應(yīng)用魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)荔浦河河流健康

鄧明星，黃亮亮，莫苑敏，黃健，王倩，宋曉紅,，高明慧，鄒琦，吳志強(qiáng),4

1. 桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004 2. 桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，桂林 541004 3. 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林541004 4. 廣西壯族自治區(qū)海洋和漁業(yè)廳，南寧530022

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(lèi)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[1]。1981年，Karr[2]和Barbour等[3]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。生物完整性指數(shù)因其操作簡(jiǎn)單易行，且能很好地評(píng)價(jià)河流長(zhǎng)期的累積效應(yīng)，目前被世界各地的科學(xué)家和河流管理者應(yīng)用，而且評(píng)價(jià)生物也由最開(kāi)始的魚(yú)類(lèi)發(fā)展為底棲無(wú)脊椎動(dòng)物、周叢生物、底棲藻類(lèi)、浮游生物、高等維管束植物和鳥(niǎo)類(lèi)等[4-9]。我國(guó)自21世紀(jì)初開(kāi)始應(yīng)用魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)河流健康，截止目前在我國(guó)的長(zhǎng)江、黃河、珠江、遼河、伊犁河、鑒江等水系均有利用[10-21]。

2004年，珠江水利委員會(huì)提出了“當(dāng)好河流代言人，維護(hù)河流健康，建設(shè)綠色珠江”的治水工作思路，并初步構(gòu)建了從河流的自然屬性和社會(huì)屬性綜合評(píng)價(jià)河流健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[22]。近年，利用魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)河流健康也陸續(xù)在珠江水系展開(kāi)，如東江、紅水河、漓江等[12, 23-28]，然而廣西境內(nèi)其他河流健康評(píng)價(jià)研究相對(duì)匱乏。因此，本文以廣西桂林市荔浦河為研究區(qū)域，構(gòu)建魚(yú)類(lèi)生物完整性指標(biāo)體系評(píng)價(jià)荔浦河河流健康狀況，為荔浦河的河流管理和保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域

荔浦河位于廣西壯族自治區(qū)東北部，桂林市南緣荔浦縣，屬珠江流域西江水系。荔浦河為縣境內(nèi)主要河流，發(fā)源于金秀瑤族自治縣大瑤山的老山北麓，從西南流向東北貫穿全境，途經(jīng)修仁鎮(zhèn)、青山鎮(zhèn)、荔浦縣、新坪鎮(zhèn)、東昌鎮(zhèn)等地，后于思貢村梅子洲流入平樂(lè)注入桂江(圖1)?？h境內(nèi)河長(zhǎng)94.7 km，其流域面積1 602.65 km2，占全縣總面積的91%。年均徑流量15.56億m3。荔浦河位于北回歸線北側(cè)，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，夏長(zhǎng)冬短，春秋為過(guò)渡性季節(jié)。境內(nèi)熱量豐度，年平均日照時(shí)間為1 306.9 h，平均氣溫19.8 ℃，年平均降水量為1 458.4 mm。

1.2 采樣方法

2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)對(duì)荔浦河進(jìn)行4次魚(yú)類(lèi)樣本采集，共設(shè)置了11個(gè)采樣點(diǎn)，分別為修仁鎮(zhèn)(S1)、青山鎮(zhèn)(S2)、荔浦縣(S3)、東昌鎮(zhèn)(S4)、龍懷鄉(xiāng)(S5)、茶城鄉(xiāng)(S6)、蒲蘆鄉(xiāng)(S7)、杜莫鎮(zhèn)(S8)、新坪鎮(zhèn)(S9)、馬嶺鎮(zhèn)(S10)、雙江鎮(zhèn)(S11)(如圖1)。以背負(fù)式捕魚(yú)器(功率2 kW，6場(chǎng)管)電魚(yú)、刺網(wǎng)(網(wǎng)目10 mm)網(wǎng)捕、竹筒陷阱對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣距離約500 m。采樣點(diǎn)選取急流區(qū)、緩流區(qū)、水草覆蓋區(qū)、深潭等能滿足大部分魚(yú)類(lèi)生存的棲息生境。魚(yú)類(lèi)樣本現(xiàn)場(chǎng)用10%的福爾馬林固定，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定和測(cè)量，對(duì)采集到的魚(yú)類(lèi)鑒定到種[29-31]，最后用5%的福爾馬林保存。

1.3 參考位點(diǎn)的選取

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有明確的參考點(diǎn)的選取標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究對(duì)于參考點(diǎn)的選取大致分為2類(lèi)[32-35]：① 研究區(qū)域內(nèi)受人為干擾小的河段；② 使用歷史數(shù)據(jù)作為期望值。因荔浦河缺乏魚(yú)類(lèi)歷史數(shù)據(jù)，本研究選取上游河段受人為干擾小的S1(修仁鎮(zhèn))、S10(馬嶺鎮(zhèn))和S11(雙江鎮(zhèn))作為參考點(diǎn)。

1.4 指標(biāo)設(shè)置及篩選原則

綜合目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，結(jié)合荔浦河的魚(yú)類(lèi)組成的實(shí)際情況，共設(shè)置了25個(gè)初選指標(biāo)(表1)，主要包含物種組成和豐度、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性、繁殖共位群、魚(yú)類(lèi)數(shù)量與健康狀況這五大類(lèi)參數(shù)。

圖1 荔浦河采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Map of sampling sites in Lipu River

屬性Attributes指標(biāo)(縮寫(xiě))Metrics (Abbreviation)屬性Attributes指標(biāo)(縮寫(xiě))Metrics (Abbreviation)種類(lèi)組成與豐度Species richness and composition魚(yú)類(lèi)總物種數(shù)(M1)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(M2)鯉科魚(yú)類(lèi)占總物種數(shù)的百分比(M3)鰍科魚(yú)類(lèi)占總物種數(shù)的百分比(M4)蝦虎魚(yú)科魚(yú)類(lèi)占總物種數(shù)的百分比(M5)鲇形目占總物種數(shù)的百分比(M6)鲌亞科魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)(M7)野鯪亞科魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)(M8)鲃亞科魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)(M9)鮈亞科魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)(M10)鱊亞科魚(yú)類(lèi)種類(lèi)數(shù)(M11)中上層魚(yú)類(lèi)百分比(M12)底層魚(yú)類(lèi)百分比(M13)中下層魚(yú)類(lèi)百分比(M14)上層魚(yú)類(lèi)百分比(M15)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)Trophic guilds耐受性Intolerance and tolerance繁殖共位群Reproductive guilds魚(yú)類(lèi)數(shù)量與健康狀況Species abundance and condition肉食性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M16)植食性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M17)雜食性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M18)無(wú)脊椎動(dòng)物食性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M19)耐受性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M20)敏感性魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M21)產(chǎn)漂浮型卵魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M22)產(chǎn)粘性卵魚(yú)類(lèi)數(shù)量百分比(M23)魚(yú)類(lèi)總個(gè)體數(shù)(M24)外來(lái)魚(yú)類(lèi)物種個(gè)體數(shù)百分比(M25)

表2 荔浦河魚(yú)類(lèi)名錄Table 2 List of fish in Lipu River

荔浦河魚(yú)類(lèi)生物完整性指標(biāo)篩選原則[4-15, 32, 36]：①分布范圍篩選：種類(lèi)數(shù)指標(biāo)，若各采樣點(diǎn)的指標(biāo)結(jié)果均小于5，則移除該指標(biāo)；百分比指標(biāo)，若各采樣點(diǎn)的指標(biāo)結(jié)果差異均小于10%，則移除該指標(biāo)；任何一個(gè)指標(biāo)，若90%以上采樣點(diǎn)指標(biāo)結(jié)果均為0，則移除該指標(biāo)。②判別能力篩選：根據(jù)Barbour方法[32]，比較參照位點(diǎn)和觀測(cè)位點(diǎn)在25%～75%分位數(shù)范圍即箱體IQ(interquartile ranges)內(nèi)的重疊情況，分別賦予不同的值：沒(méi)有重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數(shù)都在對(duì)方箱體之外，IQ=2；僅一個(gè)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。保留IQ≥2的參數(shù)進(jìn)一步分析。③相關(guān)性分析篩選：對(duì)余下的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，移除高度相關(guān)的指標(biāo)(|R|>0.9)，只保留信息量大的指標(biāo)。

1.5 指標(biāo)賦值及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將各指標(biāo)按1、3、5分3個(gè)層次賦值，最理想的等級(jí)記5分，最差的等級(jí)記1分，中間的記3分[37]。以參考點(diǎn)IBI總分值的25%分位數(shù)為健康標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，對(duì)小于25%分位數(shù)進(jìn)行3等分，對(duì)未采集到魚(yú)的采樣點(diǎn)記為“無(wú)魚(yú)”，最終將河流健康狀況分為“健康”、“一般”、“較好”、“極差”和“無(wú)魚(yú)”5個(gè)等級(jí)。為消除指標(biāo)數(shù)量造成IBI總分的差異，采用公式IBI總分值=(各指標(biāo)總分/指標(biāo)個(gè)數(shù))×12[38]。

2 結(jié)果(Results)

2.1 魚(yú)類(lèi)物種組成

共采集到魚(yú)類(lèi)21 192尾，經(jīng)鑒定共計(jì)魚(yú)類(lèi)94種，隸屬于6目17科62屬(表2)。其中，鯉形目3科61種(17 177尾)，占總物種數(shù)的64.89%；鲇形目3科10種(1 055尾)，占總物種數(shù)的10.65%；鱸形目7科18種(1 348尾)，占總物種數(shù)的19.15%；合鰓魚(yú)目2科3種(98尾)，占總物種數(shù)的3.19%；鮭形目(1 500尾)和鳉形目(14尾)均1科1種，分別占總物種數(shù)的1.06%。

2.2 指標(biāo)篩選

本研究將適應(yīng)緩流或者靜水的鲌亞科、鯉亞科、黃鱔、斗魚(yú)、食蚊魚(yú)、鲇形目、鱧科、沙塘鱧科魚(yú)類(lèi)定為耐受性魚(yú)類(lèi)；將野鯪亞科、鲃亞科、鮈亞科、平鰭鰍科等急流性魚(yú)類(lèi)定為敏感性魚(yú)類(lèi)[14,26]。通過(guò)分布范圍的篩選，指標(biāo)M5、M6、M7、M8、M25從初選指標(biāo)中刪除。其余指標(biāo)進(jìn)行判別能力篩選，僅M1、M2、M10、M14、M16、M21、M22滿足篩選要求(圖2)，進(jìn)入下一步篩選；然后對(duì)M1、M2、M10、M14、M16、M21、M22進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表3)，篩選出|R|<0.9，最終確定M1、M2、M16、M21、M22等5個(gè)指標(biāo)為荔浦河河流健康評(píng)級(jí)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 荔浦河7個(gè)魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)候選指標(biāo)箱體圖Fig. 2 Box-plots of seven candidate metrics for index of biotic integrity based on fish in Lipu River

2.3 評(píng)分與評(píng)價(jià)

據(jù)初選指標(biāo)的篩選結(jié)果，最終確定了5個(gè)IBI指標(biāo)(表4)。荔浦河參照點(diǎn)IBI總分的25%分位數(shù)為48，荔浦河魚(yú)類(lèi)完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。根據(jù)2017年的魚(yú)類(lèi)數(shù)據(jù)，用表4的評(píng)分計(jì)算方法，荔浦河8個(gè)樣點(diǎn)的河流健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。

魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)荔浦河的健康狀況結(jié)果表明，青山鎮(zhèn)、荔浦縣和蒲蘆鄉(xiāng)3個(gè)河段為“一般”水平，東昌鎮(zhèn)、龍懷鄉(xiāng)、杜莫鎮(zhèn)和新坪鎮(zhèn)4個(gè)河段為“較差”水平，而茶城鄉(xiāng)河段為“極差”水平。縱觀荔浦河河流健康狀況，荔浦河干流河段(青山鎮(zhèn)、荔浦縣及東昌鎮(zhèn))的健康狀況大多處于“一般”水平，而支流河段的健康狀況相對(duì)較差，僅蒲蘆鄉(xiāng)河段為“一般”水平，其余支流河段均為“較差”或“極差”水平。

表3 荔浦河7個(gè)魚(yú)類(lèi)生物完整性指數(shù)候選指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among seven metric candidates for index of biotic integrity based on fish in Lipu River

表4 荔浦河魚(yú)類(lèi)生物完整指標(biāo)及賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 4 IBI metrics and scoring criteria in Lipu River

表5 荔浦河魚(yú)類(lèi)生物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Assessment criteria for index of biotic integrity based on fishes in Lipu River

表6 荔浦河各采樣點(diǎn)IBI評(píng)價(jià)結(jié)果Table 6 IBI results for sampling sites in Lipu River

3 討論(Discussion)

荔浦河與漓江、恭城河在平樂(lè)匯聚后始稱(chēng)桂江。鄰近的漓江河流健康狀況顯示漓江上游支流多數(shù)處于“健康”水平，中下游河段也處于“一般”或“一般”以上水平[26-27]。相比之下，荔浦河上游支流河段的健康狀況相對(duì)較差，僅蒲蘆鄉(xiāng)河段為“一般”水平，其余支流河段均為“較差”或“極差”水平。荔浦河的河流健康狀況令人堪憂，地方政府應(yīng)馬上采取相關(guān)措施對(duì)荔浦河進(jìn)行生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)。

荔浦河支流上人類(lèi)活動(dòng)劇烈，如筑壩工程、架橋工程、修路工程等引起的水文變化或水體理化性質(zhì)變化是導(dǎo)致這些河段魚(yú)類(lèi)多樣性下降的主要原因。如茶城鄉(xiāng)(S6)和龍懷鄉(xiāng)(S5)位于水庫(kù)下游，其魚(yú)類(lèi)物種組成分別只有20種和23種，其魚(yú)類(lèi)物種組成主要以鯉亞科、鲇形目、鱧科、沙塘鱧科魚(yú)類(lèi)等耐受性魚(yú)類(lèi)為主，且研究期間茶城鄉(xiāng)(S6)有架橋工程，采樣期間水體濁度較高，這也是導(dǎo)致茶城鄉(xiāng)(S6)河段河流健康水平下降的原因之一。另外，杜莫鎮(zhèn)(S8)沿河的修路工程引起河流水體濁度急劇增加，導(dǎo)致該河段的魚(yú)類(lèi)物種下降至18種，且其魚(yú)類(lèi)物種組成也以耐污型魚(yú)類(lèi)為主。眾多研究結(jié)果表明，水體濁度增加會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)的生理功能急劇下降，且懸浮物可直接堵塞或損壞魚(yú)類(lèi)鰓組織，進(jìn)而抑制魚(yú)類(lèi)或軟體動(dòng)物的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致其死亡，尤其對(duì)幼魚(yú)和小型魚(yú)類(lèi)危害更大[39-41]。

致謝：感謝捷克布拉格生命科學(xué)大學(xué)(Czech University of Life Sciences Prague)陳中兵博士在文章修改中給予的幫助。