基于魚類生物完整性指數(shù)的廣東鑒江流域環(huán)境質(zhì)量評估*

郜星晨，章 群，韓博平，薛 丹，宮亞運(yùn)，曹 艷

(暨南大學(xué)水生生物研究中心，廣州510632)

河流生態(tài)系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境以及維護(hù)生物多樣性等功能，但容易受到人類活動(dòng)的干擾和環(huán)境污染的影響.長期以來對生態(tài)環(huán)境的評價(jià)主要依賴于物理、化學(xué)指標(biāo)以及對生物個(gè)體與種群跟蹤監(jiān)測的環(huán)境評價(jià)，但近年來已擴(kuò)展為對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)“健康”狀態(tài)的生態(tài)評估，強(qiáng)調(diào)從生態(tài)系統(tǒng)的角度客觀反映河流的健康狀況［1］.生物完整性(biological integrity)是生物群落自身所具有的維持自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力［2］，包含該群落在一個(gè)地區(qū)的天然棲息地中所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征.因此生物完整性不僅是生物自身生存狀態(tài)的體現(xiàn)，也是對生物生存的環(huán)境質(zhì)量的一種反映.生物完整性指數(shù)(index of biological integrity，IBI)評價(jià)體系是通過對生態(tài)系統(tǒng)中某一類群落的物種組成、多樣性及功能結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，將其與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系比較，然后根據(jù)分類指標(biāo)評出選定區(qū)域的優(yōu)劣［3］.Karr等最早以魚類為研究對象，建立了采用IBI評價(jià)河流健康狀況的方法［2］;此后該方法不斷完善，評價(jià)對象從冷水性溪流擴(kuò)展到暖水性溪流、湖泊、河流、河口、濕地等不同類型的水體［4］，IBI的概念和方法也被廣泛應(yīng)用于大型底棲動(dòng)物、藻類和浮游生物等水生生物類群.由于魚類在水體生態(tài)系統(tǒng)中分布范圍廣、營養(yǎng)等級高、對水質(zhì)變化反應(yīng)靈敏［5］，因此最適合用于評估流域健康狀況.迄今在全球不同地區(qū)和類型的水體都有利用魚類成功構(gòu)建不同類型的生物完整性評價(jià)體系的報(bào)道，如Bozzetti等應(yīng)用魚類完整性評價(jià)巴西南部亞熱帶地區(qū)河流健康狀況［6］，Schmitter-Soto等利用魚類完整性評價(jià)外來物種、富營養(yǎng)化及農(nóng)藥毒害對日本本州河流健康狀況的影響［4］，美國至少有29個(gè)州成功應(yīng)用魚類完整性評價(jià)河流健康狀況［4］.目前國內(nèi)基于IBI評價(jià)研究還處在起步階段，大多以底棲無脊椎動(dòng)物和藻類為研究對象，基于魚類完整性代表性研究僅見于鄭海濤對怒江中上游進(jìn)行的評價(jià)［3］;劉明典等建立了適合長江中上游地區(qū)河流健康評價(jià)的魚類生物完整性指標(biāo)體系［7］;裴雪姣等對遼河流域的健康進(jìn)行評價(jià)分析等［8］.由于各個(gè)地區(qū)魚類區(qū)系和河流自然狀況不同，評價(jià)體系也存在較大差異［9］，因此應(yīng)用于一個(gè)新的評價(jià)區(qū)域時(shí)需要因地制宜.鑒江作為廣東省第三大水系，是當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)及飲用水源的重要河流，同時(shí)還兼顧防旱、發(fā)電等其它多種功能，逐漸成為茂名、湛江兩市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈.由于近年來水庫及城鎮(zhèn)建設(shè)等人為活動(dòng)的干擾和損害，1990s經(jīng)過治理才有所好轉(zhuǎn)，但局部水質(zhì)污染依然嚴(yán)重［10］，其健康狀態(tài)一直備受關(guān)注.但目前鑒江流域生態(tài)環(huán)境健康狀況仍沒有完善的評估方法，周邊地區(qū)也缺乏參考價(jià)值的魚類完整性研究.本研究以鑒江流域魚類為研究對象，旨在建立適合該地區(qū)的IBI評價(jià)指標(biāo)體系，并對該地區(qū)部分河段客觀描述和評價(jià)，以加強(qiáng)河流環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和管理，為鑒江可持續(xù)管理、區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鑒江(21°15'～22°30'N，110°20'～111°20'E)發(fā)源于信宜縣五里大山，全長231 km，集水面積1668 km2，流經(jīng)信宜、高州、化州、茂名、電白、吳川等五縣一市，注入南海.鑒江流域地貌較復(fù)雜，是以丘陵為主，山地、丘陵、平原相結(jié)合的類型.雨量充沛，河網(wǎng)密度大，年平均雨量大多在1600 mm以上，流域多年平均降水量為1820 mm，地區(qū)性差異大，降雨多集中在4 -9月，約占年降雨量的85%左右，流域內(nèi)有大中型水庫11座.鑒江支流眾多，其中集雨面積大于500 km2的有羅江、凌江、大井河、袂花江.

1.2 評價(jià)河流(河段)的選定與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)受人為影響類型和強(qiáng)度的不同，并結(jié)合可操作性和安全性原則［11］，確定鑒江干流、袂花江、羅江、凌江、平定水和小東江6條河段21個(gè)觀測點(diǎn)作為本研究的評價(jià)對象(圖1).2013年4月24日至5月7日和2014年4月26日至5月17日在調(diào)查河流的上、中、下游雇傭當(dāng)?shù)貪O民，選取適合各河段的最高效捕撈工具采集魚類標(biāo)本.平定水和鑒江中下游為非涉水而過河流，采用相同規(guī)格的電魚船于夜間作業(yè)2 h，采樣河段長度不小于2 km;其他4條河流在調(diào)查河段中魚群經(jīng)常出沒區(qū)域(根據(jù)漁民經(jīng)驗(yàn)判斷)設(shè)置網(wǎng)目為15、50 mm兩種類型的粘網(wǎng)和地籠采樣.記錄各觀測點(diǎn)位置、魚類物種數(shù)、個(gè)體數(shù)及魚類體長體重，并通過市場購買和訪問調(diào)查的方式作為魚類種類調(diào)查的補(bǔ)充.調(diào)查中不確定的種類用95%的酒精固定后帶回，參考文獻(xiàn)［12-13］進(jìn)行鑒定.

1.3 評價(jià)指標(biāo)的設(shè)置及設(shè)置原則

初選指標(biāo)設(shè)置遵循全面性和適用性的原則，基于魚類的群落組成、耐污類型、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)及生境質(zhì)量等生物特征，歸類為種類組成和豐度、耐受性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、繁殖共位群、魚類數(shù)量和健康狀況等5個(gè)項(xiàng)目層指標(biāo)［14］，結(jié)合指標(biāo)在野外采樣過程中的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，在其下設(shè)置了對環(huán)境變化較為敏感的26個(gè)初選指標(biāo).本研究只將歷史數(shù)據(jù)中種類大于5種的科或亞科作為分類類群指標(biāo)，以防止指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍過?。?］;敏感型魚類的確定參照文獻(xiàn)［3，13］;單位努力捕撈量所指的是在所調(diào)查河段使用適合該河段的最高效捕撈工具進(jìn)行捕撈時(shí)［8］，由單個(gè)捕撈工具在單位時(shí)間內(nèi)(1 h)的漁獲物個(gè)體數(shù)量，設(shè)多個(gè)觀測點(diǎn)的河段，該河段的單位努力捕撈量為各個(gè)觀測點(diǎn)單位努力捕撈量的平均值［15］.

1.4 參照點(diǎn)的確定

按觀測點(diǎn)受人類活動(dòng)干擾程度大小可分為無干擾樣點(diǎn)、干擾極小樣點(diǎn)和干擾樣點(diǎn)，其中無干擾樣點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn)作為指標(biāo)篩選過程中的參照點(diǎn)［16］.在目前人類活動(dòng)的影響下，不受干擾的河流幾乎不存在［16］，因此本研究盡可能以有歷史數(shù)據(jù)的為參照點(diǎn)，如不能使用歷史數(shù)據(jù)的指標(biāo)，將選擇受干擾較小的河段作為參照點(diǎn)［17］:選取上游無船舶航運(yùn)影響河道中的S4為平定水的參照點(diǎn);水質(zhì)清澈、水生生物豐富的S8為羅江的參照點(diǎn);人類活動(dòng)較少的S21為袂花江的參照點(diǎn).

圖1 廣東鑒江水系及觀測點(diǎn)分布Fig.1 River systems and sampling sites in Jian River，Guangdong Province

1.5 評價(jià)指標(biāo)的設(shè)置及篩選原則

最初Karr等確定的指標(biāo)體系沒有篩選過程，在隨后的研究中，部分學(xué)者開始嘗試多指標(biāo)篩選［3］，本文采用具有代表性的篩選方式，根據(jù)指標(biāo)屬性分類進(jìn)行篩選［3］:種類數(shù)指標(biāo)，取消各觀測點(diǎn)結(jié)果均小于5的指標(biāo);百分比指標(biāo)，取消各觀測點(diǎn)之間的差異小于10%的指標(biāo);取消90%以上觀測點(diǎn)數(shù)值均為0的指標(biāo)［3，18］.然后對候選指標(biāo)依次進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn)、判別能力分析和候選指標(biāo)相關(guān)性分析.分布范圍分析剔除可變動(dòng)范圍比較窄、標(biāo)準(zhǔn)差大即參數(shù)值不穩(wěn)定的候選指標(biāo)［4］.根據(jù)Barbour的評價(jià)方法［17］，判別能力篩選是比較參照點(diǎn)位和觀測點(diǎn)在25%～75%分位數(shù)范圍即箱體IQ(interquartile ranges)的重疊情況.分別賦予不同的值:沒有重疊，IQ=3;各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外，IQ=2;僅1個(gè)中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1;各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0.只有IQ≥2的參數(shù)才能進(jìn)一步分析.Pearson相關(guān)性分析確定指標(biāo)間的信息重疊程度，R＞0時(shí)參數(shù)正相關(guān)，R＜0時(shí)參數(shù)負(fù)相關(guān)，|R|＜0.9時(shí)候選指標(biāo)才能通過篩選.

1.6 賦值標(biāo)準(zhǔn)的確定

期望值是各指標(biāo)期望達(dá)到的最理想狀態(tài)，因此將6條河段各指標(biāo)中最好的歷史數(shù)據(jù)作為期望值，用以制定賦值標(biāo)準(zhǔn).總的種類數(shù)占期望值的百分比和耐受性強(qiáng)魚類物種數(shù)百分比這兩個(gè)指標(biāo)無法使用歷史數(shù)據(jù)作為期望值，以調(diào)查指標(biāo)數(shù)據(jù)中最好的數(shù)據(jù)為期望值.指標(biāo)賦值參照Karr等的方法［11］，將各指標(biāo)分為1、3、5分3個(gè)層次:5分表示調(diào)查所得數(shù)據(jù)與期望值十分接近;3分屬于中等;1分表示與期望值相差大.為消除指標(biāo)數(shù)量造成的IBI總分差異，采用Moyle等的IBI總分計(jì)算方法［19］，即:IBI總分=各指標(biāo)總分/指標(biāo)個(gè)數(shù)×12.依據(jù) Karr等［11］基于魚類完整性劃分河流的 6個(gè)等級:沒有魚(0)、極差(12～22)、差(28～34)、一般(40～44)、好(48～52)、極好(58～60);若某河流的IBI總分介于兩個(gè)評價(jià)等級的分值之間，則該河流的魚類完整性評價(jià)為處于兩個(gè)評價(jià)等級之間的水平.

2 研究結(jié)果

2.1 初選指標(biāo)的應(yīng)用

鑒江魚類主要由鯉形目、鱸形目、鲇形目和合鰓魚目組成.兩次野外采集到共約4348尾魚，共計(jì)6目31科46屬74種，90%以上魚類個(gè)體體長小于15 cm，26個(gè)初選指標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果見表1.

表1 魚類完整性初選指標(biāo)及調(diào)查結(jié)果Tab.1 Candidate indices of fish integrity index and their results

2.2 指數(shù)的篩選

初步篩選表明，M26在各評價(jià)河段的調(diào)查結(jié)果均小于5，M1、M4～M11、M13～M14、M19～M21、M25在各評價(jià)河段間的差異均小于10%，最終確定10個(gè)候選指標(biāo).該10個(gè)候選指標(biāo)分布范圍適中，均通過了分布范圍的篩選.判別能力分析M2、M3、M12、M17、M22、M24 在觀測點(diǎn)和參照點(diǎn)具有顯著差異，對人為活動(dòng)干擾表現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢進(jìn)入下一輪分析(圖2).M3與M22相關(guān)性顯著，其余|R|值均小于0.9(表2)，考慮到鯉科魚類物種數(shù)百分比在IBI研究中的應(yīng)用更為廣泛［15］，最終確定了鑒江流域 M2、M3、M12、M17、M24 共 5 個(gè)基本的、易于量化的指標(biāo)用以建立IBI指標(biāo)體系.

表2 6個(gè)候選生物參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果Tab.2 The correlation of Pearson on matrix of six candidate metrics

2.3 綜合評價(jià)結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)的調(diào)查結(jié)果和評分標(biāo)準(zhǔn)見表3，6條評價(jià)河段的魚類完整性分值見表4.結(jié)果表明:凌江魚類完整性為好，多數(shù)指標(biāo)均與期望值接近，反映該河流受人為干擾較少;鑒江干流一般，耐受性差的種類喪失、數(shù)量下降，耐受力強(qiáng)的種類頻度增加使?fàn)I養(yǎng)結(jié)構(gòu)偏斜，表明環(huán)境惡化的訊號(hào);小東江為極差，魚類資源量下降、生長和體質(zhì)等指標(biāo)下降，種類減少，漁獲物個(gè)體小型化，耐受性強(qiáng)的雜食性種類增多，可見小東江魚類資源惡化，河流受污染和破壞比較嚴(yán)重.

圖2 10個(gè)候選參數(shù)在參照點(diǎn)和觀測點(diǎn)的箱線圖Fig.2 Box plots of 10 candidate metrics between reference sites and observed sites

3 討論

3.1 評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度

評價(jià)結(jié)果表明，凌江魚類完整性好，羅江一般，平定水、袂花江和鑒江干流差，小東江極差，鑒江大部分河段介于“差”至“一般”之間，屬于受干擾較多的河流.小東江由于茂名煉油廠、化工廠等排放大量工業(yè)污水以及市區(qū)人口激增和飲食業(yè)活躍帶來的大量生活污水，河段污染嚴(yán)重［10］.鑒江干流兩岸是經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，捕撈強(qiáng)度過大，水利樞紐建設(shè)也對河流環(huán)境產(chǎn)生極大影響.鑒江流域茂名市轄區(qū)內(nèi)有2座大型水庫，即高州水庫和羅坑水庫，對下游的河道、生態(tài)及地下水補(bǔ)給都會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響;袂花江靠近小東江，面臨無序挖沙牧墾、工農(nóng)業(yè)及生活污染等問題;羅江、平定水相對偏遠(yuǎn)，經(jīng)濟(jì)落后，受污染較小，對生活污染有一定自凈化能力.根據(jù)劉家富對鑒江流域水質(zhì)的監(jiān)測報(bào)道［20］和本課題組調(diào)查結(jié)果顯示，鑒江上游水質(zhì)保持良好，為Ⅰ～Ⅱ類;干流及中下游河段尤其是高州城區(qū)、化州城區(qū)段水質(zhì)下降嚴(yán)重，支流羅江的斷面未達(dá)Ⅱ類目標(biāo)水質(zhì)，小東江的鎮(zhèn)盛、石碧斷面水質(zhì)均為超Ⅴ類;這與生物完整性評價(jià)結(jié)果基本一致，說明針對鑒江流域構(gòu)建的魚類完整性評價(jià)體系與傳統(tǒng)理化指標(biāo)檢測具有很好的一致性，較為客觀地反映了河流健康狀況，對鑒江流域及周邊地區(qū)開展河流健康評估研究有一定參考價(jià)值.

表3 魚類完整性指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)及對干擾的響應(yīng)Tab.3 Scoring criteria of fish integrity index and response to disturbance

表4 魚類完整性的評分Tab.4 Scores of fish integrity

3.2 參照點(diǎn)的選擇

參照點(diǎn)的選取對IBI體系的構(gòu)建起著導(dǎo)向性和決定性作用，目前參照點(diǎn)的定義及其設(shè)定方法尚存在較大爭議，參照點(diǎn)的選取原則是利用歷史數(shù)據(jù)，或者選擇無人類干擾的河流原始河段作為參照點(diǎn)［21］.研究中選取附近無農(nóng)田分布、水質(zhì)清澈、水生物豐富、船舶較少的觀測點(diǎn)為參照點(diǎn)，雖然綜合考慮了河段歷史數(shù)據(jù)、水體的理化指標(biāo)、周邊土地利用、漁業(yè)捕撈壓力等信息，但選定的參照點(diǎn)是現(xiàn)有觀測點(diǎn)中相對清潔的，并非客觀狀況，可能導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果與河流實(shí)際健康狀況存在差異.因此使用IBI評價(jià)時(shí)，為使評價(jià)結(jié)果更接近真實(shí)狀態(tài)，應(yīng)盡量使用歷史記錄，此外歷史數(shù)據(jù)還是指標(biāo)設(shè)置和初步篩選重要依據(jù).陳橋等認(rèn)為這樣的參照點(diǎn)選擇方式對于制定區(qū)域分階段污染控制或者生態(tài)恢復(fù)有一定的參考價(jià)值［21］，可以通過設(shè)定不同程度的參考狀態(tài)來定義不同恢復(fù)目標(biāo)前提下的健康狀況.因此本文從生態(tài)環(huán)境逐步改善的環(huán)境考核機(jī)制的角度，促進(jìn)了水生生物完整性評價(jià)河流健康在較大尺度上的推廣與應(yīng)用.

3.3 IBI的選取與篩選

自Karr等首次提出12項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)以來［2］，由于地域差異和生態(tài)系統(tǒng)類型不同已經(jīng)發(fā)展為多種形式.IBI評價(jià)法在應(yīng)用時(shí)要盡量保證初選指標(biāo)設(shè)置的全面性，以防止遺漏能夠體現(xiàn)群落變化的關(guān)鍵指標(biāo).本文根據(jù)鑒江的情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)各指標(biāo)的采用率、功能特征分析及調(diào)查結(jié)果在河段間的差異，最終選出具有較高關(guān)注度、對環(huán)境敏感的26個(gè)指標(biāo).指標(biāo)篩選方法尚未形成統(tǒng)一，如劉愷等根據(jù)指標(biāo)屬性分類篩選適合廣西河池地區(qū)的IBI評價(jià)體系［15］，蘇玉等研究滇池流域河流時(shí)采用Barbour評價(jià)方法對候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性分析［22］.本文結(jié)合兩種方法對候選指標(biāo)依次進(jìn)行屬性分類篩選和Barbour評價(jià)方法以篩選鑒江河流健康主評指標(biāo)［23］，評價(jià)指標(biāo)由26個(gè)精簡到5個(gè)，確保反映的信息彼此相對獨(dú)立，評價(jià)指標(biāo)對外界干擾足夠敏感，進(jìn)而準(zhǔn)確直觀地反映生物完整性的變化.雖然屬性分類篩選和Barbour評價(jià)方法分別從不同側(cè)面對生態(tài)系統(tǒng)健康和功能進(jìn)行評價(jià)，但兩者在理論和方法上相似，把兩者結(jié)合起來用于指標(biāo)篩選評是非常必要和可行的.

3.4 IBI評價(jià)法的展望

魚類作為生物學(xué)評估監(jiān)測的理想工具有其不可替代的優(yōu)勢:生活史長，生活范圍廣泛，受物理、化學(xué)及生物條件長期的影響［24］;個(gè)體相對較大，容易為人們識(shí)別，作為評估要素比較直觀;分類系統(tǒng)完善，生活史、地理分布、環(huán)境耐受習(xí)性等方面的文獻(xiàn)積累豐富，易于分析和解釋.本文從魚類角度客觀評價(jià)鑒江流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)況，采用一個(gè)相對系統(tǒng)的篩選方法，構(gòu)建了適合該地區(qū)的魚類生物完整性評價(jià)體系，評價(jià)結(jié)果表明大多數(shù)河段的生物完整性等級均為差和極差，需采取一定措施對其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)以期恢復(fù)到相對健康的狀態(tài).為了進(jìn)一步對鑒江流域環(huán)境進(jìn)行評價(jià)和監(jiān)測，促進(jìn)魚類生物完整性評價(jià)河流健康的推廣與應(yīng)用，還應(yīng)增加不同季節(jié)、不同年度采樣調(diào)查的次數(shù)，從而進(jìn)行更加準(zhǔn)確的季節(jié)性和年度連續(xù)變化的研究，同時(shí)應(yīng)深入研究生物完整性與環(huán)境因子之間的關(guān)系，以完善生物完整性評價(jià)體系.

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