等僅在1 個采樣點發(fā)現(xiàn)，屬于倭肯河流域中的少見種（表2）。

2.2 魚類多樣性

統(tǒng)計結(jié)果表明，倭肯河流域IRI 大于100 的魚類有9 種，分別為鯽、鲇、、鯉、麥穗魚、犬首、興凱、黑龍江鳑鲏及葛氏鱸塘鱧。其中，鯽的IRI 值最大，為5 674.24；IRI 介于1 000 與2 000 之間的魚類有麥穗魚；IRI 介于200 與500 之間的魚類有鲇、、鯉、犬首、興凱及黑龍江鳑鲏；其余優(yōu)勢魚類IRI 均介于200 與100 之間（圖2）。多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，倭肯河流域的魚類上游江段采樣點的魚類物種數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)及Pielou 豐富度指數(shù)多高于中、下游江段;Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 豐富度指數(shù)與物種數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（r＞0，P＜0.05）（圖3）。

圖2 倭肯河優(yōu)勢魚類尾數(shù)、重量占比統(tǒng)計圖Fig.2 The proportion of amount and weight of dominant fishes in the Woken River

圖3 倭肯河流域魚類多樣性指數(shù)Fig.3 Diversity index of fish in the Woken River

2.3 魚類完整性評價

2.3.1 生物參數(shù)指標篩選

根據(jù)上述參考點及受損點選取標準，將S1、S4及S9 選為參考點，S2、S3、S5、S6、S7、S8 及S10 作為受損點，候選參數(shù)在參考點的分布情況見表3。參照篩選標準對31 個指標進行初步篩選，將M5、M6、M7、M8、M9、M11、M12、M13、M17、M20、M22、M26 及M27 從初選指標中剔除，選取其余指標進行判別能力分析。

2.3.2 判別能力分析

對初步篩選的18 個指標進行箱體判別能力分析，其中等M1、M2、M3、M4、M14、M15、M16、M25 及M29 等9 個候選指標的IQ 值＞2（圖4），可用于進行后續(xù)分析。

圖4 9 個候選參數(shù)參考點與受損點的箱體圖判別Fig.4 Box-plots of nine accepted candidate metrics between reference and disturbed sites

2.3.3 相關(guān)性分析

判別能力篩選后的9 個參數(shù)的Pearson 相關(guān)分析表明（圖5），候選參數(shù)M1、M2 及M16 之間具有顯著相關(guān)，M1 為魚類總物種數(shù)，M2 為豐富度指數(shù)，M16 為肉食性魚類種類數(shù)百分比，M2 所包含的信息量更多，因此只保留M2。候選參數(shù)M15 和M29間具有顯著相關(guān)，M15 為雜食性魚類數(shù)量百分比，M29 為特殊產(chǎn)卵方式魚類數(shù)量百分比。M14 與M15包含的信息重疊，因此保留信息量較大的M29。最終選取M2、M3、M4、M14、M25 及M29 作為生物參數(shù)指標評價倭肯河健康狀況。

圖5 9 個候選參數(shù)相關(guān)性分析Fig.5 Pearson correlation coefficient matrix for nine candidate metrics

2.3.4 健康分級構(gòu)建及評價

通過對31 個候選參數(shù)進行篩選，最終確定M2、M3、M4、M14、M25 及M29 共6 個參數(shù)構(gòu)建倭肯河魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）。其參數(shù)計算公式見表4。

表4 倭肯河魚類生物完整性指數(shù)參數(shù)賦分計算公式Tab.4 Formula for calculation of metrics scores using the ratio method in the Woken River

按照參考點F-IBI 的計算結(jié)果，將參考點的25%分位數(shù)作為界線劃分，F(xiàn)-IBI 值大于或等于25%分位數(shù)值為健康（F-IBI≥3.45），將25%分位數(shù)以下的數(shù)值按4 分法分級，分別代表亞健康（3.45＞F-IBI≥2.59）、一般（2.59＞F-IBI≥1.73）、差（1.73＞F-IBI≥0.86）和極差（F-IBI＜0.86）。

參照評價等級對倭肯河河流健康狀況的評價結(jié)果顯示（表5），1、2、3 和4 號點河段河流健康狀況為“健康”，6、7 和9 號點河段河流健康狀況為“亞健康”，5 號和10 號點河段河流健康狀況為“一般”，8 號點河段河流健康狀況為“差”。整體來看倭肯河河流健康狀況處于健康-亞健康狀態(tài)。

表5 倭肯河F-IBI 評價結(jié)果Tab.5 Results of F-IBI evaluation in the Woken River

3 討論

3.1 倭肯河F-IBI 評價體系的建立與應(yīng)用

參考點的選取是構(gòu)建F-IBI 評價體系的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)研究選取歷史調(diào)查數(shù)據(jù)或者受人類活動干擾較小的原始河段作為參考點，但尚未達成明確、統(tǒng)一的標準[24]。查閱資料發(fā)現(xiàn)，倭肯河流域漁業(yè)資源數(shù)據(jù)存在空白，本研究為歷史上首次對其進行系統(tǒng)調(diào)查，因此選取環(huán)境良好、人為干擾較小的S1、S4 及S9 江段作為參考點，構(gòu)建倭肯河流域F-IBI評價體系。該方法也應(yīng)用于拒馬河[25]、灤河[26]等河流健康評價的研究。設(shè)置F-IBI 評價體系候選指標時，需全面分析河流的整體情況，避免遺漏能夠體現(xiàn)河流健康程度的關(guān)鍵性指標。Karr[6]首次采用12項候選指標構(gòu)建評價體系，但不同類型河流的地域環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)存在差異性，候選指標的類型選擇逐漸多元化。鄭海濤[27]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。本研究結(jié)合倭肯河流域水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其魚類結(jié)構(gòu)特征，設(shè)置5 大類31 個候選指標，用于構(gòu)建倭肯河流域F-IBI 評價體系。

目前評價指標的篩選方法主要有兩種，一種是根據(jù)指標屬性分類篩選適合的IBI 評價體系，另一種是對候選指標進行分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性分析。本研究根據(jù)判別能力分析及相關(guān)性分析結(jié)果可知，豐富度指數(shù)（M2）、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（M3）、均勻度指數(shù)（M4）、雜食性魚類種類數(shù)百分比（M14）、產(chǎn)粘性卵魚類數(shù)量百分比（M25）及特殊產(chǎn)卵方式魚類數(shù)量百分比（M29）對F-IBI 評價結(jié)果有較大影響，用于構(gòu)建倭肯河流域F-IBI 評價體系。魚類生物多樣性是衡量群落結(jié)構(gòu)和水體功能的重要指標，豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)涉及了生物量、物種數(shù)、豐度等參數(shù)，能夠較好地反映流域健康狀況，在構(gòu)建F-IBI 體系中有較高的應(yīng)用價值[28,29]。鯽、鲇、鯉、黑龍江鳑鲏等鯉科魚類及沙塘鱧科的葛氏鱸塘鱧等底層魚類，均為倭肯河流域的重要組成魚類，且在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)雜食性魚類種類數(shù)占總種類數(shù)的75%，遠高于肉食性魚類及植食性魚類。因此，基于這6 個指標構(gòu)建的倭肯河水域F-IBI 評價體系具有可靠性。

3.2 魚類生物多樣性變化

魚類生物多樣性是水體健康程度的直觀表達形式之一，與其生存的水體環(huán)境存在緊密關(guān)系，并與可利用的生態(tài)位及生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣呈正向關(guān)系[30]。Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)以群落內(nèi)物種數(shù)量的變化作為依據(jù)，直觀反映群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Magurran 等提出其范圍一般為1.5～3.5[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，倭肯河流域魚類群落的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)范圍為1.45～3.00，多數(shù)江段處于合理范圍之內(nèi)，說明流域內(nèi)的魚類群落能夠維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，倭肯河流域Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)最高的為處于上游的S1 江段，而處于下游的S8、S10江段Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)較其他位點低。總體來說，上游江段的Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)及Pielou 均勻度指數(shù)水平比中下游江段高。Margalef 豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)作為反映群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要量化指標，兩者與群落結(jié)構(gòu)的復雜度和穩(wěn)定性呈正相關(guān)[32]，說明倭肯河上游江段的魚類群落結(jié)構(gòu)更為合理，自我調(diào)節(jié)的生物學功能更加優(yōu)異。而處于桃山水庫下的中下游江段，受水庫生活、農(nóng)業(yè)供水的影響，部分江段范圍狹窄，容易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，魚類可利用的生態(tài)位及生境縮小，使其生物多樣性指數(shù)下降。其次，生物多樣性與餌料生物豐度顯著相關(guān)，而倭肯河流域中下流江段易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，餌料生物豐度遠低于上流江段，使流域內(nèi)魚類的攝食、生長及繁衍受限制[15]。

3.3 倭肯河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀分析

F-IBI 評價結(jié)果表明，倭肯河流域整體健康狀況處于健康-亞健康水平，流域內(nèi)部分江段的魚類群落承受著嚴重的環(huán)境壓力，與王天亮[15]、曾雯禹[33]等的研究結(jié)果相似。研究發(fā)現(xiàn)，倭肯河流經(jīng)七臺河市、樺南縣、依蘭縣及勃利縣等市縣，但大多數(shù)市縣存在排水體系不夠完善、污水處理設(shè)備滯后、污水管網(wǎng)覆蓋率低、雨污分流不健全等現(xiàn)象，致使工業(yè)、畜牧業(yè)及生活廢水被排入河流中，導致倭肯河流域水體污染，河流生境被破壞[33]。倭肯河流域中、下游以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，流域內(nèi)農(nóng)作物種植業(yè)每年化肥施用量大，其所處區(qū)域為溫帶大陸性濕潤季風氣候，豐水期的降雨量占到全年的70%，使流域內(nèi)每年農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)產(chǎn)生的大量污染物隨雨水流入河中，破壞了魚類生境[34]。桃山水庫為七臺河市的水源地，承載著整個城鎮(zhèn)的生活用水的重任。桃山水庫也為周邊城鎮(zhèn)提供農(nóng)業(yè)用水，而倭肯河流域勃利段、依蘭段的農(nóng)業(yè)類型大部分為水田，每年農(nóng)耕時期用水量的迅速增加，導致水庫壩下河段的生態(tài)用水需求得不到保障，河流多處出現(xiàn)河心灘地和斷面過窄導致斷流，魚類的生存環(huán)境遭到破壞[26、35]。近年來，倭肯河流域桃山水庫等江段旅游業(yè)發(fā)展迅速，已建造了桃山湖國家濕地公園等旅游景點，造成該江段渠化，破壞了產(chǎn)粘性魚卵魚類的生境。綜上所述，污水排放、農(nóng)業(yè)面源污染及水電工程建設(shè)等人類活動是造成倭肯河流域部分江段的健康狀況評價等級較低的主要原因，其評價結(jié)果與人類活動干擾的實際情況相符合。

3.4 結(jié)論

（1）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，倭肯河上游江段的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)高于中下游江段。該結(jié)果與完整性指數(shù)評價結(jié)果一致。

（2）魚類完整性指數(shù)評價結(jié)果顯示，倭肯河流域整體處于健康-亞健康狀態(tài)。在10 個采樣位點中，“健康”狀態(tài)的位點，為40%；“亞健康”狀態(tài)的位點，為30%；“一般”狀態(tài)的位點，為20%；“差”狀態(tài)的位點，為10%。上游江段河流健康狀態(tài)明顯優(yōu)于中、下游江段。

（3）根據(jù)研究結(jié)果及流域現(xiàn)狀，提出以下生態(tài)修復和保護倭肯河流域的建議：（1）加強對倭肯河流域周邊城鎮(zhèn)污水排放的管理，對未建設(shè)污水廠的地區(qū)，監(jiān)督其建設(shè)污水處理設(shè)施后進行排放，并定期檢測排放污水，判斷是否滿足處理要求，使流域的生態(tài)環(huán)境恢復健康。倭肯河中、下游農(nóng)田面積大，每年作業(yè)殘留的農(nóng)藥、化肥經(jīng)地表排入水體，需加強農(nóng)業(yè)作業(yè)中影響水體水質(zhì)農(nóng)藥、化肥的管理，禁止超標使用，完善相關(guān)條例規(guī)定。

（4）合理制定倭肯河流域上游桃山水庫等農(nóng)業(yè)灌溉期間的水量分配方案，保證灌溉期河流的縱向連通性和環(huán)境流量，滿足敏感性魚類生存需求，避免魚類產(chǎn)卵場所在江段出現(xiàn)斷流。