基于魚類生物完整性的赤水河健康評估研究

潘麗波，黃雪妍，劉晶晶，謝園園，張 坤，劉 博，趙清英，關 瀟，傅 博

1. 中國環境科學研究院生態研究所，北京 100012

2. 生態環境部對外合作與交流中心，北京 100035

3. 北京建工環境修復股份有限公司，北京 100015

4. 生態環境部機關服務中心，北京 100006

河流生態系統健康的維持和恢復已成為近年來環境管理的目標. 目前對生態環境的評價已經從依賴于物理化學指標和對生物個體與種群的跟蹤監測，擴展為對整個生態系統的健康評估. 近20 年來，河流生態系統健康評價方法學不斷發展，就評價原理而言，可分為預測模型法和多指標評價法，其中基于水生生物結構或功能特征的生物指標被廣泛應用于評價人類活動的影響程度，如富營養化、水位波動、自然資源過度開發、水質污染等[1-3]. 魚類在河流中廣泛分布，壽命相對較長，對環境變化敏感，且與其他水生生物相比，魚類具有在整個流域內遷徙的能力，比底棲大型無脊椎動物群落分布更為一致，是評價水域生態完整性的理想物種. 1981 年，Karr[4]首次建立了基于魚類完整性健康評估方法(the fish index of biotic integrity，F-IBI)，發展至今已較為成熟. 采用F-IBI 評價河流健康能夠有效地指導河流可持續管理和利用[4-7].

長江上游是我國魚類生物多樣性最為豐富的地區之一，共分布有魚類286 種，其中僅分布于該地區的特有魚類多達124 種，特有魚類比例之高遠超國內其他地區或水系，同時也是白鱘、長江鱘、胭脂魚、川陜哲羅鮭和滇池金線鲃等多種珍稀魚類的重要棲息地，在我國魚類生物多樣性保護方面具有重要的地位[8-13]. 然而，近半個世紀以來，由于受人類酷漁濫捕、水利工程建設、環境惡化等因素的影響，長江上游的魚類資源狀況不容樂觀. 長江上游受威脅魚類在近10 年間由17 種上升到49 種，占長江上游特有魚類物種數量的39.5%[14-17].

赤水河是長江上游右岸的一級支流，同時也是長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區的重要組成部分. 目前，赤水河干流幾乎未受到水電開發的影響，是長江上游為數不多的仍然保持著自然水文節律的大型一級支流. 同時，赤水河流程長、流量大、水質良好、人類活動相對較少、著生藻類和底棲無脊椎動物等餌料生物豐富，是魚類理想的棲息地和繁殖場所[18-19].

關于赤水河魚類的研究成果已有報道，多集中在魚類物種多樣性、群落結構、時間空間變化特征等方面[17,20-23]，采用F-IBI 指數開展整個流域水生物完整性健康評估的研究還十分有限. 本研究根據2020 年春夏兩季赤水河河流的漁獲物調查數據，對魚類物種多樣性開展分析，構建赤水河F-IBI 指數體系，評價赤水河水生態系統健康狀況，為赤水河魚類資源的管理與保護提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

1.2 樣點與采樣方法

以整個赤水河流域為調查區域，在2020 年5 月和9 月分別進行調查. 調查分上、中、下游段開展，上游為源頭至茅臺鎮，中游為茅臺鎮至赤水市，赤水市之后為下游江段，上、中、下游各調查30 d. 根據采樣可操作性、生境類型和溪流形態的不同，在赤水河干流和重要支流共布設31 個點位（見圖1）. 漁獲物調查以船次為抽樣單位，調查的漁具包括小鉤、流刺網、定置刺網、蝦籠和電魚機等. 對于采集到的標本，鑒定種類，進行體長等生物學測量，并記錄數量、采集地等相關數據. 記錄完畢后，采用福爾馬林溶液(10%)保存，以供復核. 魚類種類鑒定參考《貴州魚類志》《云南魚類志》《四川魚類志》和《中國動物志：硬骨魚綱，鲇形目》[9-12]，魚類名錄中分類和學名參考《中國內陸魚類物種與分布》[13]中的魚類名錄信息.

圖1 赤水河魚類采樣點位分布Fig.1 Distribution of fish sampling sites in Chishui River

1.3 數據處理

1.3.1 生物多樣性指數計算

采用Shannon-Wiener 指數、Simpson 指數、Pielou均勻度指數評價赤水河流域各點位的物種α 多樣性.具體計算方法如下：

Shannon-Wiener 指數(H′)：

Simpson 指數(DS)：

Pielou 均勻度指數(J)：

式中，S為魚類種類數，N為總尾數，Pi為第i種魚類所占的比例.

魚類群落時空分布特征采用主坐標分析(principal co-ordinates analysis，PCoA)法進行分析(基于Bray-Curtis 相似性度量)，組間差異采用ANOSIM 相似性分析(Analysis of Similarities)，分析過程在R 3.6.1 軟件中完成.

納稅籌劃是指納稅人在遵守法律法規的情況下，運用有關權利和知識對企業經營、理財、投資等各項活動進行事先安排和籌劃，以達到降低稅收負擔和降低稅收風險目的一系列活動。納稅籌劃具有合法性、目的性和籌劃性。

1.3.2 生物完整性及河流健康評價

通過文獻調研選取赤水河魚類完整性(F-IBI)評價指標，并根據調查數據進行篩選，通過分布范圍檢驗、敏感性分析和冗余度分析，得出最終構建魚類完整性指數評估體系的核心參數. 以比值法對指數進行標準化，標準化的指數相加即得各點位的魚類完整性. 根據參照點的魚類完整性指數得出健康評價標準，評估各點位健康完整性，繪制赤水河流域基于魚類完整性空間分布結果.

根據赤水河的魚類種類組成及生態學特征，參考Karr[4]的方法初步設置了6 大類36 個初選指標(見表1)，包括物種組成、生態型、營養結構、繁殖共位群、耐受性、資源個體與健康狀況. 參考相關文獻[4]，在魚類所有點位中根據以下原則篩選出參照點：①Shannon-Wiener 多樣性指數H′≥2；②點位(河段)的所有水質指標均在Ⅱ類(GB 3838——2002《地表水環境質量標準》)以上. 其余點位為受損點.

表1 赤水河水生物完整性評價候選參數Table 1 Candidate parameters for aquatic integrity evaluation of Chishui River

構建IBI 評價體系的核心參數通過以下3 步進行篩選：①分布范圍檢驗. 剔除超過95%點位為0 的參數. ②判別能力分析. 繪制參照點與受損點的25%~75%分位數箱型圖，箱體重疊情況記為IQ. 兩箱體無重疊，IQ=3；兩箱體有重疊，但兩中位線均不在對方箱體內，IQ=2；兩箱體有重疊且僅有一方中位線在對方箱體內，IQ=1；兩箱體中位數值均在對方箱體內，IQ=0. 初選參數IQ≥2 表示參照點和受損點之間該參數具有顯著性差異，即可進入下一步冗余度分析.③冗余度分析. 計算上一步篩選出的參數之間的Spearman 相關性(見表2)，其中，相關系數|r|>0.75 的2 個參數之間獨立性較差，保留其中包含信息量大的一個，構建的IBI 評價體系見表3. 分析過程在R 3.6.1中完成.注：↓表示參數值與干擾強度呈負相關；↑表示參數值與干擾強度呈正相關.

表2 赤水河F-IBI 指標的相關性Table 2 The correlation of F-IBI of Chishui River

表3 赤水河魚類完整性評價指標Table 3 Fish-index of biotic integrity of Chishui River

1.3.3 評價指標構建

選用比值法對核心參數進行標準化. 對于受到干擾越強、分值越低的參數，按式(4)進行標準化賦分；對于受到干擾越強、分值越高的參數，按式(5)進行標準化賦分.

式中，Vi′為標準化后的參數值，Vi為標準化前的參數值，V5%為5%分位數值，V95%為95%分位數值，Vmax為最大值. 將標準化的分值加和即得IBI 值. 以參照位點25%分位數值為標準劃分健康等級：健康(F-IBI≥5.99)、亞健康(4.49≤F-IBI<5.99)、一般(2.99≤F-IBI<4.49)、較差(1.50≤F-IBI<2.99)和極差(F-IBI<1.50).

2 結果與分析

2.1 赤水河魚類組成

調查期內，在赤水河共采集到魚類6 288 尾，90 種，隸屬于4 目10 科26 屬，魚類目錄見表4. 其中，國家一級保護動物1 種(達氏鱘)，二級保護動物4種(鱸鯉、長吻鮠、圓口銅魚、青爬石鮡)，長江上游特有魚類26 種和外來魚類2 種. 赤水河上游魚類29 種，中游魚類57 種，下游魚類62 種.

表4 赤水河魚類名稱及數量Table 4 The name and quantity of fish in Chishui River

從漁獲物數量占比來看，鯉科魚類在種類上占絕對優勢，這是我國魚類區系組成的共同特點[23]. 寬鰭鱲、大鰭鱯占優勢地位，分別占總數量的9.73%和9.21%，是赤水河的主要經濟魚類；其次是瓦氏黃顙魚、鈍吻擬鲿、蛇鮈、云南光唇魚、西昌華吸鰍、昆明裂腹魚和泉水魚，分別占漁獲物總數量的7.87%、7.71%、6.62%、6.31%、5.79%、4.68%和4.56%.

漁獲物各科種類和尾數統計顯示，鯉科魚類種類占優勢地位，為54 種，數量占比為61.34%；遠超過其他科類，其次為鲿科(10 種)、平鰭鰍科(4 種)，數量占比分別為26.98%和5.85%. 而個體較大、經濟價值較高的鮎科魚類在此次調查中的漁獲量卻很少，僅占總尾數的0.54%.

從空間分布來看，達氏鱘、圓口銅魚、圓筒吻鮈、長吻鮠、花?、鮦魚、赤眼鱒、寡鱗飄魚、魴、大口鯰、達氏鲌、細體擬鲿、粘皮鯔蝦虎魚和白梭吻鱸14 種魚類(包含長江上游特有魚類4 種)僅在合江縣出現，黑尾近紅鲌僅在合江縣和赤水市出現，紅尾副鰍僅在赤水市和鎮雄縣出現，鱸鯉僅在鎮雄縣出現，鱸鯉、高原鰍、大鱗副泥鰍僅在鎮雄縣出現，嘉陵頜須鮈、中華鳑鲏僅在習水縣出現，拉氏鱥、短須頜須鮈僅在古藺縣出現，紅鰭原鲌僅在合江縣和瀘縣出現，青石爬鮡、側溝爬巖鰍僅在威信縣出現，花斑副沙鰍、中華沙鰍僅在桐梓縣出現，條紋異黔鯪僅在仁懷市出現，波氏吻蝦虎僅在赤水市出現.

2.2 赤水河魚類生物多樣性

調查期內，赤水河魚類Shannon-Wiener 指數范圍為0.21~2.87，平均值為1.48±0.46；Simpson 指數范圍為0.08~0.91，平均值為0.69±0.14；Pielou 指數范圍為0.13~0.97，平均值為0.76±0.13. 由圖2 可見，從上、下游分區來看，赤水河魚類α 多樣性從上游到下游呈現逐漸降低的趨勢，表明魚類物種數量隨著河流梯度向下游延伸而逐漸增加. 這與已有報道結果[21-23]一致. 赤水河上、中、下游魚類的Shannon-Wiener 指數、Simpson 指數均顯示顯著性差異(P<0.01)，而Pielou指數則顯示非顯著性差異. PCoA 分析結果(見圖3)顯示，上游和下游魚類物種在空間上呈現顯著性差異(P<0.01).

圖2 赤水河上、中、下游魚類α 多樣性指數分布Fig.2 Distribution of fish α diversity index in the upper, middle and lower reaches of Chishui River

圖3 赤水河上中下游魚類PCOA 分析結果Fig.3 PCOA analysis result of fish in upper, middle and downstream reaches of Chishui River

2.3 赤水河魚類完整性評估

基于F-IBI 的評價結果顯示，調查期間，赤水河流域F-IBI 平均值為6.49±1.43，總體呈現健康狀態.其中，20 個點位顯示健康狀態，5 個點位顯示亞健康狀態，3 個點位顯示一般狀態，3 個點位顯示較差狀態. 從上下游分區來看，與α 多樣性一致，赤水河上、中、下游F-IBI 值分別為6.20±1.20、6.32±1.63、6.94±1.25(見表5)，表明赤水河基于F-IBI 值的健康狀況隨著河流梯度向下游延伸而逐漸向好，組間差異分析結果(見圖4)顯示，上、中、下游F-IBI 值存在顯著性差異(P<0.05). 基于F-IBI 指數評價的健康空間分布見圖5，結果顯示，干流健康狀況優于支流，較差健康點位位于桐梓河、五馬河流域，一般健康點位位于五馬河、習水河流域.

表5 赤水河上、中、下游F-IBI 指數Table 5 The F-IBI index of upper, middle and downstream reaches of Chishui River

圖4 赤水河上、中、下游F-IBI 值的ANOSIM分析結果Fig.4 Results of ANOSIM of the upper, middle and downstream reaches based on F-IBI values of Chishui River

3 討論

3.1 赤水河魚類多樣性與歷史資料比較

此次調查赤水河流域魚類共計90 種，包括長江上游特有魚類26 種，其中上游魚類29 種，中游魚類57 種，下游魚類62 種. 流域內魚類區系整體表現出鯉形目、鯉科占明顯優勢以及鲇形目、鲿科占較大比重的特征，這也與長江上游乃至整個長江流域的魚類區系特征一致[19,24-26]. 關于赤水河魚類調查及多樣性評估已有文獻報道，但因調查時間、調查范圍差異，調查魚類種類數量與組成均有差異. 例如：2007 年，Wu 等[23]在赤水河流域采集魚類119 種(51 個點位)，包括長江上游特有魚類34 種，主要經濟魚類為寬鰭鱲、中華倒刺鲃、光澤黃顙魚、張氏?和蛇鮈等.2012 年，Liu 等在赤水河流域調查到魚類58 種，優勢物種為花?，其中上游優勢物種為云南光唇魚、西昌華吸鰍、切尾擬鲿，中下游優勢物種為花?、高體近紅鲌、蛇鮈、鯉魚[20]；而在2015——2017 年對赤水河魚類的調查顯示，魚類共計122 種，其中長江上游特有魚類34 種，占總種數的27.9%，15 種魚類被列為受威脅物種[21]. 所調查物種中，泥鰍和寬鰭鱲占比最高. 昆明裂腹魚和泉水魚僅在上游出現，然而此次研究中，上述兩種魚在中游也有出現. 2007——2019 年，Liu 等[22]對赤水河流域近10 年的調查進行統計，魚類共計143 種，包括36 種長江上游特有魚類，外來魚類14 種，上、中、下游的魚類數量分別為30.6±2.1、50.6±6.2、74.5±7.8. 研究發現，空間上，赤水河流域中下游魚類多樣性沒有顯著性差異，但時間上呈現出顯著差異，尤其是大型魚類，如白甲魚和中華倒刺鲃，對比長江禁漁政策之前有所恢復.

此次調查赤水河魚類空間分布與以往文獻報道相似，魚類種類數量與多樣性從上游至下游呈現遞增的規律. 因調查時間較短，所調查魚類種類低于已有文獻報道. 赤水河上游海拔為1 000~1 500 m，主要以裂腹魚亞科和條鰍亞科為主，特征魚類以青石爬鮡、昆明裂腹魚、四川裂腹魚、云南光唇魚等為主，多適應寒冷、急流、窄河道水體，上游水生生境導致餌料生物匱乏，因此魚類種類及多樣性相對較低[27]. 在中下游，海拔降低，水溫升高，水流較平穩，特征魚類以麥穗魚、大口鲇、似鳊、高體鳑鲏等為主，加上生存空間更廣、浮游動植物數量豐富，為多種魚類提供了重要的索餌、繁殖和越冬場所，從而魚類種類及多樣性相對較高[28-29]. 以往報道均發現，赤水河從上游到下游魚類多樣性逐漸上升，但未呈現顯著差異，這與此次研究結果一致.

3.2 赤水河F-IBI 評價體系的建立和應用

作為河流生態系統的重要組成部分，魚類經過漫長的進化與適應，對不同的棲息環境表現出了不同的適應特征，其物種多樣性和時空分布等指標能在很大程度上反映水體健康程度和人類活動影響[24]，魚類完整性指數已被證實是評價河流健康的有效方法之一.基于魚類生物完整性評價的研究相對較多，研究時間也相對較早，具備成熟的評價指標和體系，因此在河流生態健康評價中應用廣泛，如渭河、贛江、太湖、巢湖、渾太河、蘇州河等[30-35]，葉綠素a、富營養化、物理生境被認為是影響F-IBI 的主要驅動因子. 本研究基于F-IBI 的水生物完整性評價結果顯示，赤水河流域整體呈現健康水平. 目前關于赤水河基于F-IBI的評價報道還十分有限. Yu 等[36]結合魚類空間格局建立了F-IBI 指數評價赤水河水生物完整性，結果顯示桐梓河及習水河流域魚類健康完整性評分較低，與筆者研究結果一致. 本研究基于敏感性個體數%、敏感性魚類物種數%、鮈亞科個體數%、個體總數、Simpson 指數等作為F-IBI 評價的核心指標，鮈亞科等種群的增加反映了耐受種群的增加，敏感性魚類種群的降低反映了不耐受種群的減少，以上核心指標可作為人類活動干擾的良好的預測因素.

大量研究指出，河流魚類群落數量及組成在空間上主要受海拔、氣溫、流速、河道寬度等因素影響，從時間序列來看，主要受人類干擾影響，如梯級水電站建設、水質污染、過度捕撈、航路開發、城鎮擴張等[20-23,28]. 赤水河為長江上游一級支流，全流域共計有小水電站373 座. 本研究中魚類健康完整性評估結果顯示習水河健康狀況較差，習水河在赤水河流域中，水電站建設密度最大，小水電整改之前，每2~3 km 就有1 座水電站，部分電站未落實生態基流要求，這些梯級壩阻斷了魚類的遷徙路線，降低了棲息地的異質性，嚴重影響魚類生存. 研究[28,37-38]發現，梯級水庫數量是魚類健康完整性的主要影響因素，水電站開發會顯著改變徑流量、水位、流速、水質、泥沙和溫度等水動力學條件，對魚類的區系組成變動、資源數量變化、遺傳多樣性變化、遺傳分化及生活史對策等形成不同程度的影響. 從整個長江流域來看，1994 年開始建設三峽大壩后，逐漸有超過600 km 的江段形成水庫，導致44 種特有魚類的棲息地面積縮小約1/4. 三峽大壩的修建，改變了長江上游江段的水溫情勢，水環境由急流變為緩流或靜水. 原來該地區的魚類將被迫遷向上游的流水環境，而適應緩流或靜水的種群數量大幅增加. 然而，也有研究指出，影響長江上游生物完整性的決定因素并非大壩建設，而很可能是過度捕撈等其他形式的人類活動[37-38].

赤水河的前期研究多關注環境變量(如水電站建設、棲息地破壞、過度捕撈等)對赤水河魚類組合結構中的作用. 然而，水體污染同樣是影響魚類數量和結構的另一重要因素. 在工業污染較嚴重的地區，如對巴基斯坦Barandu 河的魚類調查發現，工業排污口區域魚類豐度比上游地區低23%[39]；印度Churni 河的魚類種群調查發現，1980——2018 年期間，BOD、COD、氨、硝酸鹽和磷酸鹽等污染物水平持續升高，同時上游水域的魚類種類從41 種下降到16 種，下游水域的魚類種類從41 種下降到23 種[40]；意大利的Bormida 河在20 世紀90 年代之前曾遭到嚴重的工業污染，90 年代經過系統治理后，隨著水質的變化，1995——2005 年期間，魚類豐度由385.9 升至265[41]；智利的Biobío 河魚類分類和功能多樣性與水體污染呈現顯著相關性[42]. 本研究中魚類健康完整性評估結果顯示，五馬河和習水河流域健康狀況最差，魚類種群以寬鰭鱲、麥穗魚等耐污種為主，20 世紀90 年代，造紙業曾是五馬河流域的經濟支柱產業，數量最多時達到278 家，因生態環境監管問題，造紙作坊產生的廢水直排到五馬河，造成河流水質急劇下降. 2014 年來，經過大力整治，到2020 年，五馬河流域水質雖得到極大提升，然而魚類恢復需要一定周期，尤其是大型魚類(如白甲魚和中華倒刺鲃等)，有研究發現，這兩種魚類近年來較2003 年休漁政策之前有所恢復，但這種恢復并沒有達到統計顯著性[22].

目前，赤水河流域環境污染因子對魚類種類及組成的影響研究，多采用典型相關性(canonical correlation analysis，CCA)或冗余度分析(redundancy analysis，RDA)方法進行分析，環境因子多關注總磷、總氮、COD、BOD 等常規污染物，然而，隨著社會經濟發展和人口增長，新環境風險對魚類種群的影響研究還十分有限. 已有研究[43]報道，赤水河已有12 種抗生素被檢出，濃度最高可達1 166.97 ng/L. 赤水河仁懷流域微塑料豐度為1.77~14.33 個/L，風險評估顯示為二級風險區，相較其他流域，赤水河微塑料污染也處于中上水平[43-44]. 但在流域尺度上，新污染物對魚類數量和結構組成的影響還鮮見報道，新污染物多具有低劑量、高毒性的特點，其對魚類及其他水生生物在群落組成和結構方面產生的長期風險應予以關注.

4 結論

a) 赤水河魚類多樣性、F-IBI 值在空間分布上均呈現從上游到下游逐漸升高的趨勢，水體污染尤其是新污染物對魚類在群落組成和結構方面產生的長期風險應予以關注.

b) 構建包含物種總數、鯉形目個體數%、鮈亞科個體數%、鲌亞科個體數%、鲇形目個體數%、定居型魚類物種數%、敏感性魚類物種數%、敏感性個體數%、個體總數、Simpson 指數10 個指標在內的F-IBI核心指標體系，可以較好地反映赤水河流域水生生態系統健康狀況，可作為赤水河流域水生生態系統健康評價和資源管理的工具.