基于魚類完整性指數的甌江干流(麗水段)水生態系統健康評價*

余根聽 尤愛菊 周鑫妍 胡可可 許開平 滑 磊 唐文嘉

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規劃設計研究院),浙江 杭州 310020)

河流作為生態系統的重要組成部分,能為各種生物的生存、覓食、繁殖等提供必須的活動空間、食物來源及棲息庇護等,是物質循環、能量流動、信息傳遞的重要通道。河流生態系統健康與否,影響著環境、社會和生活的諸多方面。20世紀80年代,歐洲、美國、南非、澳大利亞等國家開展了大規模的河流生態系統保護工作,從水量、水質、棲息地以及水生生物等角度出發,以維持河流生態系統完整性為目的,提出了多種河流生態健康評價方法,包括河流無脊椎動物預測和分類系統(RIVPACS)、河流評估系統(AUSRIVAS)、生物完整性指數(IBI)、澳大利亞溪流狀況指數(ISC)、瑞典岸邊與河道環境細則(RCE)、英國河流棲息地調查方法(RHS)以及快速生物監測協議(RHP)等[1-3]。硅藻和底棲無脊椎動物是用于評估河流生態系統健康的常用生物監測對象[4-7],然而在實際操作中,使用硅藻或無脊椎動物作為生物監測對象存在一定困難,如需要專門的分類學專業知識、采樣分類和識別困難且耗時、物種和群體通常缺乏背景生活史信息等,導致監測結果很難轉化為有價值的評價依據。

魚類具有分布廣泛、鑒定相對容易、生活史長序列、對生存環境存在應激行為、具有群聚效應以及公眾熟知等特點[8],眾多學者相繼開展了大量的魚類生物完整性評價。借鑒以往研究經驗,本研究通過構建魚類完整性指數(F-IBI)體系,對甌江干流(麗水段)水生態系統健康狀況進行評價,以期為甌江干流水生態系統保護與修復提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域主要為甌江干流(麗水段)的龍泉溪(25.23 km)、大溪(96.34 km)。甌江位于浙江省南部,干流全長約384 km,流域面積18 100 km2,是浙江省第二大河流。甌江屬山溪型河流,生態環境多樣,孕育著豐富的水生生物資源,其中魚類資源尤為豐富,為中國溪流性魚類分布的典型代表[9]。根據《甌江水產資源初步調查報告》記載,1964—1972年調查甌江流域有魚類111種,其中甌江干流(麗水段)調查發現81種。隨著經濟社會發展,甌江流域水生態系統發生了較大變化,但后續并未針對整個甌江流域魚類進行系統調查研究,直至2008年后,才陸續有對甌江流域麗水段[10]、溫州段[11]溪流性魚類和甌江河口海域[12]等魚類的調查和研究。

1.2 調查站點設置及樣品采集

1.2.1 站點設置

根據《內陸水域漁業自然資源調查手冊》和《淡水漁業資源調查規范 河流》(SC/T 9429—2019)要求,綜合考慮甌江干流(麗水段)地形地貌、支流匯入以及歷史監測點布設情況等,將研究區劃分為龍泉段、大港頭段、蓮都城區段和海口村段,龍泉段與大港頭段之間的緊水灘水庫、石塘水庫、玉溪水庫不納入本次調查范圍(見圖1)。由于魚類具有較強的活動能力,本次站點的設置以河段為準,不固定于某一特定斷面。

圖1 調查河段分布Fig.1 The distribution of surveyed river section

1.2.2 樣品采集

樣品采集共計4次,主要集中于2019年3月、5月、8月和10月。魚類綜合調查采用現場捕撈法、漁獲物調查法和補充調查法。現場捕撈法根據采樣河段的生境類型和調查種類的習性,選擇相應的網具、釣具或其他捕魚設備,在各河段魚量較多的位置直接捕獲魚類樣本(河流采樣時間控制在60～120 min),新鮮稱重和測量體長后,部分需要進一步鑒定種類的樣品用8%(質量分數)的福爾馬林溶液固定后帶回實驗室鑒定;漁獲物調查法直接從漁民或垂釣者處購買收集其持有的所有漁獲物;補充調查法通過訪問相關部門及人士(當地漁業部門、水產協會、水務部門、當地漁民),獲得該水域魚類的基礎資料。物種鑒定主要參考《中國魚類系統檢索》《中國動物志·硬骨魚綱·鯉形目》《中國動物之·硬骨魚綱·鲇形目》等。

1.3 F-IBI體系構建

1.3.1 候選指標

經過近20多年的研究,國內外眾多學者已基本建立了適合于不同水域的F-IBI指標體系[13-15]。鄭海濤[16]4通過對比了19個不同研究地區F-IBI指標體系的68個指標,發現魚類的種類組成與豐度、營養結構、繁殖共位群、魚類數量與健康狀況、耐受性等對環境變化較為敏感。本研究借鑒以往研究成果,結合2019年甌江干流(麗水段)魚類數據監測情況,優化初選了25個F-IBI候選指標,各指標情況及對河流生態損害的響應詳見表1。

表1 F-IBI候選指標及對河流生態損害的響應Table 1 The candidate indicators of F-IBI and their response to ecological damage

1.3.2 指標篩選原則

指標篩選時依據以下3個原則:(1)分布范圍篩選[16]9。指標計算結果在采樣斷面間差異值(以兩兩比較差異的均值計)小于10%的排除,任一指標在90%以上采樣斷面均為0的排除。(2)判別能力篩選[17]。以甌江干流2010年8月龍泉段、大港頭段、蓮都城區段、海口村段4個監測河段各項指標計算結果作為參照,比較各指標參照值與觀測值間箱體25%～75%分位數范圍的重疊情況并據此賦值(IQ),如2個箱體中位數都在對方箱體內,則IQ=0;如箱體部分重疊,其中一個中位數值在對方箱體之內,另一個在對方箱體之外,則IQ=1;如箱體部分重疊,但中位數值均在對方箱體之外,則IQ=2;如箱體沒有重疊,則IQ=3。保留IQ≥2的指標進一步分析。(3)相關性分析篩選。對余下指標進行Pearson相關性分析,以檢驗候選指標的冗余。當相關系數絕對值>0.9時,2個指標間信息重疊度高,需刪除一個,保留信息量大的指標[18]167。經上述原則篩選后,最終確定構成F-IBI的指標。

1.4 指標賦值與評價標準

以甌江干流2010年8月龍泉段、大港頭段、蓮都城區段、海口村段各項指標計算結果的最大值作為期望值,采用1、3、5賦分法[19],對甌江干流(麗水段)水生態健康狀況進行評價。其中,指標計算值達到期望值75%以上的計5分,不及期望值50%的計1分,位于兩者之間的計3分[18]167。考慮到在評價不同水體時選用的F-IBI體系指標數量可能存在不同引起總分差異,參考文獻[3]對F-IBI的總得分進行標準化處理,計算公式見式(1):

(1)

式中:T為F-IBI總分值;Vi為第i個指標的分值;n為指標數量。

根據計算結果,將F-IBI總分值劃分為6個健康等級,詳見表2。

表2 F-IBI等級劃分Table 2 The classification of F-IBI

2 結果與分析

2.1 甌江干流(麗水段)魚類種類組成

本次調查共采集到魚類樣本3 550尾,隸屬于7目16科69種,其中鯡形目、鮭形目、鰻鱺目均有1種,分別為刀鱭、香魚、日本鰻鱺;鯉形目有2科45種,其中鯉科共計41種,占總種數的59.42%,鰍科共計4種,占總種數的5.80%;鲇形目共計10種,占總種數的14.49%;合鰓目共計1種,占總種數的1.45%;鱸形目共計10種,占總種數的14.49%。從營養結構看,有23種肉食性魚類、40種雜食性魚類、2種植食性魚類、2種濾食性魚類、2種腐屑食性魚類;從繁殖共位群看,有5種產沉性卵魚類、11種產浮性卵魚類、13種產漂流性卵魚類、40種產黏性卵魚類,其中包括10種特殊產卵行為魚類;從棲息水層看,有28種棲息于底層、19種棲息于中下層、22種棲息于中上層;從耐受性看,有36種敏感性魚類、27種耐污性魚類、6種一般性魚類[20-21];從魚類數量及健康狀況來看,共有3種外來物種,包括藍鰓太陽魚(北美引進)、奧利亞羅非魚(喀麥隆、乍得、埃及等引進)、日本鰻鱺(日本引進),2種雜交物種(甌江彩鯉×鯽、鯉×鯽)。

2.2 F-IBI指標的篩選

通過以上方法,計算本次25個F-IBI候選指標的結果,詳見表3。經分布范圍篩選,指標M21在各斷面均為0,需排除;剩余候選指標只有M1、M5、M6、M8、M9、M16、M24、M25的箱體圖滿足判別能力需求(見圖2),因此選擇這8個指標進入下一輪Pearson相關性分析。

表3 甌江干流(麗水段)不同水段F-IBI候選指標計算結果Table 3 The calculation results of F-IBI candidate indicators in monitoring sections of Oujiang River (Lishui section)

圖2 甌江干流(麗水段)F-IBI候選指標參照點與監測點箱體圖Fig.2 The box diagram of reference value and monitored value of F-IBI candidate indicators in Oujiang River (Lishui section)

應用SPSS軟件對上述8個指標進行Pearson相關分析,結果見表4。M1與M16、M16與M24之間相關系數絕對值>0.9,表明彼此之間重疊度較高,故而排除信息量較小的M16,保留信息量較大的M1和M24,最終確定7個指標構成評價甌江干流(麗水段)水生態系統健康狀況的F-IBI體系,各指標期望值及賦分標準詳見表5。

表4 甌江干流(麗水段)8個候選指標之間的Pearson相關系數Table 4 The Pearson correlation coefficient among 8 candidate indicators in Oujiang River (Lishui section)

表5 甌江干流(麗水段)F-IBI指標的期望值及賦分標準Table 5 The expectation value and scoring standard of F-IBI indicators in Oujiang River (Lishui section)

2.3 F-IBI評價結果

7個指標經量化分析后,得到甌江干流(麗水段)F-IBI指標評價結果,具體見表6。龍泉段、蓮都城區段、海口村段F-IBI評價結果處于“極好”水平,大港頭段處于“好”水平。

表6 甌江干流(麗水段)F-IBI指標評價結果Table 6 The evaluation results of F-IBI indicators in Oujiang River (Lishui section)

通過對不同采樣點漁獲物種類分析及群落相似度比較,并綜合考慮河流生境狀況,認為造成4段水域F-IBI存在差異的原因如下:(1)上游龍泉段為溪流性河道,水量較小,適宜小型流水性魚類棲息,物種較為豐富;(2)大港頭為玉溪水庫下游,經過南山工業區塊,受玉溪水庫的蓄泄水及南山工業區開發利用影響,水文情勢及水質波動較大,會對魚類的棲息產生一定負作用;(3)根據《甌江水域生態系統生境保護與構建工程技術及應用研究》(2013年)專題報告,綜合河岸基質、水流類型、水生植被、生境類型、人工護岸、水質污染等6個因素,發現蓮都城區段河流生境質量比大港頭段更好,為魚類提供了良好的棲息條件,故而蓮都城區段F-IBI總分值高于大港頭段;(4)海口村段受開潭電站、五里亭電站、外雄電站及三溪口電站等影響,原有河流相水體正逐漸轉變為湖庫相水體,喜動水魚類群落正逐漸向喜靜水魚類群落轉變,導致現階段魚類豐富度相對較高。

3 結 論

(1) 從魚類的種類組成與豐度、營養結構、繁殖共位群、魚類數量與健康狀況、耐受性等對環境變化較為敏感的項目中初選25個候選指標,根據樣品采集情況計算各指標結果,并以2010年8月甌江干流魚類監測數據為參照值,根據分布范圍篩選、判別能力篩選及相關性分析篩選原則,最終選取M1(總種數)、M5(鱸形目占總種數的比例)、M6(中上層魚類占總種數的比例)、M8(底層魚類占總種數的比例)、M9(Shannon-Wiener多樣性指數)、M24(敏感性魚類占總種數的比例)、M25(耐受性魚類占總種數的比例)7項指標,構建甌江干流(麗水段)F-IBI指標體系。

(2) 根據構建的F-IBI體系,對甌江干流(麗水段)水生態健康狀況進行了評估。結果顯示,龍泉段、蓮都城區段、海口村段水生態健康狀況處于“極好”水平,大港頭段處于“好”水平,魚類物種分布主要受河段位置、流量、沿線工業分布及電站工程建設等影響。