基于魚類多樣性及完整性指數評價南河中上游流域健康狀況

嚴太明，何佳洋，羅 杰,2，張 騫，鄧發強，馬志軍，蘇中海，何 智

(1.四川農業大學動物科技學院，成都 611130；2.廣安市農業技術推廣站，四川廣安 638500；3.成都市動物疫病預防控制中心，成都 610041)

生物完整性是指與區域環境相適應的生物群落所具有的種類組成、多樣性和功能結構特征，以及該群落所具有的維持自身平衡、保持結構完整和適應環境變化的能力[1,2]。魚類處于河流生態系統食物鏈的頂端[3]，其物種多樣性和完整性是水生生物和水域環境可持續發展的關鍵[4,5]，因此可使其作為河流健康評價的指示生物[6]。與典型的化學或物理指標相比[7,8]，水生態系統中某一時間點生物指標信息更可靠，更能反映其真實情況，物種多樣性越高，生物完整性越好，則生態系統的穩定性越強[6]，鑒于此，基于魚類群落種類組成、多樣性和功能結構特征而構建的魚類生物完整性指標體系(The fish-based biotic integrity index，F-IBI)可較好反映水生生態系統健康狀況和受干擾強度，同時也能對魚類及漁業資源本身進行客觀的描述。近年來，利用魚類生物完整性指數評價河流健康已在長江及其支流[9]、黃河[10]、亞馬遜河等[11]大型河流中有效開展，評價結果與河流受人為干擾的實際情況相吻合，這為中小型河流健康評估積累了經驗。

南河作為岷江重要支流，河長102 km，流域面積3 640 km2，上源有支流三條，由北至南依次為江河、文井江和白沫江。丁瑞華[12]1994年對南河流域進行了魚類資源調查，吳浩等[13]2014-2015年對南河下游新津段進行定期定點調查采樣。本研究于2016-2017年對南河中上游魚類資源進行了調查，在此基礎上結合歷史資料構建魚類生物完整性指標體系評價其河流健康狀況，旨在豐富溪流河流健康評價研究，為區域內的魚類資源養護、生態修復決策和措施的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2016年9-11月和2017年3-6月在南河中上游，根據河段生境的代表性，樣點可抵達性和捕撈漁獲物的可操作性原則，在干流的寶林鎮、固驛鎮和葫蘆3個河段，支流文井江的高何鎮、水口鎮和火井鎮3個河段，支流白沫江的平樂鎮和夾關鎮2個河段，以及支流江河的謝家壩、高壩、虎崗和溫泉小鎮4個河段同時開展了魚類資源調查(圖 1)。漁獲物調查主要采用以下方式進行：(1)直接購買：在采樣點附近的魚類市場直接向漁民購買漁獲物；在沿河調查中，向釣魚愛好者購買漁獲物；(2)雇請當地漁民或自行下網捕撈，采用地籠(網長10 m，網目1 cm)和多目刺網(網長50 m，網目從小到大分別為1.2 cm、2 cm、4 cm)進行樣品采集。根據《中國動物志》魚類已出版各卷冊[14，15]和《四川動物志》等[12]資料對漁獲物進行種類鑒定，統計漁獲物組成，測量全長(0.1 cm)和體重(0.1 g)等魚體生物學性狀。現場不能鑒定的魚類，用10%甲醛保存后帶回實驗室鑒定和確認。

圖1 南河流域中上游魚類采樣河段分布圖

1.2 魚類多樣性評價

采用豐富度指數(Margalef，D)、Shannon-Wiener多樣性指數(Shannon-Wiener，H)和均勻度指數(Pielou，J)對采集點魚類多樣性進行評價，優勢種組成采用相對重要性指數(Index of relative importance，IRI)進行評價[15]。計算公式如下：

D=(S-1)/log2T；

H=-∑pilog2pi；

J=H/log2S；

IRI=(N+W)F。

式中，S為采樣河段中魚類種類數，T為采樣河段魚類總尾數，Pi=ni/T為某采樣河段中第i種魚類尾數占該采樣河段總尾數的比例，N為某種魚的數量占總尾數的百分比，W為某種魚重量占總重量的百分比，F為出現頻率。將IRI>100的物種定為優勢種[16，17]。

并以G-F指數方法來評估南河流域中上游魚類物種多樣性變化。G-F指數計算方法[18]：

F指數(DF)(科的多樣性)，計算式為：

式中，Pi=Ski/Sk，Ski為名錄中k科i屬中的物種數，Sk為名錄中k科中的物種數，n為k科中的屬數，m為名錄中魚類的科數。

G指數(DG)(屬的多樣性)，計算公式為：

式中，qj=Sj/S，Sj為j屬中的物種數，S為名錄中魚類的物種數，P為名錄中魚類的屬數。

G-F指數計算(DG-F)：

DG-F=1-DG/DF

式中，G-F指數是0～1的測度，非單種的科越多，G-F指數越高，反之，該指數值就越低。

1.3 魚類完整性評價

1.3.1 構建候選參數指標

綜合目前國內外的相關研究[2,10,17,19]，根據魚類種類組成特征，以及相關數據或指標的可獲得性等，選擇能反映魚類種類組成和豐度、耐受性、營養結構、繁殖共位群以及魚類數量與健康狀況等5類35個指標構建南河中上游魚類完整性指標體系(表1)。

表1 魚類完整性候選指標列表

1.3.2 魚類完整性指數評價體系一

根據《四川魚類志》中南河流域魚類記錄資料[12]和本次漁獲物調查結果，開展相關參數的對比分析，并采用優化后的指標評價體系評估研究區域內魚類組成和區系組成等的變化。

1.3.3 魚類完整性指數評價體系二

選取人類活動干擾少、生態環境較好和魚類種數相對豐富的固驛、寶林和平樂采樣點作為參照點，對其它河段進行觀測和評估。同時，對35個魚類生物完整性評價指標的分布范圍、判別能力和Pearson相關性等進行分析和優化[19]，構建適合南河中上游河流健康評價的指標體系。

分布范圍的篩選：刪除各觀測點間差異小于10%的指標；刪除各觀測點數值小于5的指標；刪除指標體系中90%以上的值為0的指標。判別能力篩選：采用箱體法比較參照位點和觀測位點的箱體重疊情況，當箱體沒有重疊或者有部分重疊，且中位數均在對方箱體之外的指標可進入下一步的分析。Pearson相關性檢驗篩選：運用Pearson相關性檢驗來分析各參數指標間的相關性，只有|R|<0.9的指標才能通過篩選用于數據分析。

1.4 河流健康評價

對魚類完整性指數評價體系二篩選出的指標按1、3、5賦值法進行賦值[16，17]。將期望值與實際測得的最低值范圍分為3等份，劃分為3個評分區域，按照各觀測點落在不同區域從好到差依次記為5分、3分和1分。采用IBI總分計算方法進行總分統計，具體是IBI總分=指標總分/指標個數×12，并據此將河流健康程度等級劃分為極好(58～60)、好(48～52)、一般(40～44)、差(28～34)、極差(12～22)和無魚(0)6個等級。

1.5 數據分析

數據統計使用Excel 2016，相關性檢驗和顯著性檢驗采用SPSS 19.0，圖片用Adobe Illustrator CS5和Adobe Photoshop CS6等軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 漁獲物數據分析

調查共采集到漁獲物3 199尾，重量為37 782.0 g，隸屬于4目11科34屬45種(表2)。其中，鯉形目種類最多，有3科21屬28種；其次為鲇形目4科7屬10種。漁獲物統計結果顯示，數量最多和重量最大的是寬鰭鱲，分別占總數的17.47%和18.51%。其次是短體副鰍和麥穗魚漁獲物數量較多(11.13%和10.82%)，而重量較大的是花和馬口魚(12.96%和8.33%)(圖2)。

表2 南河流域中上游魚類名錄和分布表

2.2 魚類多樣性

統計結果表明，南河流域中上游共有優勢種魚類14種(IRI>100)。其中，IRI值大于1 000的有寬鰭鱲和花，IRI值介于500～1 000的魚類有麥穗魚、棒花魚、切尾擬鲿、短體副鰍、馬口魚和四川華鳊(圖2)。干、支流魚類種類數統計結果表明，干流魚類種類數多于支流(表3)，且南河干、支流魚類豐富度指數與魚類種類數呈明顯的正相關(r>0，P<0.05)，干流豐富度指數高于支流(表3)。利用G-F指數方法分析得，原始土著魚類群落科的多樣性指數F指數(DF)為3.81，屬的多樣性指數G指數(DG)為2.60，屬科多樣性指數(G-F指數)為0.32。當前魚類群落總體F指數為4.90，G指數為3.46，G-F指數為0.29。

續表2

圖2 南河流域中上游魚類相對重要性指數前10種類的尾數與重量占比統計圖

表3 南河流域中上游魚類多樣性指數

2.3 魚類完整性

2.3.1 魚類完整性指數評價體系一

南河流域魚類歷史記錄的數據信息有限，無法與現有參數進行一一對比分析，最終選擇20個指標構建魚類完整性指數評價體系一。本次調查河段的M1、M7和M8占比增加均超過了50%。M2、M5、M11、M23、M24、M28和M29均出現了負增長(圖3)。M9和M27與歷史數據基本持平。結果表明，南河中上游魚類區系從以江河平原區系復合體為主演變為了多區系混合體(圖3)。

圖3 魚類完整性指數評價體系一中各參數指標變化趨勢

2.3.2 魚類完整性指數評價體系二

基于本次調查結果，對35個指標的分布范圍、判別能力和Pearson相關性的篩選分析，最終選擇6個指標用于構建魚類完整性指數評價體系二(圖4)。統計結果發現，區域內的魚類完整性較歷史記錄發生了較大的變化。

圖4 6個參數的參照點(左)和觀測點(右)箱體法比較分析圖

2.4 南河中上游河流健康評價

南河中上游河流健康狀況評估結果顯示：干流寶林和固驛河段河流健康狀況為“極好”和“好”，支流平樂河段為“好”，支流謝家壩、水口和火井3個河段為“一般”，干流葫蘆為“差”，而剩余采樣河段為“差”及以下。結果表明，南河中上游河段健康狀況在各樣點間差異較大，但總體呈現干流好于支流。其中，健康評價等級在“一般”等級及以下的采樣點有9個，占采樣點總數的75%；評價等級在“差”及以下的采樣點有6個，占采樣點總數的50%(圖5)。

圖5 南河流域中上游各采樣點健康狀況評價等級

3 討論

3.1 魚類群落組成變化及影響因素分析

水域生態環境的變化往往導致水體中餌料資源和水環境的劇變，加之過度捕撈等人為因素的影響，水域內的魚類物種多樣性會發生變化[20]。與歷史資料[12]對比分析發現，研究區域內的魚類區系由以江河平原區系復合體為主演變為多區系混合體。其中，有歷史記錄的短尾高原鰍、中華沙鰍和似等9種魚類未被采集到，而采集到的魚中大鱗副泥鰍、花和革胡子鲇等25種魚類在歷史資料中并未有記載。在南河下游同樣也存在著種群數量較大的外來種，如云斑尖塘鱧(Oxyeleotrismarmorata)等[13]。這些魚類因在流域內缺乏天敵，加之其自身種間競爭力強，其種群數量快速增長，迅速發展成為優勢種群，進而對土著魚類生存形成了較大的威脅。南河流域中上游魚類G-F指數的下降表明隨著外來魚類的引入及部分土著魚類的消失，原土著魚類群落由種級分化強烈轉變為群落中單種科的數目顯著上升、種級物種分化單調。這表明，魚類物種組成變化來自土著種的丟失和外來種的獲得，類似的情況在廣東各水系[20]、安徽青弋江[21]和云南劍湖[22]等水體中也存在。

魚類群落結構及其多樣性的差異在一定程度上體現當前人為活動對其的影響。同大型河流相比，南河中上游屬山地河源溪流具有海拔高、溫度低、坡度大水流急、棲息地簡單、營養貧乏和環境周期性動蕩等特點[22，23]，其中孕育有高度適應急流條件的溪流魚類物種。但受農業用地、城鎮化發展、水利工程修建等人類活動的影響，溪流魚類正面臨多重威脅[24]。與之類似，安徽省九龍峰自然保護區境內焦村河因受較重的人為干擾[23]，河流生態系統原有的棲息地環境被破壞，導致區域的空間棲息地異質性相對較高，溪流魚類物種群落多樣性發生變化[23]。這表明，研究區域內魚類種類多樣性的改變與近年來流域兩岸城市化進程加快，城市生活污水、生活垃圾與農村面源污染等帶來的水體污染等環境問題密不可分。

水工建筑對南河中上游的魚類區系組成與分布產生了較大的影響。現場調查發現，在南河上游河道中，如江修建了大量的電站閘壩、引水壩、攔河壩等水工建筑。其中，葫蘆壩水電站的閘壩使得南河干流河道形成了近10 km的庫區，庫區水流較緩，靜水性魚類種類較多，如麥穗魚和鯽等。受電站閘壩和引水壩等的影響，支流江河河道較窄，多呈“V”型，水流量小，部分河床裸露，區域內魚類種類明顯減少，特別是在溫泉小鎮附近河道影響十分明顯(D=0.584)，僅分布有短體副鰍、棒花魚和花等。而寬鰭和馬口魚等優勢種僅分布于水工建筑影響較小的白沫江和江上游河段。此外，大壩還阻斷了一些魚類的洄游路線，如中華沙鰍等，導致其產卵場及關鍵棲息地的減少或喪失，種群基因流的破碎化提高了其滅絕的風險[24]。

3.2 魚類分布特點及生物多樣性變化

魚類物種數和豐富度指數可以直觀地反映流域內魚類多樣性的程度，而水生生境的異質性程度可影響魚類的物種數和豐富度[25]。調查發現，在南河流域干流中固驛和寶林河段魚類不僅有常見的優勢種還有較多的少見種，而少數優勢魚類種群的生物量較為豐富。支流部分采樣河段(夾關、水口和虎崗等)原生態環境破壞嚴重，稀有魚類種數比較少，均勻度指數比較大。南河中上游魚類豐富度指數與多樣性指數干流高于支流，且呈現由支流到干流逐步增大的趨勢，這與南渡江魚類多樣性指數變化趨勢基本一致[17]。與南河下游河段相比，寶林河段魚類種類數最多，多樣性指數最高。此外，水生生境的穩定程度也是影響魚類物種數和豐富度的重要原因[26]。寶林河段水面寬，支流匯入多，水生生境復雜，生境異質性程度顯著高于南河流域其他水域(P<0.05)。南河中上游各支流流經區域人類活動較為頻繁且秋冬季出現過斷流的情況，而寶林河段水流量大，受人類活動干擾較少，相應的生境穩定程度也較高。可見，寶林河段對于維持南河流域魚類多樣性具有十分重要的作用。

3.3 南河流域中上游健康狀況

本研究結果表明，南河中上游各河段總體健康狀況較差，河段面臨嚴重的環境壓力。其中，江河受農業用地、筑壩、沿岸修路建橋及河道挖沙等人類活動干擾較多，河流破壞嚴重；同時，由于江河偏僻隱蔽，村民濫捕現象嚴重；另外，上游大力發展旅游業，已建成花水灣溫泉旅游度假區等旅游景點，造成河道渠化。白沫江段與文井江段近年來也出現了流域水環境惡化及污染加劇的情況。調查發現，沿岸數十個鄉鎮造紙廠和屠宰場存在偷排暗排生產廢水現象，且流域內的鄉鎮生活廢水直接排入河流，對河流水質產生了一定的影響[27]。這些都使得流域內支流的健康狀況評價等級較低。結果表明，南河中上游面臨著較大的環境壓力，而類似的結果在安徽閶江與青弋江[22]和焦村河[23]等山區溪流也同樣存在。綜上，南河中上游河流健康評價結果與河流受人類活動干擾的實際情況是相符合的。

致謝

本試驗漁獲物調查期間得到了熊森、蔡躍平、王雄延、李松、何治德、張松培、阮會斌、何亮等同學的大力協助，四川省自然資源研究所丁瑞華研究員在漁獲物鑒定方面給予了指導和幫助，在此一并感謝。