漓江上游基于魚類生物完整性指數(shù)的河流健康評價體系構建與應用

朱　　召　　軍　，吳　　志　　強　，黃　　亮　　亮　，師　　瑞　　丹，胡　　祎　　祥，黃　　　健　

（1.桂林理工大學a.環(huán)境科學與工程學院；b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室；c.巖溶區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004；2.廣西大學，南寧 530004）

漓江上游基于魚類生物完整性指數(shù)的河流健康評價體系構建與應用

朱召軍1a，1b，吳志強1a，1c，2，黃亮亮1a，1c，師瑞丹1a，1b，胡祎祥1a，1b，黃健1a，1b

（1.桂林理工大學a.環(huán)境科學與工程學院；b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室；c.巖溶區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004；2.廣西大學，南寧 530004）

2013年4月—2014年1月分季度對漓江上游22個采樣點采集魚類數(shù)據(jù)，建立基于魚類生物完整性指數(shù)（IBI）的河流健康評價體系。本研究共采集魚類9 508尾，共計72種，隸屬于4目15科51屬，且漓江上游魚類群落結構的季節(jié)性差異不顯著（P＞0.05），因此，采用夏季魚類數(shù)據(jù)來評價漓江上游河流的健康。將22個候選指標經(jīng)過分布范圍、判別能力及相關性篩選之后，最終確定漓江上游魚類IBI指標體系：即魚類總物種數(shù)（M1）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（M7）、中下層魚類占總類數(shù)的比例（M11）、肉食性魚類數(shù)量比例（M14）、耐受性魚類占總類數(shù)的比例（M22）5個參數(shù)指標。采用1、3、5賦值法計算各采樣點IBI值，并將河流健康等級劃分為：健康（IBI＞40）、一般（IBI=27～40）、較差（IBI=13～27）、極差（IBI＜13）和無魚5個等級。結果顯示，在漓江上游22個采樣點中，10個采樣點為健康，8個采樣點為一般，4個采樣點為較差；小溶江、川江、六洞河大部分河段處于健康或一般，黃柏江為較差。Pearson相關性分析結果顯示：IBI值與溶解氧含量呈顯著正相關。

魚類；生物完整性指數(shù)（IBI）；河流健康；漓江

0 引 言

生物完整性指數(shù)（index of biologic integrity，IBI）是以某種生物群落為對象，以其種類組成、多樣性和結構功能等對環(huán)境改變產(chǎn)生的反應為指標評價該區(qū)域的健康狀況［1］。生物完整性指數(shù)最初由Karr在1981年提出，并且是首次以魚類為指示物種進行河流健康評價［2］。此后，IBI在美國、加拿大、巴西、墨西哥，特別在歐洲得到廣泛應用，其指示物種的選取也擴展到底棲無脊椎動物、著生藻類等［3-7］。而魚類作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要一員，具有其他水生生物無法比擬的作用，如作為食材、觀賞等，并且其對生境變化的敏感性及直接的指示作用，使其成為河流健康評價的主要指示生物［8］。

生物完整性作為水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的重要方法之一，改變了前人單純利用物理、化學指標評價河流水質(zhì)健康狀況的局限性，越來越受到國內(nèi)外學者的高度關注［4，9-10］。目前，國內(nèi)應用生物完整性評價河流健康的相關研究正處于起步階段，大多數(shù)以底棲無脊椎動物和浮游生物為指標生物［1，11］。本研究以漓江上游魚類為研究對象，初步構建漓江上游基于魚類的IBI評價河流健康指標體系。通過野外調(diào)查獲得數(shù)據(jù)，并將其用于該地區(qū)的河流健康評價，為漓江上游地區(qū)河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價和管理提供基礎數(shù)據(jù)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)域

漓江發(fā)源于桂林市興安縣越城嶺主峰貓兒山（海拔2 141.5 m），由北向南流，干流依次流經(jīng)興安、靈川、桂林、陽朔，最后在平樂與荔浦河、恭城河匯流后稱為桂江。發(fā)源地河段名為集水河，在升坪村與華江匯合后稱為六洞河，在司門前村納川江和黃柏江后稱大溶江，至溶江鎮(zhèn)東納古運河靈渠，西受小溶江后始稱漓江，全長214 km，流域面積6 050 km2。其中，貓兒山至桂林市區(qū)為上游（98 km），桂林市區(qū)至陽朔縣為中游（86 km），陽朔縣至平樂縣為下游（30 km）。由于東南季風的影響，漓江流域上游降雨量年內(nèi)分布極不平均，地勢陡漲陡落，屬于典型的雨源型河流。

漓江上游區(qū)域（110°17′24E—110°35′42E，25° 16′32N—26°02′42N）位于桂林市北部三縣（靈川縣、資源縣和興安縣），屬亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量充沛，多年平均氣溫為16.5～20.2℃，水質(zhì)清澈呈微酸性，河流底質(zhì)以卵石為主。研究區(qū)域內(nèi)的漓江上游大部分屬于溪流，水流湍急，水力坡降大（31.7‰），兩岸植被類型復雜，多為針葉林、闊葉林及竹林等。江出斧子口進入溶江盆地，河流總落差?。?5 m），水力坡降小（1.78‰）［12］。

1.2采樣方法

2013年4、8、11月和2014年1月，共4次對漓江上游區(qū)域進行魚類標本采樣，共設置22個采樣點（圖1），以背負式捕魚器（功率2 kW，6場管）對每個采樣點進行采樣，每個采樣點自下而上采樣約為500 m的距離，采樣時間約30 min，根據(jù)采樣點生境不同，綜合考慮急流區(qū)、緩流區(qū)、水草覆蓋度、深潭等因素選取具有代表性的棲息生境［1，13］。采集的魚類標本用10%的福爾馬林固定帶回實驗室進行分類鑒定，現(xiàn)場記錄采樣點位置及海拔。根據(jù)文獻［14-17］，對采到的體長大于20 mm的魚類標本鑒定到種，鑒定后用5%的福爾馬林保存。

1.3理化指標

在采集魚類標本的同時，在各采樣點利用便攜筆式酸度計（Kedida CT-6021A，China）、便攜式水質(zhì)分析儀（HACH sensION156，USA）、便攜式流速儀（Meter MT-LS10，China）以及手持 GPS衛(wèi)星定位儀（GarmineTrex10，USA）分別測定pH、水溫、溶解氧、流速、經(jīng)緯度和海拔。另外，使用標尺測量河寬和水深，用游標卡尺測量底質(zhì)顆粒中間軸長度［8］。

圖1　漓江上游參考點及觀測點分布圖Fig.1 Map of reference sites and observation sites in the upper reaches of Lijiang River

1.4參照位點

目前，國內(nèi)外對于IBI研究參考位點（reference sites）的選取未見相應的規(guī)范，前人通常選擇使用歷史數(shù)據(jù)作為期望值，或者選擇無人類干擾或受干擾相對較少的河段作為參照點［1，18-21］。由于漓江上游區(qū)域缺乏歷史數(shù)據(jù)，且不存在不受人類干擾的區(qū)域。所以，本研究選取河流生境保存相對較好且人類干擾較少的S3、S4、S18為參考點。

1.5指標設置及篩選原則

綜合目前國內(nèi)外基于魚類IBI研究報告［1-2，7］，結合漓江上游區(qū)域的魚類物種組成特征及實際情況，選擇了歸屬于5類屬性的22個初選指標（表1）。

對于22個初選指標的篩選原則分為3個步驟［1，19，22］：（1）分布范圍篩選。a：個數(shù)類篩選，若某指標在各采樣點的個數(shù)均小于5，則剔除；b：所占比例篩選，若某指標在各采樣點間的差異小于10%，則剔除；c：若某指標90%以上的值為0，則剔除。（2）判別能力篩選。采用箱體法比較參照位點和觀測位點的箱體重疊情況，只有當出現(xiàn)箱體沒有重疊或者有部分重疊但中位數(shù)均在對方箱體之外兩種情況的指標可進入下一步驟的分析。（3）相關性分析篩選。對通過判別能力篩選的指標進行Pearson相關性檢驗，若|R|＜0.9則通過檢驗，若|R|＞0.9則兩個指標中選取信息量包含較大的一個。

表1　漓江上游　lBl候選指標及其對干擾的響應Table 1 Candidate metrics of IBI and their response human disturbance in the upper reaches of Lijiang River

1.6lBl分值計算及評價標準

目前，生物學指數(shù)的評價方法有很多，常用的方法有1、3、5賦值法，連續(xù)賦值法和比值法［22］。本研究采用傳統(tǒng)的1、3、5賦值法，對通過篩選的各指標在各采樣點的數(shù)值從最低到最高進行三等分，分為3個等級，最理想的等級記5分，最差的等級記1分，中間的記3分。各采樣點的IBI總分計算方法為：IBI總分值=（各指標總分/指標個數(shù)）×12［23］。以參考點的IBI總分值的25%分位數(shù)為健康標準進行劃分，對于小于25%分位數(shù)進行3等分，對未采集到魚類的采樣點記為“無魚”，最終將河流健康狀況分為“健康”、“一般”、“較差”、“極差”和“無魚”5個等級［1］。

2　結果與分析

2.1魚類組成及季節(jié)分布特征

共采集魚類9 508尾，共計72種，隸屬于4目15科51屬，分別為鯉形目、鲇形目、合鰓魚目和鱸形目。其中：22種為中國特有種；1種為廣西特有種，漓江副沙鰍（P.lijiangensis），2種為易瀕危物種，波紋鱖（S.undulat?）和小口白甲魚（O.lini）；1種為廣西新紀錄物種，中華細鯽（A. chinensis）［24］。魚類群落結構的無度量多維時間排序圖（non-metric multidimensional scaling，NMDS）顯示四季采樣的樣點都聚成一團（圖2），樣點相互交織在一起，沒有明顯的規(guī)律，說明漓江上游魚類群落結構的季節(jié)性差異不顯著（P＞0.05），故采用采樣較充分的夏季數(shù)據(jù)作為本文分析評價的基礎。

圖2　漓江上游魚類群落無度量時間排序Fig.2 Non-metric multidimensional scaling（NMDS）ordination of fish communities for seasons in the upper reaches of Lijiang River

2.2 指標篩選

對漓江上游的22個候選指標進行分布范圍篩選，其中，M5、M9、M13、M18和M20共5個指標被排除。其余指標進行判別能力篩選，其中只有M1、M7、M11、M14和M22共5個指標滿足篩選原則，進入下一步篩選（圖3）。

對M1、M7、M11、M14和M22共5個指標進行Pearson相關性檢驗（表2），所有|R|＜0.9，最終確定此5個指標為建立漓江上游IBI指標體系的參數(shù)指標。

2.3評分及評價

通過篩選的5個IBI候選指標的評分計算標準見表3。漓江上游參照點的IBI值的25%分位數(shù)為40.8，因此，漓江上游魚類完整性評價標準見表4。依據(jù)表3和表4的評分計算標準，對漓江上游22個采樣點的魚類完整性評價結果如表5所示。

圖3　漓江上游的5個候選指標在參照點和觀測點的箱體圖Fig.3 Box-plots of five candidate metrics between reference sites and observation sites in the upper reaches of Lijiang River

表2　漓江上游5個候選指標間的　Pearson相關性系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between five candidate metrics in the upper reaches of Lijiang River

表3　漓江上游　lBl各個參數(shù)指標的賦值標準Table 3 IBI metric scoring criteria in the upper reaches of Lijiang River

表4　漓江上游魚類生物完整性評價標準Table 4 Assessment criteria for biological integrity based on fishes in the upper reaches of Lijiang River

表5　漓江上游各采樣點　lBl評價結果Table 5 IBI results for each sampling site in the upper reaches of Lijiang River

本研究漓江上游的22個采樣點中，10個為“健康”，8個為“一般”，4個為“較差”，未出現(xiàn)“極差”和“無魚”。其中，屬“健康”等級的河段位于小溶江、川江、六洞河中下游河段；屬“一般”等級的河段位于華江、川江與黃柏江匯合處、青獅潭水庫下游及靈川縣河段；屬“較差”等級的河段位于黃柏江中上游。

2.4lBl與環(huán)境因子間的相關性分析

采用Pearson相關性分析各采樣點的IBI值與對應的pH、溶解氧等8種理化指標之間的相關性，以反映環(huán)境因子對河流健康的影響程度。結果顯示（表6），IBI值與溶解氧呈顯著正相關，與pH值、顆粒大小、河寬、水深和海拔呈正相關，與溫度和流速呈負相關。

表6　lBl值與水環(huán)境等指標間的相關性分析Table 6 Correlation coefficient between IBI score and environment variables

3　討 論

3.1參照位點的選取

目前，國內(nèi)除了部分自然保護區(qū)的核心區(qū)域可能存在未受人類活動干擾的河流外，其他大部分河流均受到不同程度的影響［1］。由于漓江上游3條支流（小溶江、川江、六洞河）均在規(guī)劃修建水壩，所在支流已遭受到不同程度的干擾，原始河流早已不見蹤影。而且，前人對于漓江的研究聚焦于中下游河段，上游河段又缺乏可靠的歷史數(shù)據(jù)。因此，本研究通過實地考察，綜合考慮生境類型、村莊及人口的分布和密度、溪流渠道化等因素選擇最優(yōu)參考點［22，25］。由于采樣點設置較少，參考點選取也較少，可能會對上游地區(qū)魚類IBI評價體系的準確性造成影響。

3.2參數(shù)指標的選取

基于Karr最先提出的一系列指標，綜合國內(nèi)外關于魚類IBI研究及本研究區(qū)域的實際情況選取適當?shù)?2個候選指標［2，7］?；練w于種類組成與豐度、營養(yǎng)結構、健康狀況、繁殖共位群和耐受性5大類屬性。本研究把鮈亞科、鲃亞科、野鯪亞科、腹吸鰍亞科和鮡科等適應急流環(huán)境的魚類以及易危和瀕危物種視為敏感性魚類；把適應能力較強的鲌亞科和鲿科部分魚類視為耐受性魚類［11］。

指標的篩選方法目前尚未統(tǒng)一規(guī)定，本研究參考前人的一些篩選方法［1，19，22］，將候選指標經(jīng)過分布范圍、判別能力及相關性分析3個步驟，排除信息重疊的指標，使候選指標由22個精簡為5個。

3.3lBl評價結果與實際情況符合度

IBI評價結果顯示，IBI分值與人類活動影響強度密切相關。IBI分值較高的采樣點如S19、S20等處于河流源頭，屬于相對偏遠山區(qū)，城鎮(zhèn)化不發(fā)達，人口密度較低，對河流的破壞程度也較低，故此類河段的健康程度較高。IBI分值較低的采樣點如S13、S14等均位于黃柏江之上。黃柏江沿岸修路筑橋工程及河道挖沙現(xiàn)象造成水體渾濁，河道嚴重破壞，魚類組成單一，優(yōu)勢種明顯。位于貓兒山腳下的S5采樣點，由于發(fā)展旅游及村民過度捕撈造成IBI分值較低，這亦與河流受到人為干擾的實際情況相吻合。

4　結 論

漓江上游魚類IBI評價結果與實際情況相吻合，可行性較高，充分反映了河流受人類干擾程度的影響。采集的72種淡水魚類，多數(shù)為溪流魚類。通過指標篩選最終確立了漓江上游魚類IBI指標體系：即魚類總物種數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、中下層魚類占總類數(shù)的比例、肉食性魚類數(shù)量占比、耐受性魚類占總類數(shù)的比例5個參數(shù)指標。漓江上游大部分河段生境保存相對完整，其健康等級多處于“健康”和“一般”，少數(shù)河段處于“較差”水平，且IBI值與溶解氧含量呈顯著正相關，與pH、流速、溫度等因子相關性不顯著。

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Development and application of IBI based on fish to assess river health in the upper reaches of Lijiang River

ZHU Zhao-jun1a，1b，WU Zhi-qiang1a，1c，2，HUANG Liang-liang1a，1c，SHI Rui-dan1a，1b，HU Yi-xiang1a，1b，HUANG Jian1a，1b

（1.a.College of Environmental Science and Engineering；b.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology；c.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi University，Nanning 530004，China）

Fish samples were collected from 22 sampling sites in the upper reaches of Lijiang River from April 2013 to January 2014.Index of Biological Integrity（IBI）based on fish to assess river health in the upper reaches of Lijiang River was established in this study.A total of 9 508 individuals，72 species，collected in this study，belong to 4 orders，15 families and 50 genera.The seasonal variation of fish communities was not significantly different in the upper reaches of Lijiang River.Therefore，the fish data in summer was used to assess the river health. Five metrics including species richness（M1），Shannon-Wiener diversity index（M7），percentage of middle-lower fish number（M11），percentage of carnivorous fish number（M14），percentage of toleranted fish number（M22）were screened out from twenty two candidate metrics by distributing range analysis，discriminatory power analysis and Pearson correlation analysis.The 1，3，5 assignment method was used to calculate the value of each metric and IBI，and the status of river health was categorized into five levels：Healthy（IBI score＞40），F(xiàn)air（IBI score= 27-40），Poor（IBI score=13-27），Very poor（IBI score＜13）and No fish.The results showed that the numbers of sites for healthy，fair，poor were 10，8 and 4，respectively.The water health in the Xiaorong River，Chuan River and Liudong River was mainly at the status of“healthy”or“fair”，but“poor”for the Huangbai River.The Pearson correlation analysis showed that the IBI was significantly positively correlated with dissolved oxygen.

fish；Index of Biological Integrity（IBI）；river health；Lijiang River

X826

A

1674-9057（2016）03-0533-06

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.018

2014-12-22

國家自然科學基金項目 （51379038；51509042）；廣西高等學校高水平創(chuàng)新團隊及卓越學者計劃項目；廣西教育廳高?？茖W研究項目（YB2014151）；廣西自然科學基金項目 （2014GXNSFBA118072）

朱召軍 （1988—），男，碩士，研究方向：環(huán)境生態(tài)學，zhaojun376@163.com。

吳志強，博士，教授，zqwu@glut.edu.cn。

引文格式：朱召軍，吳志強，黃亮亮，等.漓江上游基于魚類生物完整性指數(shù)的河流健康評價體系構建與應用［J］.桂林理工大學學報，2016，36（3）：533-538.