漓江上游基于鱼类生物完整性指数的河流健康评价体系构建与应用

朱　　召　　军　，吴　　志　　强　，黄　　亮　　亮　，师　　瑞　　丹，胡　　祎　　祥，黄　　　健　

（1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院；b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室；c.岩溶区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004；2.广西大学，南宁 530004）

漓江上游基于鱼类生物完整性指数的河流健康评价体系构建与应用

朱召军1a，1b，吴志强1a，1c，2，黄亮亮1a，1c，师瑞丹1a，1b，胡祎祥1a，1b，黄健1a，1b

（1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院；b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室；c.岩溶区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004；2.广西大学，南宁 530004）

2013年4月—2014年1月分季度对漓江上游22个采样点采集鱼类数据，建立基于鱼类生物完整性指数（IBI）的河流健康评价体系。本研究共采集鱼类9 508尾，共计72种，隶属于4目15科51属，且漓江上游鱼类群落结构的季节性差异不显著（P＞0.05），因此，采用夏季鱼类数据来评价漓江上游河流的健康。将22个候选指标经过分布范围、判别能力及相关性筛选之后，最终确定漓江上游鱼类IBI指标体系：即鱼类总物种数（M1）、Shannon-Wiener多样性指数（M7）、中下层鱼类占总类数的比例（M11）、肉食性鱼类数量比例（M14）、耐受性鱼类占总类数的比例（M22）5个参数指标。采用1、3、5赋值法计算各采样点IBI值，并将河流健康等级划分为：健康（IBI＞40）、一般（IBI=27～40）、较差（IBI=13～27）、极差（IBI＜13）和无鱼5个等级。结果显示，在漓江上游22个采样点中，10个采样点为健康，8个采样点为一般，4个采样点为较差；小溶江、川江、六洞河大部分河段处于健康或一般，黄柏江为较差。Pearson相关性分析结果显示：IBI值与溶解氧含量呈显著正相关。

鱼类；生物完整性指数（IBI）；河流健康；漓江

0 引 言

生物完整性指数（index of biologic integrity，IBI）是以某种生物群落为对象，以其种类组成、多样性和结构功能等对环境改变产生的反应为指标评价该区域的健康状况［1］。生物完整性指数最初由Karr在1981年提出，并且是首次以鱼类为指示物种进行河流健康评价［2］。此后，IBI在美国、加拿大、巴西、墨西哥，特别在欧洲得到广泛应用，其指示物种的选取也扩展到底栖无脊椎动物、着生藻类等［3-7］。而鱼类作为水生态系统中的重要一员，具有其他水生生物无法比拟的作用，如作为食材、观赏等，并且其对生境变化的敏感性及直接的指示作用，使其成为河流健康评价的主要指示生物［8］。

生物完整性作为水生态系统健康评价的重要方法之一，改变了前人单纯利用物理、化学指标评价河流水质健康状况的局限性，越来越受到国内外学者的高度关注［4，9-10］。目前，国内应用生物完整性评价河流健康的相关研究正处于起步阶段，大多数以底栖无脊椎动物和浮游生物为指标生物［1，11］。本研究以漓江上游鱼类为研究对象，初步构建漓江上游基于鱼类的IBI评价河流健康指标体系。通过野外调查获得数据，并将其用于该地区的河流健康评价，为漓江上游地区河流生态环境质量评价和管理提供基础数据。

1　材料和方法

1.1研究区域

漓江发源于桂林市兴安县越城岭主峰猫儿山（海拔2 141.5 m），由北向南流，干流依次流经兴安、灵川、桂林、阳朔，最后在平乐与荔浦河、恭城河汇流后称为桂江。发源地河段名为集水河，在升坪村与华江汇合后称为六洞河，在司门前村纳川江和黄柏江后称大溶江，至溶江镇东纳古运河灵渠，西受小溶江后始称漓江，全长214 km，流域面积6 050 km2。其中，猫儿山至桂林市区为上游（98 km），桂林市区至阳朔县为中游（86 km），阳朔县至平乐县为下游（30 km）。由于东南季风的影响，漓江流域上游降雨量年内分布极不平均，地势陡涨陡落，属于典型的雨源型河流。

漓江上游区域（110°17′24E—110°35′42E，25° 16′32N—26°02′42N）位于桂林市北部三县（灵川县、资源县和兴安县），属亚热带季风气候区，雨量充沛，多年平均气温为16.5～20.2℃，水质清澈呈微酸性，河流底质以卵石为主。研究区域内的漓江上游大部分属于溪流，水流湍急，水力坡降大（31.7‰），两岸植被类型复杂，多为针叶林、阔叶林及竹林等。江出斧子口进入溶江盆地，河流总落差小（25 m），水力坡降小（1.78‰）［12］。

1.2采样方法

2013年4、8、11月和2014年1月，共4次对漓江上游区域进行鱼类标本采样，共设置22个采样点（图1），以背负式捕鱼器（功率2 kW，6场管）对每个采样点进行采样，每个采样点自下而上采样约为500 m的距离，采样时间约30 min，根据采样点生境不同，综合考虑急流区、缓流区、水草覆盖度、深潭等因素选取具有代表性的栖息生境［1，13］。采集的鱼类标本用10%的福尔马林固定带回实验室进行分类鉴定，现场记录采样点位置及海拔。根据文献［14-17］，对采到的体长大于20 mm的鱼类标本鉴定到种，鉴定后用5%的福尔马林保存。

1.3理化指标

在采集鱼类标本的同时，在各采样点利用便携笔式酸度计（Kedida CT-6021A，China）、便携式水质分析仪（HACH sensION156，USA）、便携式流速仪（Meter MT-LS10，China）以及手持 GPS卫星定位仪（GarmineTrex10，USA）分别测定pH、水温、溶解氧、流速、经纬度和海拔。另外，使用标尺测量河宽和水深，用游标卡尺测量底质颗粒中间轴长度［8］。

图1　漓江上游参考点及观测点分布图Fig.1 Map of reference sites and observation sites in the upper reaches of Lijiang River

1.4参照位点

目前，国内外对于IBI研究参考位点（reference sites）的选取未见相应的规范，前人通常选择使用历史数据作为期望值，或者选择无人类干扰或受干扰相对较少的河段作为参照点［1，18-21］。由于漓江上游区域缺乏历史数据，且不存在不受人类干扰的区域。所以，本研究选取河流生境保存相对较好且人类干扰较少的S3、S4、S18为参考点。

1.5指标设置及筛选原则

综合目前国内外基于鱼类IBI研究报告［1-2，7］，结合漓江上游区域的鱼类物种组成特征及实际情况，选择了归属于5类属性的22个初选指标（表1）。

对于22个初选指标的筛选原则分为3个步骤［1，19，22］：（1）分布范围筛选。a：个数类筛选，若某指标在各采样点的个数均小于5，则剔除；b：所占比例筛选，若某指标在各采样点间的差异小于10%，则剔除；c：若某指标90%以上的值为0，则剔除。（2）判别能力筛选。采用箱体法比较参照位点和观测位点的箱体重叠情况，只有当出现箱体没有重叠或者有部分重叠但中位数均在对方箱体之外两种情况的指标可进入下一步骤的分析。（3）相关性分析筛选。对通过判别能力筛选的指标进行Pearson相关性检验，若|R|＜0.9则通过检验，若|R|＞0.9则两个指标中选取信息量包含较大的一个。

表1　漓江上游　lBl候选指标及其对干扰的响应Table 1 Candidate metrics of IBI and their response human disturbance in the upper reaches of Lijiang River

1.6lBl分值计算及评价标准

目前，生物学指数的评价方法有很多，常用的方法有1、3、5赋值法，连续赋值法和比值法［22］。本研究采用传统的1、3、5赋值法，对通过筛选的各指标在各采样点的数值从最低到最高进行三等分，分为3个等级，最理想的等级记5分，最差的等级记1分，中间的记3分。各采样点的IBI总分计算方法为：IBI总分值=（各指标总分/指标个数）×12［23］。以参考点的IBI总分值的25%分位数为健康标准进行划分，对于小于25%分位数进行3等分，对未采集到鱼类的采样点记为“无鱼”，最终将河流健康状况分为“健康”、“一般”、“较差”、“极差”和“无鱼”5个等级［1］。

2　结果与分析

2.1鱼类组成及季节分布特征

共采集鱼类9 508尾，共计72种，隶属于4目15科51属，分别为鲤形目、鲇形目、合鳃鱼目和鲈形目。其中：22种为中国特有种；1种为广西特有种，漓江副沙鳅（P.lijiangensis），2种为易濒危物种，波纹鳜（S.undulatä）和小口白甲鱼（O.lini）；1种为广西新纪录物种，中华细鲫（A. chinensis）［24］。鱼类群落结构的无度量多维时间排序图（non-metric multidimensional scaling，NMDS）显示四季采样的样点都聚成一团（图2），样点相互交织在一起，没有明显的规律，说明漓江上游鱼类群落结构的季节性差异不显著（P＞0.05），故采用采样较充分的夏季数据作为本文分析评价的基础。

图2　漓江上游鱼类群落无度量时间排序Fig.2 Non-metric multidimensional scaling（NMDS）ordination of fish communities for seasons in the upper reaches of Lijiang River

2.2 指标筛选

对漓江上游的22个候选指标进行分布范围筛选，其中，M5、M9、M13、M18和M20共5个指标被排除。其余指标进行判别能力筛选，其中只有M1、M7、M11、M14和M22共5个指标满足筛选原则，进入下一步筛选（图3）。

对M1、M7、M11、M14和M22共5个指标进行Pearson相关性检验（表2），所有|R|＜0.9，最终确定此5个指标为建立漓江上游IBI指标体系的参数指标。

2.3评分及评价

通过筛选的5个IBI候选指标的评分计算标准见表3。漓江上游参照点的IBI值的25%分位数为40.8，因此，漓江上游鱼类完整性评价标准见表4。依据表3和表4的评分计算标准，对漓江上游22个采样点的鱼类完整性评价结果如表5所示。

图3　漓江上游的5个候选指标在参照点和观测点的箱体图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个候选指标间的　Pearson相关性系数Table 2 Correlation coefficient between five candidate metrics in the upper reaches of Lijiang River

表3　漓江上游　lBl各个参数指标的赋值标准Table 3 IBI metric scoring criteria in the upper reaches of Lijiang River

表4　漓江上游鱼类生物完整性评价标准Table 4 Assessment criteria for biological integrity based on fishes in the upper reaches of Lijiang River

表5　漓江上游各采样点　lBl评价结果Table 5 IBI results for each sampling site in the upper reaches of Lijiang River

本研究漓江上游的22个采样点中，10个为“健康”，8个为“一般”，4个为“较差”，未出现“极差”和“无鱼”。其中，属“健康”等级的河段位于小溶江、川江、六洞河中下游河段；属“一般”等级的河段位于华江、川江与黄柏江汇合处、青狮潭水库下游及灵川县河段；属“较差”等级的河段位于黄柏江中上游。

2.4lBl与环境因子间的相关性分析

采用Pearson相关性分析各采样点的IBI值与对应的pH、溶解氧等8种理化指标之间的相关性，以反映环境因子对河流健康的影响程度。结果显示（表6），IBI值与溶解氧呈显著正相关，与pH值、颗粒大小、河宽、水深和海拔呈正相关，与温度和流速呈负相关。

表6　lBl值与水环境等指标间的相关性分析Table 6 Correlation coefficient between IBI score and environment variables

3　讨 论

3.1参照位点的选取

目前，国内除了部分自然保护区的核心区域可能存在未受人类活动干扰的河流外，其他大部分河流均受到不同程度的影响［1］。由于漓江上游3条支流（小溶江、川江、六洞河）均在规划修建水坝，所在支流已遭受到不同程度的干扰，原始河流早已不见踪影。而且，前人对于漓江的研究聚焦于中下游河段，上游河段又缺乏可靠的历史数据。因此，本研究通过实地考察，综合考虑生境类型、村庄及人口的分布和密度、溪流渠道化等因素选择最优参考点［22，25］。由于采样点设置较少，参考点选取也较少，可能会对上游地区鱼类IBI评价体系的准确性造成影响。

3.2参数指标的选取

基于Karr最先提出的一系列指标，综合国内外关于鱼类IBI研究及本研究区域的实际情况选取适当的22个候选指标［2，7］。基本归于种类组成与丰度、营养结构、健康状况、繁殖共位群和耐受性5大类属性。本研究把鮈亚科、鲃亚科、野鲮亚科、腹吸鳅亚科和鮡科等适应急流环境的鱼类以及易危和濒危物种视为敏感性鱼类；把适应能力较强的鲌亚科和鲿科部分鱼类视为耐受性鱼类［11］。

指标的筛选方法目前尚未统一规定，本研究参考前人的一些筛选方法［1，19，22］，将候选指标经过分布范围、判别能力及相关性分析3个步骤，排除信息重叠的指标，使候选指标由22个精简为5个。

3.3lBl评价结果与实际情况符合度

IBI评价结果显示，IBI分值与人类活动影响强度密切相关。IBI分值较高的采样点如S19、S20等处于河流源头，属于相对偏远山区，城镇化不发达，人口密度较低，对河流的破坏程度也较低，故此类河段的健康程度较高。IBI分值较低的采样点如S13、S14等均位于黄柏江之上。黄柏江沿岸修路筑桥工程及河道挖沙现象造成水体浑浊，河道严重破坏，鱼类组成单一，优势种明显。位于猫儿山脚下的S5采样点，由于发展旅游及村民过度捕捞造成IBI分值较低，这亦与河流受到人为干扰的实际情况相吻合。

4　结 论

漓江上游鱼类IBI评价结果与实际情况相吻合，可行性较高，充分反映了河流受人类干扰程度的影响。采集的72种淡水鱼类，多数为溪流鱼类。通过指标筛选最终确立了漓江上游鱼类IBI指标体系：即鱼类总物种数、Shannon-Wiener多样性指数、中下层鱼类占总类数的比例、肉食性鱼类数量占比、耐受性鱼类占总类数的比例5个参数指标。漓江上游大部分河段生境保存相对完整，其健康等级多处于“健康”和“一般”，少数河段处于“较差”水平，且IBI值与溶解氧含量呈显著正相关，与pH、流速、温度等因子相关性不显著。

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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），Fair（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

国家自然科学基金项目 （51379038；51509042）；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目；广西教育厅高校科学研究项目（YB2014151）；广西自然科学基金项目 （2014GXNSFBA118072）

朱召军 （1988—），男，硕士，研究方向：环境生态学，zhaojun376@163.com。

吴志强，博士，教授，zqwu@glut.edu.cn。

引文格式：朱召军，吴志强，黄亮亮，等.漓江上游基于鱼类生物完整性指数的河流健康评价体系构建与应用［J］.桂林理工大学学报，2016，36（3）：533-538.