基于魚類完整性指數的嫩江（黑龍江省境內）水生態評價研究

孟昊杰　王正君　李鐵男　張檸　郝旭東

摘要：為探討嫩江（黑龍江省境內）水生態系統健康狀況，對嫩江（黑龍江省境內）進行魚類與底棲動物監測與數據采集，構建魚類完整性指數（F - IBI指數），用RDA分析影響底棲動物群落結構的主要環境因子。結果表明：嫩江（黑龍江省境內）總體處于健康狀態，Pearson相關性結果表明影響嫩江（黑龍江省境內）魚類群落結構的主要環境因子是高猛酸鹽指數，電導率與溶解氧。RDA結果表明COD、pH值、TN、NH3 -N、水溫、Cond是影響底棲動物群落的主要環境因子，結果可為嫩江健康評價和保護提供參考。

關鍵詞：魚類完整性指數；RDA分析；群落結構

中圖分類號：X826 文獻標志碼：B

前言

嫩江是松花江的北源，發源于大興安嶺，在三岔河口匯入松花江。黑龍江省境內嫩江流域面積有10.3萬平方公里，長度1 177. 97公里。

生物完整性指數被廣泛運用于河流健康評價。1981年，Karr在評價河流中最先引入了魚類完整性指數。研究在Karr的基礎上，參考袁立來論文，構建嫩江（黑龍江省境內）的F - IBI體系，評價嫩江（黑龍江省境內）水生態健康狀況，為嫩江（黑龍江省境內）河流健康評價提供參考。

冗余分析（redundancy analysis，RDA）是一種回歸分析結合主成分分析的排序方法，也是多響應變量（multiresponse）回歸分析的拓展。從概念上講，RDA是響應變量矩陣與解釋變量之間多元多重線性回歸的擬合值矩陣的PCA分析。

1 研究過程

1.1 研究區域與監測點位

此次調查為嫩江（黑龍江省境內）黑龍江省內的河段，用全面布局、重點突出、實地采樣結合歷史調查進行站位布設，充分考慮嫩江（黑龍江省境內）地理情況從上至下按適當間距設置采樣斷面。監測斷面布設、監測方法和采集的數據及鑒定精度符合監測方法符合SL 167、HJ 710.8或SC/T 9102.3的規定。共設置16個魚類監測斷面，28個底柄生物監測斷面。見表1。

1.2 魚類與底棲生物數據收集

根據魚類種類組成研究方法，結合嫩江（黑龍江省境內）魚類種類、生活習性及季節分布規律等特點，選擇了以流刺網（捕獲中上層魚類）和地籠（主要捕獲底層魚類）2種網具相結合的方式進行魚類種類組成調查。魚類用福爾馬林溶液固定帶回實驗室鑒定。編制出魚類種類組成名錄。

采集各樣點大型底柄無脊椎動物，對其種類、數量進行鑒定統計。

1.3 水質測定

按照HJ/T 91標準，測量水溫（℃）、pH、溶解氧（DO）、電導率（Cond）、高猛酸鹽指數（IMN）、五日生化需氧量（BODs）、總磷（TN）、總氮（TP）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3 -N）等10個指標。

1.4 數據分析

用香農一維納指數（Shanno - Wiener）（日）、Margalef豐富度指數（dM）、Pielou均勻度指數（J）來分析群落結構。

香農-維納指數（Shanno - Wiener）（H'）．

H=-∑PiInPi 式（1）

Margalef豐富度指數（dM）：

dM=（S-1）/lnN 式（2）

Pielou均勻度指數（J）：

J= -∑lnPi/lnS 式（3）

式（1） -式（3）中，Pi物種i的個體數占個體數的比例，i=1，2…S。S物種數；Ⅳ群落中所有物種的個體數。

1.5 F-IBI指標設置、篩選及構建

結合嫩江（黑龍江省境內）的情況，擬定指標：（1）指標值存在零值過多或者分布范圍過窄，則去除該指標；（2）對剩余指標進行相關性分析，刪除有相關性的指標，保留信息量大的指標。

文章構建了5大類19個初選指標（見表2）。

1.6 參照點、指標賦值及評價標準

根據評價河流所在水生態分區，選取相應的參照點和受損點。參照點為人類干擾強度小，河岸帶土地利用無耕作土壤的棲息地；受損點為具有明顯的人為活動痕跡，河岸帶有耕作或耕作廢棄土壤的棲息地。此次調查采樣斷面選取3、4、6號點作為參考點，將其余調查斷面作為受損點。將各指標實測值從低到高分為三等，分別用1分、3分、5分表示。對F -IBI總分進行標準化處理：F-IBI總分=（各指標總分／指標個數）×12。參考Karr，劃分河流的5個等級：劣態（0 -22），不健康狀態（28- 34），亞健康狀態（40 - 44），健康狀態（48 -52），非常健康狀態（58 -60），評價河流健康狀況。

1.7 群落結構與環境因子關系

選取底柄動物豐度排名靠前的物種，運用canoco軟件進行冗余分析（RDA）分析環境因子對底柄生物群落密度的影響。除pH值外其他環境指標均需經過log10（x+1）變換，實現數據量綱統一。運用spss軟件對環境因子和嫩江（黑龍江省境內）魚類群落密度、生物量、均勻度、豐度和多樣性指數等進行相關性分析。研究用冗余分析（RDA）探討對嫩江（黑龍江省境內）底柄生物豐度與28個采樣點位的水環境因子之間的關系。

2 結果

2.1 魚類與底棲生物數量

嫩江（黑龍江省境內）干流捕撈采集調查到魚類56種，隸屬于7目14科。鯉科魚類種類34種，占到總種類數的60.71%；鰍科5種，占8.93%；鱗科4種，占7. 14%；鲇科和胡瓜魚科分別為2種，占3. 57%；銀魚科、鮨科、鱈科和七鰓鰻科等均為1種，占1.79%。此次調查共采集到底柄動物24目87種，共3 320個。

2.2 F-IBI初選指標的篩選

對19個初選指標進行篩選。對初選后的指標進行相關性分析，結果顯示，其中，M2與M4均存在顯著相關性（P＜0.05），保留信息量較大的M2；另外，M17與M18、M19存在顯著相關，由于M19為“多樣性”，包含信息量較大，因此只保留M13。最終篩選得到6個指標：MI、M2、M7、M9、M11和M19。

2.3 指標賦值

依據保留的6個指標，將各指標實測值進行賦分，并計算F - IBI總分，以2011年嫩江數據為期望值。結果見表3。

2.4 健康評價結果

如表4所示，16個采樣斷面樣點中，“非常健康”采樣斷面有2個，占12. 5%?！敖】怠辈蓸訑嗝嬗?3個，占81. 25%?！皝喗】怠辈蓸訑嗝嬗?個，占6.25%。

按照《黑龍江省健康評價指南》6.3.2和5.4.2的計算方法，魚類指標采取整體評價方法，綜合所有監測斷面調查到的魚類種類，計算得出魚類保有指數和賦分分別為82%、76分。也是處于健康狀態，與文章結果一致。

2.5 環境因子的相關性分析

Pearson相關性分析表明：高猛酸鹽指數與魚類生物量與均勻度呈顯著正相關關系（p＜0.05）。電導率與魚類多樣性指數呈顯著正相關關系（p＜0.05）。溶解氧與魚類生物量呈顯著正相關關系（p＜0.05）。因此嫩江（黑龍江省境內）影響魚類群落結構的主要環境因子是高猛酸鹽指數，電導率與溶解氧。（見表5）

從調查結果來看，大型底柄無脊椎動物的優勢主要有：小劃蝽、紋石蠶屬、秀麗白蝦、多足搖蚊屬等。從結果來看數據共解釋了24%物種與環境因子的相關性，其中化學需氧量，pH值與小劃蝽，紋石蠶屬，蜉蝣屬呈顯著的正相關關系，總磷，氨氮與秀麗白蝦和細蜉屬呈顯著正相關關系，水溫，電導率，總磷、扁蜉屬呈顯著正相關關系?？偟芙庋?，五日生化需氧量，高猛酸鹽指數相關性不大。由此可以看出影響嫩江（黑龍江省境內）底柄生物群落結構的主要環境因子有COD、pH值、TN、NH3 -N、水溫、Cond。（見圖1）

3 討論

3.1 嫩江（黑龍江省境內）魚類與底棲生物分析

通過現場調查數據與1985年歷史數據對比，嫩江（黑龍江省境內）魚類種類減少11種達16%左右。分析原因可能是因為兩次調查的采樣方法及魚類種類鑒定方法有所差異。同時，此次調查并未發現冷水性魚類，上述魚類生活的環境具有含氧量高、水質清澈及水文較低等特點，此次調查未發現說明嫩江（黑龍江省境內）流域水質環境發生變化，部分流域已不適合該種魚類生存。

3.2 嫩江（黑龍江省境內）河流健康F-IBI評價體系的建立和應用

研究結合嫩江（黑龍江省境內）水生態環境及魚類組成，從19個初選指標中最終確定了6個指標：魚類總物種數（M1）、鯉科物種數占比（M2）、底層魚物種數占比（M7）、定居型魚物種數占比（M9）、雜食性魚物種數占比（M11）、魚類多樣性（M19），構成嫩江（黑龍江省境內）河流健康F -IBI評價體系，因采樣時間，地點，方法可能存在差異，得到的結果可能有偏差，在之后可進行其他河流F - IBI評價與文章進行比較。

3.3 魚類與底棲生物群落結構

在平常的研究中，一般運用底柄生物作為評價河流生態的重要指示生物，一個原因是活動能力和范圍都小，另一個重要原因是對環境變換比較敏感。文章用RDA分析2021年環境對嫩江（黑龍江省境內）底柄生物群落密度的影響。因文章只對一個月的環境指標進行了測量，可能存在局限性和偶然性，今后可測量多月的指標進行驗證與比較。

3.4 嫩江（黑龍江省境內）生態環境現狀及保護建議

尼爾基水庫大壩未修建過魚設施，阻隔魚類的洄游，嫩江（黑龍江省境內）干流在1-3、12月份生態流量不能滿足瓦氏雅羅魚、黑斑狗魚、鳡魚、縱帶鮠、青鳉、雷氏七鰓鰻、烏蘇里鮠等嫩江（黑龍江省境內）代表性魚類生態流量需求，具有明顯洄游特性的瓦氏雅羅魚在尼爾基水庫以下未見其蹤跡。大型底柄無脊椎動物空間分布差異較大。嫩江（黑龍江省境內）市下游段至泰來縣段，類群相對完整；其中：杜蒙段、肇源段水體Ⅳ類（嫩江黑吉緩沖區），河段長度206公里，耐污能力極強的類群占比26%，未發現襀翅目、蜉蝣目等反映水體清潔的敏感類群。

4 結論

調查期間在嫩江（黑龍江省境內）共采集到魚類56種，隸屬于7目14科。水生昆蟲53種，軟體動物19種，環節動物7種，甲殼動物8種。魚類主要以鯉科目為主。大型底柄無脊椎動物的優勢主要有：小劃蝽、紋石蠶屬、秀麗白蝦、多足搖蚊屬等。基于魚類完整性指數對嫩江（黑龍江省境內）進行生物學評價。結果表明嫩江（黑龍江省境內）基本處于健康狀態。Pearson相關性結果表明影響嫩江（黑龍江省境內）魚類群落結構的主要環境因子是高猛酸鹽指數，電導率與溶解氧。冗余分析結果顯示，影響底柄生物群落結構的環境因子主要有COD、pH值、TN、NH3 -N、水溫、Cond。嫩江保護任重而道遠。

基金項目：黑龍江省重點研發計劃指導類科研項目（GZ20220138）；黑龍江省生態環境廳科研項目（HST2022GF004）