基于魚類完整性指數評價倭肯河流域健康狀況

金洪宇，李雷，張澤鵬，馬波

（1.國家農業科學漁業資源環境撫遠觀測試驗站，黑龍江 哈爾濱 150070；2.農業農村部黑龍江流域漁業資源環境科學觀測實驗站，黑龍江 哈爾濱 150070；3.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070；4.中國水產科學研究院營口增殖實驗站，遼寧 營口 115000）

生物完整性是生物集合群落所需的一種穩定能力，具體是指與自身生境區域相適應的生物群落具有維持自身平衡、保持結構完整和適應環境變化的能力[1,2]。魚類作為水生態系統的重要組成部分，具有生命周期較長、活動范圍廣等特點，能準確反映長時間序列下大尺度范圍內生態系統的環境變化特征[3-5]。1981 年，Karr[6]將“完善的生物群落結構是構建良好生態環境的必要條件”作為中心思想，提出了生物完整性指數（index of biotic integrity，IBI）概念，并將魚類作為指示生物，評價了美國中西部河流健康狀況。目前，世界各地對IBI 評價方法不斷探究、完善，在底棲生物[7]、藻類[8]及水生植物[9]等不同生物類群中得到了廣泛應用。我國專家學者們也利用F-IBI 評價方法評估了長江[10,11]、黃河[12]及太湖[13]等流域的健康狀況。研究發現，由于自然狀況及周邊人類活動干擾的差異性，F-IBI 評價方法并不適用于所有類型的水域。本研究依據倭肯河流域內生物群落組成及自然環境特點，構建了其獨有的IBI 體系，以解決IBI 體系在不同類型水域中適用性的難題。

倭肯河屬于松花江右岸的一級支流，全長450.0 km，流經七臺河市、勃利縣、樺南縣、依蘭縣等市縣，流經區域為北方高緯度寒冷地區，屬于寒溫帶大陸性濕潤季風氣候區，夏季燠熱多雨、冬季寒冷干燥[14]。近年來，隨著人類生產活動的日益加劇，生活污水和工農業廢水的不合理排放，導致倭肯河流域生態環境逐漸惡化[15]。本研究于2021 年調查了倭肯河流域魚類資源現狀，構建了魚類生物完整性指數評價體系，評價了河流健康狀況，為豐富北方寒冷地區河流生物完整性指數評價體系的研究，為制定倭肯河流域漁業資源保護及水域生態環境修復措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域及調查站位

研究區域為北緯45°46'49"～46°23'41"，東經129°34'32"～131°30'51"。參照《內陸水域漁業自然資源調查手冊》[16]，依據倭肯河的地形地貌及水文狀況，設10 個調查位點，包括上游江段：龍慶（S1）、半拉山（S2）、桃山湖上（S3）、桃山湖下（S4）；中游江段：大山頭（S5）、小八浪村（S6）、先鋒村（S7）；下游江段：團山子（S8）、孫家亮子（S9）、依蘭縣（S10）（圖1）。

圖1 倭肯河調查采樣站位分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Woken River

1.2 樣品采集及種類鑒定

2021 年5 月、10 月，根據倭肯河流域魚類的種類、生活習性及季節分布規律等特點，采用三層流刺網（中上層魚類）和地籠（底層魚類）相結合的采捕方法調查了魚類種類和數量。每個采樣點設置4 組三層刺網（長50.0 m，高1.0 m，網目1.0～4.0 cm）和2 個地籠（20.0 m，網目5 mm，30.0 cm×30.0 cm），白天采樣12 h。根據《東北地區淡水魚類》[17]、《黑龍江省魚類》[18]及《黑龍江流域（中國）魚類識別手冊》[19]等，分類鑒定各位點的魚類，統計漁獲物。測量全部采樣魚類的體長（1 mm）、體質量（0.1 g）。現場未能鑒別的魚類，用福爾馬林溶液保存，到實驗室后鑒定物種。

1.3 魚類生物多樣性評價

本研究采用相對重要指數（Index of relative importance，IRI）評價倭肯河流域魚類優勢種組成；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）評價魚類多樣性。具體計算公式如下：

式中，N 為數量百分比，W 為重量百分比，F 為出現頻率。IRI＞100 的物種為優勢種。S 為魚類種類數，T 為魚類總尾數，Pi=ni/T 為采樣點中第i 種魚的尾數占采樣點魚類總尾數的比例。

1.4 魚類完整性評價

1.4.1 參考點選取

在進行生物完整性研究中，通常將流域內生物、理化環境較好及未受人為活動干擾的采樣點作為參考點，或者將河流的歷史調查結果作為參考點。但本研究缺少倭肯河流域的歷史調查數據，選取受人為干擾較少的S1、S4 及S9 采樣點作為參考點。

1.4.2 參數指標及篩選原則

依據倭肯河流域特有的魚類組成及生態系統特征，并綜合國內外最新的相關研究[20-22]，將魚類組成和豐度、營養結構、耐受性、繁殖共位群及魚類數量與健康狀況等5 大類31 個參數指標用于構建倭肯河流域的魚類完整性指數評價體系（表1）。

表1 魚類完整性候選指標列表Tab.1 List of the index of biotic integrity candidate metrics in fish

倭肯河流域魚類完整性指數參數指標篩選：（1）分布范圍篩選：統計各采樣位點的種類數指標，若小于3，則刪除該指標；統計各采樣位點的百分比指標，若均小于10%，則刪除該指標；各觀測點的任意指標結果，若90%以上為0，則刪除該指標。（2）箱體判別分析：運用箱體圖，對觀測點與受損點不同指標的25%～75%分位數范圍進行判讀，將不存在重疊顯現或各自中位數未在對方箱體之內的部分重疊現象的指標進行保留。（3）相關性分析篩選：分析通過判別分析篩選保留后的指標的相關性，剔除其余高度相關的指標（|R|＞0.9），僅保留對結果反映最為明顯的指標。

1.4.3 指標賦值及評價標準

本研究采用比值法統一指標量綱[23]，受外界干擾影響下降的參數指標，其最佳期望值為5%分位數，參數分值等于實際值/最佳期望值；反之，其最佳期望值為95%分位數，參數分值等于（最大值-實際值）/（最大值-最佳期望值）。計算結果大于1的參數分值，計為1。

根據F-IBI 的計算結果，將F-IBI 值大于等于參考點25%分位數的采樣位點，設為“健康”狀態。同時，按照四分法進行“亞健康”、“一般”、“差”、“極差”的等級劃分。

1.5 數據分析

數據使用EXCEL2016、R 進行統計分析，圖片使用Adobe Photoshop CS6 進行處理。

2 結果與分析

2.1 魚類種類組成

本次調查共采集魚類1 637 尾，總重量31.1 kg，4 目6 科20 屬28 種（表2）。其中，鯉形目有2科15 屬22 種，種類數最多；其次為鲇形目，有2 科3 屬4 種；鮭形目和鱸形目種類最少，僅有1 科1 屬1 種。漁獲物統計結果表明，數量最多的為鯽，占總數的28.59%，其次為（Hemiculter leucisculus）和麥穗魚，而湖（Rhynchocypris percnurus）和北方花鰍（Cobitis granoei Rendahl）數量最少，僅為0.06%；同時，鯽的重量占比最大，為34.36%，其次為鯉（Cyprinus carpio haematopterus）和鲇，而北方花鰍重量占比最少，僅為0.01%。

表2 倭肯河流域魚類名錄及分布表Tab.2 The list and distribution of fishes in the Woken River

鯽分布范圍最廣，在10 個采樣點中均出現，其次為黑龍江鳑鲏（Rhodeus sericeus）在8 個采樣點中出現，、麥穗魚和犬首（Gobio gobio cynocephalus），均在7 個采樣點中出現。分布較廣的魚類還有鲇、興凱（Hmiculter lucidus）、黑龍江花鰍（Cobitis lutheri）等。而湖、大鰭（Acheilognathus macropterus）、高體（Gobio soldatovi）、克氏鳈（Sarcocheilichthysczerski）i、馬口魚（Opsariichthys bidens）、平口（Ladislavia taczanowskii）、北方花鰍、北方泥鰍（Misgurnus bipartitus）和烏蘇里擬鲿（Pseudobagrus ussuriensis）等僅在1 個采樣點發現，屬于倭肯河流域中的少見種（表2）。

2.2 魚類多樣性

統計結果表明，倭肯河流域IRI 大于100 的魚類有9 種，分別為鯽、鲇、、鯉、麥穗魚、犬首、興凱、黑龍江鳑鲏及葛氏鱸塘鱧。其中，鯽的IRI 值最大，為5 674.24；IRI 介于1 000 與2 000 之間的魚類有麥穗魚；IRI 介于200 與500 之間的魚類有鲇、、鯉、犬首、興凱及黑龍江鳑鲏；其余優勢魚類IRI 均介于200 與100 之間（圖2）。多樣性指數分析發現，倭肯河流域的魚類上游江段采樣點的魚類物種數、Shannon-Wiener 多樣性指數及Pielou 豐富度指數多高于中、下游江段;Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou 豐富度指數與物種數呈明顯的正相關關系（r＞0，P＜0.05）（圖3）。

圖2 倭肯河優勢魚類尾數、重量占比統計圖Fig.2 The proportion of amount and weight of dominant fishes in the Woken River

圖3 倭肯河流域魚類多樣性指數Fig.3 Diversity index of fish in the Woken River

2.3 魚類完整性評價

2.3.1 生物參數指標篩選

根據上述參考點及受損點選取標準，將S1、S4及S9 選為參考點，S2、S3、S5、S6、S7、S8 及S10 作為受損點，候選參數在參考點的分布情況見表3。參照篩選標準對31 個指標進行初步篩選，將M5、M6、M7、M8、M9、M11、M12、M13、M17、M20、M22、M26 及M27 從初選指標中剔除，選取其余指標進行判別能力分析。

2.3.2 判別能力分析

對初步篩選的18 個指標進行箱體判別能力分析，其中等M1、M2、M3、M4、M14、M15、M16、M25 及M29 等9 個候選指標的IQ 值＞2（圖4），可用于進行后續分析。

圖4 9 個候選參數參考點與受損點的箱體圖判別Fig.4 Box-plots of nine accepted candidate metrics between reference and disturbed sites

2.3.3 相關性分析

判別能力篩選后的9 個參數的Pearson 相關分析表明（圖5），候選參數M1、M2 及M16 之間具有顯著相關，M1 為魚類總物種數，M2 為豐富度指數，M16 為肉食性魚類種類數百分比，M2 所包含的信息量更多，因此只保留M2。候選參數M15 和M29間具有顯著相關，M15 為雜食性魚類數量百分比，M29 為特殊產卵方式魚類數量百分比。M14 與M15包含的信息重疊，因此保留信息量較大的M29。最終選取M2、M3、M4、M14、M25 及M29 作為生物參數指標評價倭肯河健康狀況。

圖5 9 個候選參數相關性分析Fig.5 Pearson correlation coefficient matrix for nine candidate metrics

2.3.4 健康分級構建及評價

通過對31 個候選參數進行篩選，最終確定M2、M3、M4、M14、M25 及M29 共6 個參數構建倭肯河魚類生物完整性指數（F-IBI）。其參數計算公式見表4。

表4 倭肯河魚類生物完整性指數參數賦分計算公式Tab.4 Formula for calculation of metrics scores using the ratio method in the Woken River

按照參考點F-IBI 的計算結果，將參考點的25%分位數作為界線劃分，F-IBI 值大于或等于25%分位數值為健康（F-IBI≥3.45），將25%分位數以下的數值按4 分法分級，分別代表亞健康（3.45＞F-IBI≥2.59）、一般（2.59＞F-IBI≥1.73）、差（1.73＞F-IBI≥0.86）和極差（F-IBI＜0.86）。

參照評價等級對倭肯河河流健康狀況的評價結果顯示（表5），1、2、3 和4 號點河段河流健康狀況為“健康”，6、7 和9 號點河段河流健康狀況為“亞健康”，5 號和10 號點河段河流健康狀況為“一般”，8 號點河段河流健康狀況為“差”。整體來看倭肯河河流健康狀況處于健康-亞健康狀態。

表5 倭肯河F-IBI 評價結果Tab.5 Results of F-IBI evaluation in the Woken River

3 討論

3.1 倭肯河F-IBI 評價體系的建立與應用

參考點的選取是構建F-IBI 評價體系的關鍵。目前，大多數研究選取歷史調查數據或者受人類活動干擾較小的原始河段作為參考點，但尚未達成明確、統一的標準[24]。查閱資料發現，倭肯河流域漁業資源數據存在空白，本研究為歷史上首次對其進行系統調查，因此選取環境良好、人為干擾較小的S1、S4 及S9 江段作為參考點，構建倭肯河流域F-IBI評價體系。該方法也應用于拒馬河[25]、灤河[26]等河流健康評價的研究。設置F-IBI 評價體系候選指標時，需全面分析河流的整體情況，避免遺漏能夠體現河流健康程度的關鍵性指標。Karr[6]首次采用12項候選指標構建評價體系，但不同類型河流的地域環境、生態系統存在差異性，候選指標的類型選擇逐漸多元化。鄭海濤[27]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。本研究結合倭肯河流域水生態環境現狀及其魚類結構特征，設置5 大類31 個候選指標，用于構建倭肯河流域F-IBI 評價體系。

目前評價指標的篩選方法主要有兩種，一種是根據指標屬性分類篩選適合的IBI 評價體系，另一種是對候選指標進行分布范圍、判別能力和Pearson相關性分析。本研究根據判別能力分析及相關性分析結果可知，豐富度指數（M2）、Shannon-Wiener 多樣性指數（M3）、均勻度指數（M4）、雜食性魚類種類數百分比（M14）、產粘性卵魚類數量百分比（M25）及特殊產卵方式魚類數量百分比（M29）對F-IBI 評價結果有較大影響，用于構建倭肯河流域F-IBI 評價體系。魚類生物多樣性是衡量群落結構和水體功能的重要指標，豐富度指數、Shannon-Wiener 多樣性指數及均勻度指數涉及了生物量、物種數、豐度等參數，能夠較好地反映流域健康狀況，在構建F-IBI 體系中有較高的應用價值[28,29]。鯽、鲇、鯉、黑龍江鳑鲏等鯉科魚類及沙塘鱧科的葛氏鱸塘鱧等底層魚類，均為倭肯河流域的重要組成魚類，且在調查過程中發現，流域內雜食性魚類種類數占總種類數的75%，遠高于肉食性魚類及植食性魚類。因此，基于這6 個指標構建的倭肯河水域F-IBI 評價體系具有可靠性。

3.2 魚類生物多樣性變化

魚類生物多樣性是水體健康程度的直觀表達形式之一，與其生存的水體環境存在緊密關系，并與可利用的生態位及生態環境優劣呈正向關系[30]。Shannon-Wiener 多樣性指數以群落內物種數量的變化作為依據，直觀反映群落結構的穩定性。Magurran 等提出其范圍一般為1.5～3.5[31]。本研究發現，倭肯河流域魚類群落的Shannon-Wiener 多樣性指數范圍為1.45～3.00，多數江段處于合理范圍之內，說明流域內的魚類群落能夠維持結構穩定。調查發現，倭肯河流域Shannon-Wiener 多樣性指數最高的為處于上游的S1 江段，而處于下游的S8、S10江段Shannon-Wiener 多樣性指數較其他位點低。總體來說，上游江段的Margalef 豐富度指數、Shannon-Wiener 多樣性指數及Pielou 均勻度指數水平比中下游江段高。Margalef 豐富度指數和Pielou 均勻度指數作為反映群落結構穩定性的重要量化指標，兩者與群落結構的復雜度和穩定性呈正相關[32]，說明倭肯河上游江段的魚類群落結構更為合理，自我調節的生物學功能更加優異。而處于桃山水庫下的中下游江段，受水庫生活、農業供水的影響，部分江段范圍狹窄，容易出現斷流現象，魚類可利用的生態位及生境縮小，使其生物多樣性指數下降。其次，生物多樣性與餌料生物豐度顯著相關，而倭肯河流域中下流江段易出現斷流現象，餌料生物豐度遠低于上流江段，使流域內魚類的攝食、生長及繁衍受限制[15]。

3.3 倭肯河流域生態環境現狀分析

F-IBI 評價結果表明，倭肯河流域整體健康狀況處于健康-亞健康水平，流域內部分江段的魚類群落承受著嚴重的環境壓力，與王天亮[15]、曾雯禹[33]等的研究結果相似。研究發現，倭肯河流經七臺河市、樺南縣、依蘭縣及勃利縣等市縣，但大多數市縣存在排水體系不夠完善、污水處理設備滯后、污水管網覆蓋率低、雨污分流不健全等現象，致使工業、畜牧業及生活廢水被排入河流中，導致倭肯河流域水體污染，河流生境被破壞[33]。倭肯河流域中、下游以農業生產為主，流域內農作物種植業每年化肥施用量大，其所處區域為溫帶大陸性濕潤季風氣候，豐水期的降雨量占到全年的70%，使流域內每年農業、畜牧業產生的大量污染物隨雨水流入河中，破壞了魚類生境[34]。桃山水庫為七臺河市的水源地，承載著整個城鎮的生活用水的重任。桃山水庫也為周邊城鎮提供農業用水，而倭肯河流域勃利段、依蘭段的農業類型大部分為水田，每年農耕時期用水量的迅速增加，導致水庫壩下河段的生態用水需求得不到保障，河流多處出現河心灘地和斷面過窄導致斷流，魚類的生存環境遭到破壞[26、35]。近年來，倭肯河流域桃山水庫等江段旅游業發展迅速，已建造了桃山湖國家濕地公園等旅游景點，造成該江段渠化，破壞了產粘性魚卵魚類的生境。綜上所述，污水排放、農業面源污染及水電工程建設等人類活動是造成倭肯河流域部分江段的健康狀況評價等級較低的主要原因，其評價結果與人類活動干擾的實際情況相符合。

3.4 結論

（1）調查發現，倭肯河上游江段的Shannon-Wiener 多樣性指數高于中下游江段。該結果與完整性指數評價結果一致。

（2）魚類完整性指數評價結果顯示，倭肯河流域整體處于健康-亞健康狀態。在10 個采樣位點中，“健康”狀態的位點，為40%；“亞健康”狀態的位點，為30%；“一般”狀態的位點，為20%；“差”狀態的位點，為10%。上游江段河流健康狀態明顯優于中、下游江段。

（3）根據研究結果及流域現狀，提出以下生態修復和保護倭肯河流域的建議：（1）加強對倭肯河流域周邊城鎮污水排放的管理，對未建設污水廠的地區，監督其建設污水處理設施后進行排放，并定期檢測排放污水，判斷是否滿足處理要求，使流域的生態環境恢復健康。倭肯河中、下游農田面積大，每年作業殘留的農藥、化肥經地表排入水體，需加強農業作業中影響水體水質農藥、化肥的管理，禁止超標使用，完善相關條例規定。

（4）合理制定倭肯河流域上游桃山水庫等農業灌溉期間的水量分配方案，保證灌溉期河流的縱向連通性和環境流量，滿足敏感性魚類生存需求，避免魚類產卵場所在江段出現斷流。