基于魚類多樣性及完整性指數(shù)評價(jià)南河中上游流域健康狀況

嚴(yán)太明，何佳洋，羅 杰,2，張 騫，鄧發(fā)強(qiáng)，馬志軍，蘇中海，何 智

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，成都 611130；2.廣安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，四川廣安 638500；3.成都市動物疫病預(yù)防控制中心，成都 610041)

生物完整性是指與區(qū)域環(huán)境相適應(yīng)的生物群落所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征，以及該群落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[1,2]。魚類處于河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端[3]，其物種多樣性和完整性是水生生物和水域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[4,5]，因此可使其作為河流健康評價(jià)的指示生物[6]。與典型的化學(xué)或物理指標(biāo)相比[7,8]，水生態(tài)系統(tǒng)中某一時(shí)間點(diǎn)生物指標(biāo)信息更可靠，更能反映其真實(shí)情況，物種多樣性越高，生物完整性越好，則生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越強(qiáng)[6]，鑒于此，基于魚類群落種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征而構(gòu)建的魚類生物完整性指標(biāo)體系(The fish-based biotic integrity index，F(xiàn)-IBI)可較好反映水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和受干擾強(qiáng)度，同時(shí)也能對魚類及漁業(yè)資源本身進(jìn)行客觀的描述。近年來，利用魚類生物完整性指數(shù)評價(jià)河流健康已在長江及其支流[9]、黃河[10]、亞馬遜河等[11]大型河流中有效開展，評價(jià)結(jié)果與河流受人為干擾的實(shí)際情況相吻合，這為中小型河流健康評估積累了經(jīng)驗(yàn)。

南河作為岷江重要支流，河長102 km，流域面積3 640 km2，上源有支流三條，由北至南依次為江河、文井江和白沫江。丁瑞華[12]1994年對南河流域進(jìn)行了魚類資源調(diào)查，吳浩等[13]2014-2015年對南河下游新津段進(jìn)行定期定點(diǎn)調(diào)查采樣。本研究于2016-2017年對南河中上游魚類資源進(jìn)行了調(diào)查，在此基礎(chǔ)上結(jié)合歷史資料構(gòu)建魚類生物完整性指標(biāo)體系評價(jià)其河流健康狀況，旨在豐富溪流河流健康評價(jià)研究，為區(qū)域內(nèi)的魚類資源養(yǎng)護(hù)、生態(tài)修復(fù)決策和措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2016年9-11月和2017年3-6月在南河中上游，根據(jù)河段生境的代表性，樣點(diǎn)可抵達(dá)性和捕撈漁獲物的可操作性原則，在干流的寶林鎮(zhèn)、固驛鎮(zhèn)和葫蘆3個河段，支流文井江的高何鎮(zhèn)、水口鎮(zhèn)和火井鎮(zhèn)3個河段，支流白沫江的平樂鎮(zhèn)和夾關(guān)鎮(zhèn)2個河段，以及支流江河的謝家壩、高壩、虎崗和溫泉小鎮(zhèn)4個河段同時(shí)開展了魚類資源調(diào)查(圖 1)。漁獲物調(diào)查主要采用以下方式進(jìn)行：(1)直接購買：在采樣點(diǎn)附近的魚類市場直接向漁民購買漁獲物；在沿河調(diào)查中，向釣魚愛好者購買漁獲物；(2)雇請當(dāng)?shù)貪O民或自行下網(wǎng)捕撈，采用地籠(網(wǎng)長10 m，網(wǎng)目1 cm)和多目刺網(wǎng)(網(wǎng)長50 m，網(wǎng)目從小到大分別為1.2 cm、2 cm、4 cm)進(jìn)行樣品采集。根據(jù)《中國動物志》魚類已出版各卷冊[14，15]和《四川動物志》等[12]資料對漁獲物進(jìn)行種類鑒定，統(tǒng)計(jì)漁獲物組成，測量全長(0.1 cm)和體重(0.1 g)等魚體生物學(xué)性狀?，F(xiàn)場不能鑒定的魚類，用10%甲醛保存后帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定和確認(rèn)。

圖1 南河流域中上游魚類采樣河段分布圖

1.2 魚類多樣性評價(jià)

采用豐富度指數(shù)(Margalef，D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener，H)和均勻度指數(shù)(Pielou，J)對采集點(diǎn)魚類多樣性進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)勢種組成采用相對重要性指數(shù)(Index of relative importance，IRI)進(jìn)行評價(jià)[15]。計(jì)算公式如下：

D=(S-1)/log2T；

H=-∑pilog2pi；

J=H/log2S；

IRI=(N+W)F。

式中，S為采樣河段中魚類種類數(shù)，T為采樣河段魚類總尾數(shù)，Pi=ni/T為某采樣河段中第i種魚類尾數(shù)占該采樣河段總尾數(shù)的比例，N為某種魚的數(shù)量占總尾數(shù)的百分比，W為某種魚重量占總重量的百分比，F(xiàn)為出現(xiàn)頻率。將IRI>100的物種定為優(yōu)勢種[16，17]。

并以G-F指數(shù)方法來評估南河流域中上游魚類物種多樣性變化。G-F指數(shù)計(jì)算方法[18]：

F指數(shù)(DF)(科的多樣性)，計(jì)算式為：

式中，Pi=Ski/Sk，Ski為名錄中k科i屬中的物種數(shù)，Sk為名錄中k科中的物種數(shù)，n為k科中的屬數(shù)，m為名錄中魚類的科數(shù)。

G指數(shù)(DG)(屬的多樣性)，計(jì)算公式為：

式中，qj=Sj/S，Sj為j屬中的物種數(shù)，S為名錄中魚類的物種數(shù)，P為名錄中魚類的屬數(shù)。

G-F指數(shù)計(jì)算(DG-F)：

DG-F=1-DG/DF

式中，G-F指數(shù)是0～1的測度，非單種的科越多，G-F指數(shù)越高，反之，該指數(shù)值就越低。

1.3 魚類完整性評價(jià)

1.3.1 構(gòu)建候選參數(shù)指標(biāo)

綜合目前國內(nèi)外的相關(guān)研究[2,10,17,19]，根據(jù)魚類種類組成特征，以及相關(guān)數(shù)據(jù)或指標(biāo)的可獲得性等，選擇能反映魚類種類組成和豐度、耐受性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、繁殖共位群以及魚類數(shù)量與健康狀況等5類35個指標(biāo)構(gòu)建南河中上游魚類完整性指標(biāo)體系(表1)。

表1 魚類完整性候選指標(biāo)列表

1.3.2 魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系一

根據(jù)《四川魚類志》中南河流域魚類記錄資料[12]和本次漁獲物調(diào)查結(jié)果，開展相關(guān)參數(shù)的對比分析，并采用優(yōu)化后的指標(biāo)評價(jià)體系評估研究區(qū)域內(nèi)魚類組成和區(qū)系組成等的變化。

1.3.3 魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系二

選取人類活動干擾少、生態(tài)環(huán)境較好和魚類種數(shù)相對豐富的固驛、寶林和平樂采樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)，對其它河段進(jìn)行觀測和評估。同時(shí)，對35個魚類生物完整性評價(jià)指標(biāo)的分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性等進(jìn)行分析和優(yōu)化[19]，構(gòu)建適合南河中上游河流健康評價(jià)的指標(biāo)體系。

分布范圍的篩選：刪除各觀測點(diǎn)間差異小于10%的指標(biāo)；刪除各觀測點(diǎn)數(shù)值小于5的指標(biāo)；刪除指標(biāo)體系中90%以上的值為0的指標(biāo)。判別能力篩選：采用箱體法比較參照位點(diǎn)和觀測位點(diǎn)的箱體重疊情況，當(dāng)箱體沒有重疊或者有部分重疊，且中位數(shù)均在對方箱體之外的指標(biāo)可進(jìn)入下一步的分析。Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)篩選：運(yùn)用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)來分析各參數(shù)指標(biāo)間的相關(guān)性，只有|R|<0.9的指標(biāo)才能通過篩選用于數(shù)據(jù)分析。

1.4 河流健康評價(jià)

對魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系二篩選出的指標(biāo)按1、3、5賦值法進(jìn)行賦值[16，17]。將期望值與實(shí)際測得的最低值范圍分為3等份，劃分為3個評分區(qū)域，按照各觀測點(diǎn)落在不同區(qū)域從好到差依次記為5分、3分和1分。采用IBI總分計(jì)算方法進(jìn)行總分統(tǒng)計(jì)，具體是IBI總分=指標(biāo)總分/指標(biāo)個數(shù)×12，并據(jù)此將河流健康程度等級劃分為極好(58～60)、好(48～52)、一般(40～44)、差(28～34)、極差(12～22)和無魚(0)6個等級。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)使用Excel 2016，相關(guān)性檢驗(yàn)和顯著性檢驗(yàn)采用SPSS 19.0，圖片用Adobe Illustrator CS5和Adobe Photoshop CS6等軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 漁獲物數(shù)據(jù)分析

調(diào)查共采集到漁獲物3 199尾，重量為37 782.0 g，隸屬于4目11科34屬45種(表2)。其中，鯉形目種類最多，有3科21屬28種；其次為鲇形目4科7屬10種。漁獲物統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，數(shù)量最多和重量最大的是寬鰭鱲，分別占總數(shù)的17.47%和18.51%。其次是短體副鰍和麥穗魚漁獲物數(shù)量較多(11.13%和10.82%)，而重量較大的是花和馬口魚(12.96%和8.33%)(圖2)。

表2 南河流域中上游魚類名錄和分布表

2.2 魚類多樣性

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，南河流域中上游共有優(yōu)勢種魚類14種(IRI>100)。其中，IRI值大于1 000的有寬鰭鱲和花，IRI值介于500～1 000的魚類有麥穗魚、棒花魚、切尾擬鲿、短體副鰍、馬口魚和四川華鳊(圖2)。干、支流魚類種類數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，干流魚類種類數(shù)多于支流(表3)，且南河干、支流魚類豐富度指數(shù)與魚類種類數(shù)呈明顯的正相關(guān)(r>0，P<0.05)，干流豐富度指數(shù)高于支流(表3)。利用G-F指數(shù)方法分析得，原始土著魚類群落科的多樣性指數(shù)F指數(shù)(DF)為3.81，屬的多樣性指數(shù)G指數(shù)(DG)為2.60，屬科多樣性指數(shù)(G-F指數(shù))為0.32。當(dāng)前魚類群落總體F指數(shù)為4.90，G指數(shù)為3.46，G-F指數(shù)為0.29。

續(xù)表2

圖2 南河流域中上游魚類相對重要性指數(shù)前10種類的尾數(shù)與重量占比統(tǒng)計(jì)圖

表3 南河流域中上游魚類多樣性指數(shù)

2.3 魚類完整性

2.3.1 魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系一

南河流域魚類歷史記錄的數(shù)據(jù)信息有限，無法與現(xiàn)有參數(shù)進(jìn)行一一對比分析，最終選擇20個指標(biāo)構(gòu)建魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系一。本次調(diào)查河段的M1、M7和M8占比增加均超過了50%。M2、M5、M11、M23、M24、M28和M29均出現(xiàn)了負(fù)增長(圖3)。M9和M27與歷史數(shù)據(jù)基本持平。結(jié)果表明，南河中上游魚類區(qū)系從以江河平原區(qū)系復(fù)合體為主演變?yōu)榱硕鄥^(qū)系混合體(圖3)。

圖3 魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系一中各參數(shù)指標(biāo)變化趨勢

2.3.2 魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系二

基于本次調(diào)查結(jié)果，對35個指標(biāo)的分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性的篩選分析，最終選擇6個指標(biāo)用于構(gòu)建魚類完整性指數(shù)評價(jià)體系二(圖4)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)的魚類完整性較歷史記錄發(fā)生了較大的變化。

圖4 6個參數(shù)的參照點(diǎn)(左)和觀測點(diǎn)(右)箱體法比較分析圖

2.4 南河中上游河流健康評價(jià)

南河中上游河流健康狀況評估結(jié)果顯示：干流寶林和固驛河段河流健康狀況為“極好”和“好”，支流平樂河段為“好”，支流謝家壩、水口和火井3個河段為“一般”，干流葫蘆為“差”，而剩余采樣河段為“差”及以下。結(jié)果表明，南河中上游河段健康狀況在各樣點(diǎn)間差異較大，但總體呈現(xiàn)干流好于支流。其中，健康評價(jià)等級在“一般”等級及以下的采樣點(diǎn)有9個，占采樣點(diǎn)總數(shù)的75%；評價(jià)等級在“差”及以下的采樣點(diǎn)有6個，占采樣點(diǎn)總數(shù)的50%(圖5)。

圖5 南河流域中上游各采樣點(diǎn)健康狀況評價(jià)等級

3 討論

3.1 魚類群落組成變化及影響因素分析

水域生態(tài)環(huán)境的變化往往導(dǎo)致水體中餌料資源和水環(huán)境的劇變，加之過度捕撈等人為因素的影響，水域內(nèi)的魚類物種多樣性會發(fā)生變化[20]。與歷史資料[12]對比分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)的魚類區(qū)系由以江河平原區(qū)系復(fù)合體為主演變?yōu)槎鄥^(qū)系混合體。其中，有歷史記錄的短尾高原鰍、中華沙鰍和似等9種魚類未被采集到，而采集到的魚中大鱗副泥鰍、花和革胡子鲇等25種魚類在歷史資料中并未有記載。在南河下游同樣也存在著種群數(shù)量較大的外來種，如云斑尖塘鱧(Oxyeleotrismarmorata)等[13]。這些魚類因在流域內(nèi)缺乏天敵，加之其自身種間競爭力強(qiáng)，其種群數(shù)量快速增長，迅速發(fā)展成為優(yōu)勢種群，進(jìn)而對土著魚類生存形成了較大的威脅。南河流域中上游魚類G-F指數(shù)的下降表明隨著外來魚類的引入及部分土著魚類的消失，原土著魚類群落由種級分化強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變?yōu)槿郝渲袉畏N科的數(shù)目顯著上升、種級物種分化單調(diào)。這表明，魚類物種組成變化來自土著種的丟失和外來種的獲得，類似的情況在廣東各水系[20]、安徽青弋江[21]和云南劍湖[22]等水體中也存在。

魚類群落結(jié)構(gòu)及其多樣性的差異在一定程度上體現(xiàn)當(dāng)前人為活動對其的影響。同大型河流相比，南河中上游屬山地河源溪流具有海拔高、溫度低、坡度大水流急、棲息地簡單、營養(yǎng)貧乏和環(huán)境周期性動蕩等特點(diǎn)[22，23]，其中孕育有高度適應(yīng)急流條件的溪流魚類物種。但受農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)化發(fā)展、水利工程修建等人類活動的影響，溪流魚類正面臨多重威脅[24]。與之類似，安徽省九龍峰自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)焦村河因受較重的人為干擾[23]，河流生態(tài)系統(tǒng)原有的棲息地環(huán)境被破壞，導(dǎo)致區(qū)域的空間棲息地異質(zhì)性相對較高，溪流魚類物種群落多樣性發(fā)生變化[23]。這表明，研究區(qū)域內(nèi)魚類種類多樣性的改變與近年來流域兩岸城市化進(jìn)程加快，城市生活污水、生活垃圾與農(nóng)村面源污染等帶來的水體污染等環(huán)境問題密不可分。

水工建筑對南河中上游的魚類區(qū)系組成與分布產(chǎn)生了較大的影響。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南河上游河道中，如江修建了大量的電站閘壩、引水壩、攔河壩等水工建筑。其中，葫蘆壩水電站的閘壩使得南河干流河道形成了近10 km的庫區(qū)，庫區(qū)水流較緩，靜水性魚類種類較多，如麥穗魚和鯽等。受電站閘壩和引水壩等的影響，支流江河河道較窄，多呈“V”型，水流量小，部分河床裸露，區(qū)域內(nèi)魚類種類明顯減少，特別是在溫泉小鎮(zhèn)附近河道影響十分明顯(D=0.584)，僅分布有短體副鰍、棒花魚和花等。而寬鰭和馬口魚等優(yōu)勢種僅分布于水工建筑影響較小的白沫江和江上游河段。此外，大壩還阻斷了一些魚類的洄游路線，如中華沙鰍等，導(dǎo)致其產(chǎn)卵場及關(guān)鍵棲息地的減少或喪失，種群基因流的破碎化提高了其滅絕的風(fēng)險(xiǎn)[24]。

3.2 魚類分布特點(diǎn)及生物多樣性變化

魚類物種數(shù)和豐富度指數(shù)可以直觀地反映流域內(nèi)魚類多樣性的程度，而水生生境的異質(zhì)性程度可影響魚類的物種數(shù)和豐富度[25]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南河流域干流中固驛和寶林河段魚類不僅有常見的優(yōu)勢種還有較多的少見種，而少數(shù)優(yōu)勢魚類種群的生物量較為豐富。支流部分采樣河段(夾關(guān)、水口和虎崗等)原生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，稀有魚類種數(shù)比較少，均勻度指數(shù)比較大。南河中上游魚類豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)干流高于支流，且呈現(xiàn)由支流到干流逐步增大的趨勢，這與南渡江魚類多樣性指數(shù)變化趨勢基本一致[17]。與南河下游河段相比，寶林河段魚類種類數(shù)最多，多樣性指數(shù)最高。此外，水生生境的穩(wěn)定程度也是影響魚類物種數(shù)和豐富度的重要原因[26]。寶林河段水面寬，支流匯入多，水生生境復(fù)雜，生境異質(zhì)性程度顯著高于南河流域其他水域(P<0.05)。南河中上游各支流流經(jīng)區(qū)域人類活動較為頻繁且秋冬季出現(xiàn)過斷流的情況，而寶林河段水流量大，受人類活動干擾較少，相應(yīng)的生境穩(wěn)定程度也較高?？梢?，寶林河段對于維持南河流域魚類多樣性具有十分重要的作用。

3.3 南河流域中上游健康狀況

本研究結(jié)果表明，南河中上游各河段總體健康狀況較差，河段面臨嚴(yán)重的環(huán)境壓力。其中，江河受農(nóng)業(yè)用地、筑壩、沿岸修路建橋及河道挖沙等人類活動干擾較多，河流破壞嚴(yán)重；同時(shí)，由于江河偏僻隱蔽，村民濫捕現(xiàn)象嚴(yán)重；另外，上游大力發(fā)展旅游業(yè)，已建成花水灣溫泉旅游度假區(qū)等旅游景點(diǎn)，造成河道渠化。白沫江段與文井江段近年來也出現(xiàn)了流域水環(huán)境惡化及污染加劇的情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沿岸數(shù)十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)造紙廠和屠宰場存在偷排暗排生產(chǎn)廢水現(xiàn)象，且流域內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活廢水直接排入河流，對河流水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響[27]。這些都使得流域內(nèi)支流的健康狀況評價(jià)等級較低。結(jié)果表明，南河中上游面臨著較大的環(huán)境壓力，而類似的結(jié)果在安徽閶江與青弋江[22]和焦村河[23]等山區(qū)溪流也同樣存在。綜上，南河中上游河流健康評價(jià)結(jié)果與河流受人類活動干擾的實(shí)際情況是相符合的。

致謝

本試驗(yàn)漁獲物調(diào)查期間得到了熊森、蔡躍平、王雄延、李松、何治德、張松培、阮會斌、何亮等同學(xué)的大力協(xié)助，四川省自然資源研究所丁瑞華研究員在漁獲物鑒定方面給予了指導(dǎo)和幫助，在此一并感謝。