應(yīng)用魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)北運(yùn)河河流健康狀況

李慧清 羅遵蘭 孫光 史娜娜 肖能文

摘要：評(píng)估北運(yùn)河水系健康狀況，為判別北運(yùn)河水系水生態(tài)恢復(fù)成效提供參考。2020 年5月、8月調(diào)查了北運(yùn)河13個(gè)采樣點(diǎn)的魚類及生境狀況，采用F-IBI評(píng)價(jià)北運(yùn)河健康狀況。共采集到魚類20種，分屬3目9科18屬。選擇人類活動(dòng)干擾較輕的3個(gè)點(diǎn)作為參照點(diǎn)，其余10個(gè)點(diǎn)為受損點(diǎn)，從物種種類組成與豐富度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性和敏感性、繁殖共位群以及魚類數(shù)量等5個(gè)方面構(gòu)建F-IBI候選指標(biāo)體系，然后依據(jù)分布范圍檢驗(yàn)、敏感性分析和相關(guān)性檢驗(yàn)，篩選出F-IBI 核心指標(biāo)體系，包括魚類物種數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、鯉科物種數(shù)百分比、漂流性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、沉性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、黏性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、外來物種數(shù)量所占比例。采用比值法計(jì)算各采樣點(diǎn)F-IBI值，并將其劃分為“優(yōu)”“良”“中”“一般”和“差”5個(gè)健康評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)價(jià)各采樣點(diǎn)健康狀況。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：北運(yùn)河健康狀況整體為中等偏上，其中7.69%的采樣點(diǎn)健康狀況為“優(yōu)”，23.08% 的采樣點(diǎn)為“良”，53.85%的采樣點(diǎn)為“中”，15.38%的采樣點(diǎn)為“一般”。北運(yùn)河水生態(tài)治理取得一定成效。

關(guān)鍵詞： 魚類生物完整性指數(shù)；河流健康評(píng)價(jià)；北運(yùn)河

中圖分類號(hào)：Q178.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-3075（2023）01-0034-07

長期以來對(duì)河流水生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)主要依賴于物理、化學(xué)指標(biāo)以及對(duì)生物個(gè)體與種群的跟蹤監(jiān)測，近年來已擴(kuò)展為對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)“健康”狀態(tài)的生態(tài)評(píng)估，強(qiáng)調(diào)從生態(tài)系統(tǒng)的角度客觀反映河流的健康狀況（吳中華等，2002）。生物完整性是指在一個(gè)地區(qū)的天然棲息地中的群落所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征，以及該群落所具有的維持自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力（Karr & Chu，2000）。Karr（1981）和Barbour等（1999）依據(jù)“一個(gè)良好的水域生態(tài)環(huán)境，必然存在一個(gè)完善的生物群落結(jié)構(gòu)”的構(gòu)想，提出用生物完整性指數(shù) （index of biotic integrity，IBI） 評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量，由此IBI的概念和方法被逐步應(yīng)用于大型底棲無脊椎動(dòng)物（Klemm，2003；王備新等，2005；Barbourm et al，1996；王軍等，2015）和藻類（殷旭旺等，2011；2012；沈強(qiáng)等，2012）等生物類群，成為當(dāng)前水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的生態(tài)指標(biāo)之一。2021年發(fā)布的《中華人民共和國長江保護(hù)法》將采用生物完整性指數(shù)評(píng)估河流健康狀況納入其中。

不同地區(qū)和類型的水體都有利用魚類成功構(gòu)建生物完整性評(píng)價(jià)體系的報(bào)道，Karr（1981）利用魚類生物完整性指數(shù)對(duì)美國印第安納州的河流健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；Schmitter-Soto等（2011）利用魚類完整性評(píng)價(jià)外來物種、富營養(yǎng)化等對(duì)日本河流健康狀況的影響，徐香勤等（2020）應(yīng)用魚類生物完整性指數(shù)F-IBI評(píng)價(jià)天津市的河流健康狀況等。Mamun & An（2019）認(rèn)為魚類是水生態(tài)系統(tǒng)中重要的水生生物，生命周期較長、分布廣、形態(tài)特征明顯、易于鑒定、活動(dòng)能力強(qiáng)，能在大多數(shù)水生態(tài)系統(tǒng)中生存，可以相對(duì)全面地反映流域水生態(tài)系統(tǒng)信息及環(huán)境變化，提出評(píng)估流域水生態(tài)系統(tǒng)健康宜選取魚類生物完整性指數(shù)。

北運(yùn)河水系是北京市重要的城市防洪與排水河流，沿河人口密度大、城市化水平高、污染物排放量大（荊紅衛(wèi)等，2013）。為了恢復(fù)北運(yùn)河水生態(tài)健康狀況，北京市政府采取了一系列措施，如建立水資源保護(hù)與水資源配置體系，建立防洪減災(zāi)體系，構(gòu)建流域綠色生態(tài)走廊等（王曉寧等，2018）。近幾年，北運(yùn)河水系水生態(tài)狀況恢復(fù)良好，但是河流生態(tài)健康狀況具體如何，尚缺少相關(guān)研究。因此，本文通過水生生物調(diào)查，采用魚類完整性指數(shù)評(píng)估北運(yùn)河水生態(tài)狀況，為判別北運(yùn)河水系水生態(tài)恢復(fù)成效提供參考。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)楸边\(yùn)河河流北京段，包括其流經(jīng)的昌平、海淀、朝陽、通州、大興等行政區(qū)，涉及沙河、溫榆河、壩河、亮馬河、新鳳河、涼水河、大龍河等。

1.2 ? ?研究方法

1.2.1 ? 野外調(diào)查 ? 按照隨機(jī)性、空間分布均勻性的基本原則，在北運(yùn)河水系上游、中下游、支流匯入斷面設(shè)計(jì)13個(gè)調(diào)查點(diǎn)，如圖1。參照《內(nèi)陸魚類多樣性調(diào)查評(píng)估技術(shù)規(guī)定》的調(diào)查方法，2020 年5月、8月采用地籠在各調(diào)查點(diǎn)采集魚類樣品，記錄各調(diào)查點(diǎn)魚類種類和數(shù)量、采樣點(diǎn)生境狀況及水質(zhì)指標(biāo)，并結(jié)合訪談法補(bǔ)充魚類調(diào)查信息。采用《中國魚類系統(tǒng)檢索》《河北動(dòng)物志·魚類》鑒定魚類種類。

1.2.2 ? 數(shù)據(jù)分析方法

（1）參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的篩選 ? ?一般，根據(jù)水質(zhì)與棲息地質(zhì)量調(diào)查結(jié)果（王曉寧，2018），以及各采樣點(diǎn)生境代表性等因素篩選參照點(diǎn)和受損點(diǎn)。參照點(diǎn)指未受到人類干擾或輕度干擾的采樣點(diǎn)，受損點(diǎn)指具有明顯人類干擾的采樣點(diǎn)（Blocksom et al，2002；Steedman，1994）。北運(yùn)河水系為城市排水河流，受人類活動(dòng)干擾明顯，因此本研究選擇水系上游、中下游干擾較小的河段作為參照點(diǎn)。

（2）F-IBI 候選指標(biāo)體系構(gòu)建 ? ?從物種豐富度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性和敏感性、繁殖共位群、魚類數(shù)量等5個(gè)方面構(gòu)建北運(yùn)河河流F-IBI評(píng)價(jià)候選指標(biāo)體系。其中，物種種類組成與豐富度20項(xiàng)指標(biāo)，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)3項(xiàng)，敏感性和耐受性2項(xiàng)，繁殖共位群4項(xiàng)，魚類數(shù)量3項(xiàng)，如表1。

（3）候選指標(biāo)篩選 ? ?首先，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，去除無明顯意義的指標(biāo)：各調(diào)查點(diǎn)物種種類數(shù)均小于5的指標(biāo)、各觀測點(diǎn)之間差異小于10%的指標(biāo)、90%以上觀測點(diǎn)數(shù)值均為0的指標(biāo)。其次，采用箱體圖判別分析法從剩余指標(biāo)值篩選參照點(diǎn)與受損點(diǎn)差異顯著的指標(biāo)，即保留參照點(diǎn)位和觀測點(diǎn)在25%～75%分位數(shù)范圍（即IQ≥2） 的參數(shù)。最后，通過Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)余下指標(biāo)的相關(guān)性，剔除相關(guān)性較高的指標(biāo)（|R|>0.9）（張?jiān)サ龋?014）。

（4）指標(biāo)分值計(jì)算及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述分析方法確定的指標(biāo)作為北運(yùn)河 F-IBI 指標(biāo)體系。用比值法計(jì)算 F-IBI的參數(shù)分值：對(duì)干擾響應(yīng)“下降”的參數(shù)，以其 95%分位數(shù)為最佳期望值，分值=實(shí)際值/最佳期望值；對(duì)干擾響應(yīng)“上升”的參數(shù)，以其 5%分位數(shù)為最佳期望值，分值=（最大值-實(shí)際值）/（最大值-最佳期望值）。將各項(xiàng) F-IBI的參數(shù)分值相加即為 F-IBI值，將所有采樣點(diǎn) F-IBI值分布的 95%分位數(shù)作為健康閾值，然后使用四分法確定河流健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（渠曉東等，2012；周瑩等，2013），據(jù)此將北運(yùn)河水系河流健康狀況分為“優(yōu)”“良”“中”“一般”“差”等級(jí)。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 北運(yùn)河魚類調(diào)查結(jié)果

北運(yùn)河流域共采集到魚類20種，共計(jì)4 010尾，分屬3目9科18屬，其中鯉形目種類最多，占物種總數(shù)的73.02%； 鱸形目次之，占物種總數(shù)的18.78%。北運(yùn)河發(fā)現(xiàn)中國特有魚類中華鳑鲏（Rhodeus lighti）、河川沙塘鱧（Odontobutis potamophila），發(fā)現(xiàn)北京市二級(jí)保護(hù)魚類黑鰭鰁（Sarcocheilichthys nigripinnis）。

2.2 ? F-IBI指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1 ? 參照點(diǎn)與受損點(diǎn) ? 從13個(gè)采樣點(diǎn)中選出3個(gè)參照點(diǎn)和10個(gè)受損點(diǎn)。參照點(diǎn)分別為十三陵水庫（01）、沙窩（04）、清河閘（06），其余點(diǎn)均為受損點(diǎn)。

2.2.2 ? 候選指標(biāo)判別 ? 去除各觀測點(diǎn)之間差異小于10%的指標(biāo)：M5、M7、M11、M12、M13、M14、M15、M19、M20、M31；去除90%以上觀測點(diǎn)數(shù)值均為0的指標(biāo)：M8、M9、M10、M12、M15、M16、M20。共去除14項(xiàng)無明顯意義的指標(biāo)。對(duì)剩余的18個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判別能力分析，如圖2。M1、M2、M3、M4、M26、M27、M28、M32等8項(xiàng)指標(biāo)受損點(diǎn)與參照點(diǎn)數(shù)值相差顯著，IQ≥2，保留該8項(xiàng)指標(biāo)。

2.2.3 ? 相關(guān)性分析篩選 ? 對(duì)上述8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，見表2。M2和M3的 |R|>0.9，具有極強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，由于M2（shannon-Wiener多樣性指數(shù)）更能反映河段的魚類群落狀況，且應(yīng)用較M3更為廣泛，因此保留M2。由此，確定北京市北運(yùn)河水系F-IBI指標(biāo)體系為M1、M2、M4、M26、M27、M28、M32等7項(xiàng)，如表3。

將北運(yùn)河各采樣點(diǎn)所得F-IBI值分布的 95%分位數(shù)作為健康閾值，然后使用河流健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此將河流健康狀況分為“優(yōu)”“良”“中”“一般”“差”5個(gè)等級(jí)，見表5。

根據(jù)表5的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，北運(yùn)河水系13個(gè)采樣點(diǎn)的 F-IBI 評(píng)價(jià)結(jié)果如表6。河流健康等級(jí)為優(yōu)的采樣點(diǎn)有1個(gè)，占采樣點(diǎn)總數(shù)的7.69% ；等級(jí)為良的采樣點(diǎn)有3個(gè)，占23.08% ；等級(jí)為中等的采樣點(diǎn)有7個(gè)，占53.85%，其中，中位數(shù)以上有4個(gè)點(diǎn)，占中等水平調(diào)查點(diǎn)的57.14%；河流健康等級(jí)為一般的采樣點(diǎn)有2個(gè)，占15.38%；差的采樣點(diǎn)沒有。

其中01、02、03、04采樣點(diǎn)魚類完整性指數(shù)值較高，水生態(tài)狀況相對(duì)健康；05、06、07、09、10、11、12采樣點(diǎn)等級(jí)為“中”，水生態(tài)健康狀況為中等；08、13采樣點(diǎn)魚類完整性指數(shù)值較低，水生態(tài)狀況為“一般”?！爸械取奔啊耙话恪睜顩r的主要原因是該部分調(diào)查點(diǎn)位于水系中下游，且分布在城市中，水源補(bǔ)給主要為再生水。

3 ? 討論

3.1 ? 指標(biāo)體系的合理性

不同河流的F-IBI核心指標(biāo)體系基本包括物種種類組成及豐富度指標(biāo)、敏感性和耐受性指標(biāo)、繁殖共位群指標(biāo)等。袁立來等（2021）應(yīng)用魚類生物完整性指數(shù)（F-IBI）評(píng)價(jià)北京市拒馬河生態(tài)系統(tǒng)健康，構(gòu)建的拒馬河流域魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)體系，包含21個(gè)指標(biāo)，篩選后確定了魚類總物種數(shù)、鯉科占總種數(shù)的百分比、中上層魚種類數(shù)百分比、雜食性魚類種類數(shù)百分比、產(chǎn)粘性卵魚類種類數(shù)百分比和魚類總個(gè)體數(shù)等6個(gè)核心指標(biāo)，指標(biāo)體現(xiàn)了物種種類組成及豐富度、繁殖共位群。劉麟菲等（2019）構(gòu)建的濟(jì)南市魚類完整性指標(biāo)體系，從物種豐富度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、敏感性和耐受性、繁殖共位群和魚類數(shù)量5類22項(xiàng)指標(biāo)中，篩選了5項(xiàng)核心指標(biāo)，分別為魚類物種數(shù)、鮈亞科物種數(shù)百分比、中上層魚類物種數(shù)百分比、底層魚類物種數(shù)百分比和個(gè)體數(shù)，指標(biāo)體現(xiàn)了物種豐富度和魚類數(shù)量2個(gè)方面的指標(biāo)。本研究中從物種豐富度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性、敏感性、繁殖共位群以及魚類數(shù)量等5個(gè)方面共32個(gè)指標(biāo)構(gòu)建北運(yùn)河水系F-IBI評(píng)價(jià)候選指標(biāo)體系，依據(jù)候選指標(biāo)分布范圍檢驗(yàn)、敏感性分析和相關(guān)性檢驗(yàn)，篩選出北運(yùn)河河流 F-IBI 核心指標(biāo)包括魚類物種數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、鯉科物種數(shù)百分比、漂流性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、沉性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、黏性卵魚類個(gè)體數(shù)百分比、外來物種數(shù)量所占比例7個(gè)指標(biāo)，涵蓋了物種種類組成及豐富度、繁殖共位群以及魚類數(shù)量 3個(gè)方面信息。該研究初步構(gòu)建的候選指標(biāo)體系較其他研究詳細(xì)，經(jīng)篩選獲得的核心指標(biāo)體系較其他研究多了外來物種數(shù)量所占比例指標(biāo)，體現(xiàn)了北運(yùn)河河流魚類物種組成特征，基于此進(jìn)行的評(píng)價(jià)北運(yùn)河水系生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)論可靠。

3.2 ? 河流健康狀況

本研究北運(yùn)河整體生態(tài)狀況為中等偏上，上游的生態(tài)狀況優(yōu)于下游，空間分布上，十三陵水庫和沙河位于溫榆河支流上，分別表現(xiàn)為優(yōu)和良好水平，溫榆河下游管頭村和翠湖處于一般水平，壩河處于良好水平，清河、涼水河、大龍河都處于中水平，大興區(qū)新鳳河處于一般水平。這與顧曉昀等（2017）基于底棲動(dòng)物指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)北運(yùn)河水系得到的結(jié)論基本一致。評(píng)估結(jié)果表明，溫榆河源頭和壩河上游水生態(tài)狀況良好；北運(yùn)河水系下游支流經(jīng)過治理，壩河和鳳河由原來的差轉(zhuǎn)變?yōu)橐话?，生態(tài)狀況有所好轉(zhuǎn)，說明城市水生態(tài)治理取得一定成效。

基于魚類完整性指數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)河流健康狀況較單一采用水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)更科學(xué)，但是目前各學(xué)者基于不同地區(qū)河流水系開展的研究，指標(biāo)體系計(jì)算所需參數(shù)相對(duì)較多，計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜，并且各不相同，不利于全國范圍開展。建議各地持續(xù)開展研究，建立不同區(qū)域不同性質(zhì)河流健康狀況評(píng)估指標(biāo)體系，探索更加簡化的計(jì)算方法，構(gòu)建基于魚類完整性指數(shù)的河流健康狀況評(píng)估體系，為水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供科技支撐。

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（責(zé)任編輯 ? 鄭金秀）

Health Assessment of North Canal River Based

on the Fish-Index of Biotic Integrity

LI Hui‐qing1，2，LUO Zun‐lan1，SUN Guang1，SHI Na‐na1，XIAO Neng‐wen1

（1. Research Academy of Environmental Sciences，Beijing ? 100012， P.R. China;

2. School of Ecology，Lanzhou University，Lanzhou ? 730000， P.R. China）

Abstract：The North Canal River serves the important functions of urban flood control and water drainage for Beijing. In recent years， the aquatic ecosystem of the North Canal River has recovered well following a series of ecological restoration projects carried out by the Beijing Municipal government. In this study， we evaluated the ecological health status of the North Canal River using the established fish-index of biotic integrity （F-IBI） to provide a reference for assessing the ecological restoration projects. In May and August of 2020， fishery resource and habitat condition investigations were conducted at 13 sampling sites along the North Canal River. A total of 20 fish species were collected during the investigation， belonging to 18 genera， 9 families and 3 orders. Sampling sites with low human disturbance were used as the baseline and the F-IBI evaluation system was established based on investigation results. The index system included 32 indices from 5 aspects of species composition and richness， nutritional structure， tolerance and sensitivity， reproductive colocation and fish quantity. After the distribution range test， sensitivity analysis and correlation test， 7 parameters were identified as core indicators： total number of fish species， Shannon-Wiener diversity index， percentage of cyprinid species， percentage of individuals for species with pelagic eggs， percentage of individuals for species with demersal eggs， percentage of individuals for species with viscid-egg， and percentage of alien species. The score of each core index of the F-IBI evaluation system was calculated and the ratio method was then used to calculate the F-IBI value of each sampling site. The F-IBI values were divided into five grades of river health： excellent， good， moderate， fair and poor. The health status of the sampling stations along the North Canal River was generally above moderate. The percentage of stations in excellent condition was 7.69%， while 23.08% of the stations ranked as good， 53.85% ranked as moderate， and 15.38% ranked as fair. We conclude that management of aquatic ecology in North Canal River has been very effective.

Key words：fish-index of biotic integrity （F-IBI）；river health assessment；North Canal River