基于魚類生物完整性指數(shù)的曹娥江流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價

蔣孝燕,陳 超,馮志政,金葉飛,楊慶滿,任 崗,4①

(1.紹興文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.寧波市江南中學(xué),浙江 寧波 315800;3.紹興市水產(chǎn)技術(shù)推廣中心,浙江 紹興 312000;4.浙江紹興鑒湖國家濕地公園管理委員會,浙江 紹興 312036)

河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評價是河流生態(tài)系統(tǒng)性修復(fù)、保護和管理的重要工具之一,其代表方法包括指示物種法和指標體系法[1]。目前國外已經(jīng)形成了多種較為成熟的河流健康評價方法,如澳大利亞溪流狀態(tài)指數(shù)法[2]、美國全國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價項目[3]、歐盟水框架指令[4]等。近年來,許多學(xué)者采用基于硅藻等浮游植物、大型無脊椎動物、水生植物、魚類等物種的指示物種法和基于水質(zhì)、水文、水生生物、河流系統(tǒng)物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、社會經(jīng)濟指標及社會服務(wù)功能等綜合評價的指標體系法對我國松花江、渾太河、東江等河流的全流域或部分流域進行了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價[5]。盡管通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的指標體系法是近年來和未來河流健康評價的重要發(fā)展方向[1],但結(jié)合指示物種法將更加全面客觀地反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。

生物完整性是指在一個地區(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自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力[6]。KARR[7]最早提出生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity, IBI),該指數(shù)綜合了多個較為敏感的生物指標且可定量評價生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài),彌補了傳統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)評價中單一理化監(jiān)測方式的不足,最初以魚類為研究對象構(gòu)建了魚類生物完整性指數(shù)(fish index of biotic integrity, F-IBI),經(jīng)過多年的發(fā)展已逐漸向底棲動物[8]、藻類[9]、鳥類[10]以及高等維管束植物[11]等生物類群推廣,被廣泛應(yīng)用于全球不同國家和地區(qū)不同類型的生態(tài)系統(tǒng)健康研究和評價中。

魚類通常處于淡水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端,具有鑒定分類信息完善、生活史長、對水環(huán)境改變反應(yīng)靈敏、群落組成在不同水域呈特異性等特征,在水生態(tài)系統(tǒng)完整性評價中占有重要地位[7, 12]。魚類生物完整性指數(shù)目前已應(yīng)用于遼河[13]、長江[14]、黃河[15]、黑河[16]等眾多流域的水生生物資源及其棲息生境狀況的系統(tǒng)評價中。

曹娥江是錢塘江的主要支流,是中國東部中小河流的代表性河流之一,也是流域地區(qū)工農(nóng)業(yè)、飲用水源的主要河流和水資源來源。但近30 a來,由于經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,水質(zhì)污染、過度捕撈、水利工程建設(shè)等人為因素極大干擾了曹娥江流域水生生物特別是魚類的棲息生境,魚類群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性降低、穩(wěn)定性下降[17],且與長江等大型河流相比,曹娥江魚類的整體遺傳多樣性處于中等偏下水平,生物多樣性較為脆弱[18]。近年來,曹娥江流域水域環(huán)境得到持續(xù)治理和明顯改善,但鮮有從生物學(xué)角度對其水生態(tài)環(huán)境健康狀況開展系統(tǒng)性評估的研究。該研究以曹娥江流域魚類為研究對象,旨在建立適合該流域的F-IBI評價體系,并對該流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進行客觀描述和評價,為曹娥江漁業(yè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和管理、漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展及區(qū)域水域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹娥江發(fā)源于磐安縣尚湖鎮(zhèn)王村的大盤山脈長塢,自南向北流經(jīng)新昌縣、嵊州市、上虞區(qū)、柯橋區(qū),自2008年曹娥江大閘建成后成為內(nèi)陸型河流,干流全長197.2 km,流域面積6 080 km2,主河道平均坡降3.0%。曹娥江主要支流有澄潭江、長樂江、新昌江、黃澤江等,已建有長詔、南山2個大型水庫和坂頭、遼灣、剡源、巧英4個中型水庫。曹娥江大部分河道是沿岸地區(qū)重要的工農(nóng)業(yè)用水來源,建有上浦閘、曹娥江大閘、清風(fēng)船閘等水利樞紐工程。

1.2 樣品采集

此次調(diào)查共設(shè)置9個采樣點：干流選取曹娥江入?？跒I海,上虞區(qū)上浦、瀝海,嵊州市三界、仙巖為采樣點;支流選取新昌縣澄潭江鏡嶺、新昌江長詔水庫,嵊州市黃澤江黃澤、長樂江甘霖為采樣點(圖1)。2016年4月至2018年12月期間,每年的4、6、9和12月各開展1次樣品采集。魚類樣品采集主要在當(dāng)?shù)貪O民協(xié)助下進行,在采樣點上下游0.5 km范圍內(nèi)進行連續(xù)采樣。干流利用拖網(wǎng)(規(guī)格為4 m寬、2 m高、20 m長,網(wǎng)目10 mm)、流刺網(wǎng)(規(guī)格為3層,1.5 m高、50 m長,外層和內(nèi)層網(wǎng)目分別為100和10 mm)、地籠(規(guī)格為20 節(jié),0.4 m寬、0.4 m高、0.5 m深,網(wǎng)目5 mm)等漁具,支流利用背負式電魚機(功率2 kW,6場管)、流刺網(wǎng)和地籠等漁具。網(wǎng)具作業(yè)時間2 h,地籠作業(yè)時間12 h,電魚機采樣按“之”字形路線前行采集1 h。

1.3 漁獲物保存及種類鑒定

漁獲物按采集時間、地點分袋包裝,用冰保存后帶回實驗室。魚類的物種分類鑒定參照文獻[19-21]進行,確定各種魚的目科屬種等分類地位。采自同一個采樣點的樣品按魚類種類統(tǒng)計其尾數(shù)和總質(zhì)量,同時統(tǒng)計該采樣點的總漁獲量。在稱重過程中,所有的樣品魚應(yīng)保持標準濕度,以免因失重而造成誤差。經(jīng)低溫保存的樣品魚質(zhì)量測定值按樣品魚保存期的失重率予以校正。

圖1 曹娥江魚類采樣點分布

1.4 F-IBI候選指標體系構(gòu)建及篩選

1.4.1參考點和受損點選擇

參考點和受損點篩選是構(gòu)建IBI的基礎(chǔ)。按照未受到人為活動干擾或受到輕度人為活動干擾的采樣點要求,并根據(jù)前期曹娥江水質(zhì)和漁業(yè)資源調(diào)查結(jié)果[17],選擇干流上浦和支流鏡嶺為參考點,選擇濱海、瀝海、三界、仙巖、長詔、甘霖、黃澤為受損點。

1.4.2候選指標體系構(gòu)建

為體現(xiàn)曹娥江流域環(huán)境梯度上魚類群落結(jié)構(gòu)的變化,參考曹娥江魚類群落組成結(jié)構(gòu)[19]并結(jié)合文獻[13,22],選擇種類組成與豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性、繁殖共位群、魚類數(shù)量與健康狀況5個屬性的23個候選指標構(gòu)建F-IBI評價體系(表1)。

1.4.3候選指標分布范圍檢驗

用Excel 2016軟件對候選指標進行分布范圍檢驗,對采樣點中超過95%為零值的候選指標視為不適用于構(gòu)建F-IBI,予以刪除。

1.4.4候選指標敏感性分析

用GraphPad Prism v8.0.2.263軟件繪制候選指標箱形圖,分析其在參考點與受損點的分布情況。參照郜星晨等[22]的方法,比較各候選指標在參照點和受損點的箱體IQ(interquartile ranges,25%～75%分位數(shù)范圍)的重疊情況,分別賦值,保留IQ值≥2的候選指標進行下一步分析。

1.4.5候選指標間冗余檢驗

用IBM SPSS Statistics 25.0軟件對經(jīng)敏感性分析篩選的候選指標進行Pearson相關(guān)性分析,檢驗候選指標的冗余。以P<0.05為顯著水平,當(dāng)相關(guān)系數(shù)|r|>0.9時,代表2個候選指標間生物信息重疊度高,按候選指標的重要性大小刪除次要候選指標[23]。候選指標經(jīng)冗余檢驗后最終獲得構(gòu)建曹娥江流域F-IBI體系的指標。

1.5 F-IBI指標的計算及評價標準

選用1、3、5賦值法對曹娥江流域魚類生物完整性進行評分計算[13]。將所有指標的分值累加,確定F-IBI分值。采用MOYLE等[24]的F-IBI總分計算方法計算各采樣點F-IBI總分(F-IBI總分=各指標總分/指標數(shù)量×12),并參照KARR等[25]的方法將曹娥江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況分為6個評價等級,即極好(58～60)、好(48～52)、一般(40～44)、差(28～34)、極差(12～22)和無魚(0)。

表1 F-IBI評價體系候選指標及其對干擾的響應(yīng)

2 結(jié)果與分析

2.1 魚類群落組成及生活習(xí)性特征

此次調(diào)查在曹娥江9個采樣點共采集到魚類標本17 116尾,分屬于12目25科69屬107種。其中,鯉形目種2科40屬65種,占總種類數(shù)的60.75%;其次是鱸形目11科15屬20種,占總種類數(shù)的18.69%;鲇形目3科5屬11種,占總種類數(shù)的10.28%;鯡形目和鲀形目各1科1屬2種,各占總種類數(shù)的1.87%;仙女魚目、鯔形目、合鰓目、鱘形目、鰻鱺目、頜針魚目和鰈形目各1科1屬1種,各占總種類數(shù)的0.93%。

2.2 F-IBI參考指標分析及篩選

各采樣點F-IBI參數(shù)指標的調(diào)查分析結(jié)果見表2。所有23個F-IBI候選指標都通過了分布范圍的篩選。候選指標的敏感性分析發(fā)現(xiàn),鯉形目魚類種類數(shù)(M3)、中下層魚類物種數(shù)占比(M9)、無脊椎動物食性魚類個體數(shù)占比(M12)、肉食性魚類個體數(shù)占比(M14)、敏感性魚類個體數(shù)占比(M15)、耐受性魚類個體數(shù)占比(M16)、借助貝類產(chǎn)卵魚類物種數(shù)占比(M19)7個候選指標的IQ值≥2(圖2)。對上述7個候選指標進行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),M12與M14、M15和M16呈顯著相關(guān),且|r|>0.9。

表2 曹娥江各采樣點F-IBI參數(shù)指標的調(diào)查分析結(jié)果

采樣點各指標代碼含義見表1;箱形圖中橫線從上到下依次表示上邊緣、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、下邊緣。

M15相比于M12、M14和M16更能從整體上反映曹娥江魚類受到水質(zhì)或生境退化等環(huán)境因子影響的變化特征。剔除M12、M14和M16,最終獲得用于計算曹娥江流域F-IBI的4個核心指標,即M3、M9、M15和M19,分屬于種類組成與豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境耐受性、繁殖共位群4個屬性。

2.3 曹娥江流域F-IBI健康評價

曹娥江流域各采樣點F-IBI核心指標的賦分標準見表3,各采樣點F-IBI總分及健康狀況等級見表4。結(jié)果表明,曹娥江流域干流采樣點的健康狀況等級為“極差～差”到“一般”水平,支流健康狀況等級為“一般”到“好”水平,干流健康狀況低于干流,顯示曹娥江干流中魚類相對于支流中魚類受到更多的外界干擾和生存壓力。此外,在支流中,長詔的健康狀況等級低于甘霖、黃澤和鏡嶺。

表3 曹娥江流域F-IBI核心指標賦分標準

表4 曹娥江流域各采樣點IBI總分及健康評價結(jié)果

3 討論

3.1 曹娥江魚類特征

此次調(diào)查一共采集到魚類107種,與歷史數(shù)據(jù)[19]相比有很大差異,與何海生等[26]采集的魚類種數(shù)相比,采集種類更多,其原因可能是此次調(diào)查設(shè)置的采樣點更多且時間幅度更長,但兩者均以鯉科種類為優(yōu)勢魚類且魚類體型小型化現(xiàn)象突出,這與錢塘江等流域的漁業(yè)資源的狀況[27]相似。鯉科魚類為優(yōu)勢魚類符合我國淡水魚類資源的特點,魚類體型小型化現(xiàn)象突出可能與過度捕撈、水利工程興建、水質(zhì)污染等因素有關(guān)。與錢塘江流域[28-30]相比,此次調(diào)查在曹娥江流域未采集到太湖新銀魚、松江鱸、鯔、矛尾復(fù)蝦虎魚等江海洄游性魚類及河口魚類,表明水利工程造成的魚類生境條件改變可能是導(dǎo)致魚類資源衰退的重要原因之一[31]。

3.2 F-IBI評價體系及其參考點的選擇

魚類作為水生食物鏈的頂層或近頂層生物,其生命周期較長、活動能力強、分布廣泛、形態(tài)特征明顯,對水生態(tài)環(huán)境具有長期性、系統(tǒng)性和穩(wěn)定性的指示作用,因此魚類生物完整性指數(shù)評價已成為水生態(tài)環(huán)境健康評價的主要方法之一。魚類種類數(shù)等魚類狀況指數(shù)作為長江流域水生生物完整性指數(shù)評價必選指標,被列入農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制訂的《長江流域水生生物完整性指數(shù)評價辦法(試行)》(農(nóng)長漁發(fā)[2021]3號),可應(yīng)用于我國大多數(shù)量河流的健康評價。

參考點的選取對F-IBI評價體系的構(gòu)建起著關(guān)鍵性作用。有魚類歷史調(diào)查數(shù)據(jù)的評價水域和無人類干擾的原始區(qū)域是理想的參考點[22]。研究表明,使用不同的標準化方法(歷史數(shù)據(jù)法、水質(zhì)法、棲境法、綜合法)篩選出不同的參考點,會導(dǎo)致河流健康狀況評價結(jié)果的差異[16, 22]。然而,該研究中曹娥江流域干流和支流均長期受到不同程度的人為活動干擾,同時也缺少捕撈量等量化的魚類歷史調(diào)查數(shù)據(jù)。因此,選擇干流中棲息地生境和水質(zhì)條件較好的上浦和支流中無大型水利設(shè)施、棲息地生境相對較好的鏡嶺作為參考點。曹娥江F-IBI評價結(jié)果也顯示干流中上浦的健康水平等于三界、仙巖,優(yōu)于濱海、瀝海;支流中鏡嶺的健康水平等于甘霖、黃澤,優(yōu)于長詔。然而,由于此次研究中采樣點的限制,選擇的參考點數(shù)量較少,在后續(xù)的研究中需要增加采樣點,對干流和支流分別建立評價體系,以提高評價結(jié)果的可靠性。

3.3 評價結(jié)果與實際情況的符合程度

評價結(jié)果表明,曹娥江流域干流采樣點的健康狀況處于“極差～差”到“一般”水平,總體低于支流采樣點“一般”到“好”的健康水平。這一評價結(jié)果與目前曹娥江干流和支流受到的不同程度干擾相一致。曹娥江干流先后建有上浦閘、曹娥江大閘、清風(fēng)船閘等多處水利工程,使得曹娥江流域的連通性下降,河流向湖泊型轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致干流采樣點鯉形目魚類種類數(shù)(M3)、鯉科魚類種類數(shù)(M5)和中上層魚類物種數(shù)占比(M8)等指數(shù)整體大于支流采樣點(表2),這一研究結(jié)果與李雪健等[32]的研究結(jié)果相一致。同時,在支流采樣點中,位于新昌江上游的長詔水庫的健康水平低于未建有大型水利設(shè)施的長樂江甘霖、澄潭江鏡嶺和在建水庫的黃澤江黃澤的健康水平。這一結(jié)果進一步說明了水利設(shè)施對水生態(tài)系統(tǒng)的影響。

此外,干流采樣點敏感性魚類個體數(shù)占比(M15)整體小于支流采樣點,而干流采樣點耐受性魚類個體數(shù)占比(M16)整體大于支流采樣點,也反映出干流比支流遭受更多的水質(zhì)污染、過渡捕撈和航運等人為干擾壓力,水域生態(tài)環(huán)境處于較差的狀態(tài)。不過仍需注意的是,支流健康狀況等級較高并不代表其生態(tài)系統(tǒng)絕對穩(wěn)定。在前期研究中,鏡嶺群體的麥穗魚(Pseudorasboraparva)、光澤黃顙魚(Pelteobagrusnitidus)和刺鰍(Mastacembelusaculeatus)3種魚類的單倍型多樣性指數(shù)和核苷酸多樣性指數(shù)水平均低于中游仙巖群體的相應(yīng)指數(shù)水平[18],提示曹娥江支流水生態(tài)系統(tǒng)健康的脆弱性。因此,建議在曹娥江流域生態(tài)環(huán)境大力治理和修復(fù)的工作中進一步加強休漁期的漁業(yè)資源保護,修復(fù)魚類的天然棲息地和產(chǎn)卵場生境,利用水利工程合理調(diào)節(jié)生態(tài)流量提高各江段的水體流動性,進而加快曹娥江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康修復(fù)。