基于魚類生物完整性指數的深圳鵝公灣漁業水域健康評價

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（F-IBI）評價深圳鵝公灣漁業水域的生態系統健康狀況，為開展南海近海典型漁業水域的生態修復提供參考依據。【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、生態環境調查資料，選取魚類總種類數、石首魚科魚類種類數比例、鯛科魚類種類數比例、浮游生物食性魚類種類數比例、底棲生物食性魚類種類數比例和底棲—游泳生物食性魚類種類數比例6個指標，構建深圳鵝公灣F-IBI指標體系，并通過主成分分析和Pearson相關性分析對其適用性進行檢驗。【結果】石首魚科魚類種類數比例、鯛科魚類種類數比例、浮游生物食性魚類種類數比例、底棲生物食性魚類種類數比例對F-IBI健康狀況評價結果的影響較大，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，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，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關（P<0.01）。【結論】基于魚類總種類數、石首魚科魚類種類數比例、鯛科魚類種類數比例、浮游生物食性魚類種類數比例、底棲生物食性魚類種類數比例和底棲—游泳生物食性魚類種類數比例6個指標構建的鵝公灣F-IBI評價體系具有可靠性，可用于南海近海典型漁業水域的生態系統健康狀況評估。

關鍵詞： 漁業水域；魚類生物完整性指數（F-IBI）；生態系統健康評價；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（Index of biological integrity，IBI）評價體系是通過對生態系統中某一類群落（如魚類）的物種組成、多樣性及功能結構等進行分析，將其與相應的標準體系進行比較，然后根據分類指標評價觀測生態系統的健康狀況（Karr，1981；劉愷等，2010）。IBI是目前水生態系統健康評價中應用最廣泛的一個生態指標（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。魚類是海洋生態系統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系統的健康狀況，對了解和維護水域生態系統健康、水域的可持續利用和管理具有重要意義。【前人研究進展】在國外，魚類生物完整性指數（Index of biological integrity of fish，F-IBI）評價體系多應用于湖泊、河口和近海等水域環境的監測和管理。F-IBI最初應用于美國中西部流域（Karr，1981），此后還用于法國Seine河流域受農業排放和城鎮化的影響評估（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，F-IBI評價體系多應用于湖泊和河流等淡水區域。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年的調查數據為參照，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-IBI在廣西河池地區（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）等得到廣泛應用，這些評價體系多以歷史數據或受損較小區域的數據為參照，研究區域尺度不一，評價指標存在明顯差異。【本研究切入點】至今，鮮見將F-IBI評價體系應用于深圳鵝公灣海域的生態系統健康狀況評價。【擬解決的關鍵問題】以魚類為研究對象，構建深圳鵝公灣漁業水域的F-IBI評價體系，評價該海域的生態系統健康狀況，為廣泛開展南海近海典型漁業水域的生態修復提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區域概況

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

1. 2 調查時間及站位設置

本研究在東經114°27′53.08″～114°29′5.05″、北緯22°28′21.97″～22°31′24.10″的區域布設10個調查站位（圖1），分別設鵝公灣人工魚礁區（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7站位）和對照區（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個調查站位（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10）進行生物資源和生態環境調查。

1. 3 調查項目及樣品分析方法

調查項目包括海水水質和游泳生物資源狀況。海水水質包括水溫、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。利用拖網進行游泳生物資源狀況調查，拖網漁船每站拖1次，時長為15 min，平均拖速2.5～3.0 km/h。調查過程中所有樣品的采集和分析均按照《海洋調查規范》（GB/T 12763-2007）和《海洋監測規范》（GB/T 17378-2007）規定的方法進行操作。

1. 4 數據處理

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），采用研究區域歷史數據為參照點，主要包括1964～1965年南海北部底拖網漁業資源調查報告、南海漁業資源與漁業管理、南海北部近海海域的綜合調查資料（南海水產研究所，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、營養結構、繁殖共位群、魚類數量和健康狀況等（王備新等，2006；鄭海濤，2006；劉愷等，2010）。根據深圳鵝公灣海域的開發狀況，本研究從種類組成和豐度、營養結構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、某科魚類種類數比例、中上層和底層魚類種類數比例，營養結構包括浮游生物食性、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比例，繁殖共位群主要由產浮性卵魚類種類數比例組成（表1）。

在候選指標中根據指標屬性分類進行篩選，獲得評價指標。指標篩選原則：對于種類數指標，取消各站位或評價區域結果均小于5的指標；對于百分比指標，取消各站位或評價區域間差異小于10%的指標，取消90%以上站位或評價區域指標值均為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性分析，確定構建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，分別賦予不同數值。沒有重疊，IQ=3；各自中位數值均在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個中位數值在對方箱體范圍之內，IQ=1；各自中位數值均在對方箱體范圍之內，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，可進行下一步分析。利用Pearson相關性分析檢驗候選指標的獨立性，剔除相關性較高的指標（|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分表示采樣所得數據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×12

2. 2 指標選取和評分標準的確定

2. 2. 1 指標選取結果 （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（圖2）。

（2）相關性分析：對判別能力分析篩選出的11個候選指標進行Pearson相關性分析，得出指標間相關系數。由表4可知，M2與M3和M4顯著相關（P<0.05，下同）、與M12極顯著相關（P<0.01，下同），M3與M4、M7、M9和M12顯著相關，M4與M9和M13顯著相關，M5與M7和M9顯著相關，M6與M13顯著相關，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個指標用于構建鵝公灣漁業水域F-IBI評價體系。

2. 2. 2 評分標準 本研究以歷史數據（南海水產研究所，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依據判別能力分析結果（圖2）。

2. 3 鵝公灣漁業水域F-IBI評價結果

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

2. 4 F-IBI適用性檢驗結果

2. 4. 1 主成分分析結果 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水域F-IBI健康狀況評價結果的影響（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。可見，指標M6、M7、M9和M11對F-IBI健康狀況評價結果的影響較大，是主要的評價指標。

2. 4. 2 相關性分析結果 鵝公灣漁業水域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相關性分析結果表明，鵝公灣F-IBI與水溫、鹽度、COD和石油類呈正相關，與pH、DO、無機氮、PO43--P和懸浮物呈負相關，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關（表7）。

3 討論

3. 1 F-IBI評價體系在鵝公灣漁業水域的應用

參照點的選取對IBI評價體系構建具有導向性和決定性的作用（郜星晨等，2015）。目前，關于參照點的定義及其設定方法并無明確規定，參照點的一般選取原則是利用歷史數據，或選擇無人類干擾的原始水域。因此，本研究選取漁業資源尚未嚴重衰退的歷史（1965～1966年）數據（南海水產研究所，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系統類型不同已發展為多種形式。IBI評價在設置初選指標時需全面考量，避免遺漏體現群落變化的關鍵指標。鄭海濤（2006）在總結不同國家和地區F-IBI體系評價指標的基礎上，設置五大類指標。本研究選取種類組成和豐度及營養結構項目下的6個指標，用于構建鵝公灣漁業水域F-IBI評價體系。此外，目前評價指標的篩選也尚無統一方法，既可以根據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Barbour評價方法對候選指標進行分布范圍、判別能力和Pearson相關性分析（蘇玉等，2013）。本研究根據判別及相關性分析結果可知，石首魚科魚類種類數比例（M6）、鯛科魚類種類數比例（M7）、浮游生物食性魚類種類數比例（M9）和底棲生物食性魚類種類數比例（M11）對F-IBI評價結果有較大影響。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，均為南海底拖網的主要捕撈對象，且在調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，人工魚礁區底棲生物食性魚類種類數比例有所增加，與相關研究結果（陳丕茂等，2013；廖秀麗等，2013）一致。因此，基于這6個指標構建的鵝公灣漁業水域F-IBI評價體系具有可靠性。

3. 2 人工魚礁對鵝公灣漁業水域的生態影響

人工魚礁不僅能改善海洋環境、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（Yu et al.，2015；趙漫等，2016）。本研究結果表明，人工魚礁區（S1～S3站位）多數指標與參照值接近，說明人工魚礁區漁業資源狀況較好。人工魚礁改善了投放水域的生態環境，提升其環境承載力和生產力（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卵場所（Zhou et al.，2010）。尤其是近年來灣內水產養殖和旅游產業的發展，魚類的棲息環境受到嚴重破壞，對照區（S8～S10站位）魚類生物完整性處于差或一般狀態，因此急需通過投放人工魚礁以改善鵝公灣漁業水域的生態環境。

鵝公灣F-IBI與水溫、鹽度、COD和石油類呈正相關，與pH、DO、無機氮、PO43--P和懸浮物呈負相關，其中與海水鹽度、COD和懸浮物顯著相關。COD是影響鵝公灣水域生態系統健康和F-IBI的主要理化因子，人工魚礁區由于攝食生物增多、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）。已有相關研究表明，COD是海域生態系統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勢一直被視為生物學評估監測的理想指標（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，運用判別及相關性分析等方法構建適合該水域的F-IBI評價體系，結果表明，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修復，以促進該海域生物資源的可持續發展。海灣水域和內陸河流湖泊相比，其水文、生物等環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，還應增加不同環境指標體系、不同年份和季節采樣調查的次數，從而進行更準確的灣內水域健康狀況評價及修復研究，同時應深入研究生物完整性與環境因子間的相關性，以完善生物完整性評價體系。

4 結論

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

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（責任編輯 蘭宗寶）