应用鱼类完整性指数F-IBI评价巢湖流域的主要河流健康

刘 杨，陈 凯，蔡永久，尹洪斌，严云志

1.安徽师范大学生命科学学院，安徽 芜湖 241000 2.南京农业大学昆虫学系，江苏 南京 210095 3.中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008

河流和湖泊作为淡水生态系统的重要组成部分，具有休闲娱乐、农业灌溉以及提供饮用水等重要功能[1]。然而，诸如水坝建设、城镇化发展等人类活动的加剧严重影响了河流和湖泊的生物完整性，导致栖息地破碎化、河岸侵蚀以及化学有机污染等[2-3]。为了更好地监测和管理河流健康状况，研究人员逐渐将一些物理指标、化学指标和生物指标等作为评价河流健康程度的有效手段[4-5]。由于生物指标更能体现多种生态胁迫的累积效应，并且包括群落结构和功能等高层次信息，因而应用最为广泛[6]。由于鱼类在自然界中分布广泛、易于鉴定且对水质敏感性高[7-8]，KARR[9]首先在河流健康状况的评价中，对鱼类建立和使用生物完整性指标(Fish-Index of Biotic Integrity,F-IBI)，并逐渐改善和应用于其他生物类群[10-11]。

在已有的F-IBI应用中，已对黄河[12]、长江[13]以及一些小型河流和湖泊[14-15]进行了有效的健康状况评价。然而，巢湖作为中国五大淡水湖泊之一，其水系的健康程度却较少受到关注。目前，巢湖流域河流健康的相关报道大多聚焦于浮游植物以及大型底栖动物。龙健[16]研究巢湖流域浮游植物的结果显示，其河流水体生态健康状况总体呈中等状态，且不同地区的健康状况存在差异；宁怡等[17]以大型底栖动物作为研究对象，评价了巢湖水体及其主要的水系健康程度。但是，鲜见将鱼类作为指示物种来研究巢湖流域河流健康的报道。近年来，由于人类活动的干扰，巢湖水质以及水生生物数量逐渐下降，甚至发生不同程度的富营养化[18]。因此，有必要对巢湖水系进行生物完整性评价，可为其生态系统及其物种多样性的恢复、保护和管理提供重要科学依据。

1 实验部分

1.1 研究区域

巢湖地处长江下游的安徽省境内(地理坐标为117°16′54″～117°51′46″E，31°43′28″～31°25′28″N)，是中国五大淡水湖之一[19]。巢湖流域处于中国亚热带湿润季风气候区，年平均气温为16 ℃，年降水量较为充沛(约为1 200 mm)，年平均径流量可达5.92×109m3，汛期主要集中在5—8月[20]。该流域水系较多，主要的入湖河流包括杭埠河-丰乐河、南淝河、十五里河、双桥河、白石天河、柘皋河、派河、兆河等以及唯一的出湖河流裕溪河[21-23]。自20 世纪80年代以来，巢湖流域内大力发展城镇化，其富营养化情况日益加剧，水体生态功能有所下降，渔业资源和鱼类多样性受到极大的影响[24]。

1.2 采样点设置与鱼类调查

在野外调查过程中，具体调查样点的选取既考虑样点对特定河段的代表性，又根据可抵达性和可操作性来确定。此次调查样点共53个，分别散布于7个单独入巢湖河流，包括杭埠河(11个)、丰乐河(9个)、派河(5个)、南淝河(6个)、柘皋河(4个)、白石天河(5个)、兆河(6个)和出巢湖河流裕溪河(7个),见图1。此外，考虑到人为干扰因素，每条河流的调查样点尽可能包括人为活动压力相对较小的样点。

图1 巢湖水系及采样点设置Fig.1 Location of sampling sites in the Chaohu basin

2013年10月，对上述采样点进行取样。视水深选择渔具(已经过相关部门许可)：可涉水水域(水深不足1 m)，采用背式电鱼器(电瓶参数为20 A 12 V，电鱼器为4 000 W)直接涉水取样；不可涉水水域(水深超过1 m)，采用船运电捕器(电瓶参数为100 A 12 V，电鱼器为30 000 W)并借助皮筏艇进行取样。每个采样点取样时间约为30 min，采样河长约为100 m，以尽可能确保不同采样点数据间的可比性。采集后的标本在新鲜状态下鉴定，对物种数与个体数进行计数。疑难种以甲醛固定，带回实验室进一步鉴定。其余活体标本释放至采集地。

1.3 环境变量

运用ArcGIS Desktop 10.0软件，在精度为30 m的矢量图上，提取每个采样点的三大类陆地景观因子，包括林地面积占比、农业用地面积占比、建设用地面积占比。由于采样点上游的土地利用会对水生生物造成影响，因此研究针对采样点上游的土地类型进行面积计算。

若水层较深，则采用2.5 L采水器分别于水体上、中、下3层采水，并混合取1.5 L水样；若水层较浅，则取表层水样，黑暗环境下冷藏保存。带回实验室内测定总氮(TN)、总磷(TP)和叶绿素a(Chla)，分别使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[25]、钼酸铵分光光度法[26]和丙酮-紫外分光光度法[27]进行测定。

1.4 F-IBI指数构建

参照文献[28]，选取对干扰反应较敏感的29个候选参数，包括种类组成和丰度、营养结构、繁殖共位群、耐受性及鱼类数量等5种属性(表1)，按照候选参数与土地利用间的相关性分析、参数间的相关性分析以及参数的分布范围筛选。对于参数的分布范围，其值过小会导致参数不能完全区分河流状况[29]。如果某一参数超过70%的数值为0，则删除该参数[30]。

表1 候选参数及其对干扰的响应Table 1 Candidate metrics and its responses to disturbance

1.4.1 参照条件的建立

HUGHES[31]总结了参照条件建立的方法(包括参照点的采用、历史数据应用、考古学研究应用等)。由于工业化程度的日益提高，很难选取合适的参照点，同时也缺少古生物学知识背景，因此HUGHES提出以观测值作为“假设参照”的方法来建立参照条件[32-33]。该研究以王岐山[34]的历史调查结果作为参考，但其仅是巢湖水域整体的物种组成数据。为了更好地联系历史数据，笔者将涉及物种数的参数以历史物种数作为最佳期望值，而涉及数量的参数则以该参数的5%或95%分位数值作为最佳期望值。

1.4.2 分值计算

对各参数进行计分的目的是统一评价量纲。参考王备新等[10]的建议，相对于三分法和四分法而言，在没有或参照点很少的情况下，比值法更合理，因此该研究采用比值法统一各指数量纲。随干扰增加而降低的参数，以其95%分位数值作为最佳期望值，计算方法为参数实际值/最佳期望值；随干扰增加而上升的参数，则以5%分位数值作为最佳期望值，计算方法为(最大值-实际值)/(最大值-最佳期望值)。规定计算后分值的分布范围为0 ～ 1，若大于1，则均记为1[35]。

1.4.3 健康评价标准确定

对构成的F-IBI值进行百分制转换，划分为5个等级，规定大于80为健康；[60～80)为亚健康；[40～60)为一般；[20～40)为差；小于20为极差。

2 结果

2.1 环境因子

表2展示了巢湖流域河流水体土地利用和理化因子。

表2 巢湖流域河流水体土地利用和理化因子Table 2 Landuse types and physicochemical factors of sampling segments in the Chaohu basin

如表2所示，在三大类土地利用类型中，农业用地面积百分比的均值相对较高，而林地面积百分比和建设用地面积百分比的均值较为相近；就理化因子而言，按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对水质的划分，其均值水平主要处于劣Ⅴ类～Ⅲ类水平。

2.2 鱼类组成及生态类型

综合王岐山[34]的巢湖调查结果和笔者研究结果：鲤科鱼类是巢湖水系的主要物种，所占的比例为54.12%～62.5%。按鱼类的垂直分布位置看，底层鱼类均占有最高的比例(历史比例约为41.18%，2013年比例约为47.5%)，如鲤(Cyprinuscarpio)、鲫(Carassiusauratus)、黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)等；按其食性看，肉食性鱼类1987年的比例较高，如红鳍原鲌(Cultrichthyserythropterus)、食蚊鱼(Gambusiaaffinis)等，而2013年仅杂食性鱼类的比例最高，如宽鳍鱲(Zaccoplatypus)、切尾拟鲿(Pseudobagrustruncatus)等；从产卵类型看，产粘性卵鱼类比例较高(历史比例约为43.53%，2013年比例约为47.5%)，如麦穗鱼(Pseudorasboraparva)、棒花鱼(Abbottinarivularis)等；从耐受性看，耐受物种中草鱼(Ctenopharyngodonidellus)等比例较高，而敏感物种如尖头鱥(Phoxinusoxycephalus)等的比例较低(附录A)。

2.3 参数筛选

候选参数与土地利用相关性分析表明，M3、M4、M7、M12、M15、M17、M18、M21、M22、M19、M20、M25、M26、M27和M28至少与一种土地利用类型显著相关(表3)。

表3 同土地利用类型显著相关的候选参数Table 3 Candidate metrices that had significantly correlation with land-use types

根据相关性大小，综合考虑参数反映信息的不同，就与食性相关的参数而言，M12同农业面积的相关系数比M15更高，因此保留参数M12。类似的，同M17相比，M18与农业面积的相关系数更高，因而仅保留参数M18。在反映耐受性属性时，4个参数间彼此均高度相关(M25、M26、M27和M28)，且相对于M25和M27而言，M26和M28与土地利用面积的相关系数更高，故不考虑参数M25和M27。余下的9个参数进行下一步筛选。

其次，对上述筛选后的参数进行Pearson相关性分析，如果2个参数的相关系数大于0.75，则保留生物学信息较多或同环境指标相关性更高的参数[36]。结果显示，尽管M4与M3高度相关，但由于参照的历史数据仅有物种组成，相对于参数M4而言，参数M3能够更好地联系历史状况；同时M4和M26、M28也高度相关，因此，不保留参数M4。此外，M26和M28的相关系数为1，而耐受性鱼类的数量较多，可能包含更多的信息，故仅保留M26(表4)。余下参数进行下一步分析。

表4 9个候选参数间的相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis among nine candidate metrics

注：M3、M4、M21、M22、M19、M20、M26、M28、M7所代表的候选参数指标参照表1。

最后，考虑剩余参数的分布范围。尽管M19和M20的相关性较高，但两者的50%分位数值均为0，随污染的增强，其值几乎无可变动范围，故均删除。同样的，M21和M22的25%分位数值也均为0，均删除。此外，M1在研究鱼类生物完整性评价时，应用较为广泛，予以保留。综合考虑，F-IBI指数的构成包括M1、M3、M7、M12、M18和M26等6个参数。

2.4 分值计算

根据筛选后的参数5%和95%分位数值，确定比值法计算公式，并依此计算各采样点的F-IBI值(表5)。

2.5 健康评价

F-IBI总体得分范围为9 ～ 71分，其中杭阜河、兆河、柘皋河和派河健康状况整体一般；白石

天河上游健康状况为亚健康，但靠近巢湖的采样点健康状况差；裕溪河和南淝河整体健康状况偏差；丰乐河的不同河段，其健康状况有亚健康、一般和差3种标准(图2)。

表5 比值法计算6个生物参数分值的公式Table 5 Formulas for calculation of six metrics scores using the ratio method

注：M3的5%分位数值和M7的95%分位数值均是以历史数据为最佳期望值。

图2 巢湖水系健康状况Fig.2 Condition of health in the Chaohu basin

2.6 F-IBI值与水体指标的关系

F-IBI与log转化后的水体指标(TN、TP和Chla)的Pearson相关性分析见图3。由图3可见，F-IBI与三类指标均显著负相关(P<0.05),但是同Chla的相关系数最高(r=0.52),同TN的相关系数最低(r=0.34)。表明巢湖河流的富营养化是影响河流健康的不可忽视因素。

图3 F-IBI分值与TN、TP和Chla的散点图Fig.3 The scatter plot between the F-IBI and TN, TP, chlorophyll a, respectively

3 讨论

运用生物指标进行河流生态健康评价，选取合适的参照点尤其重要。目前关于参照点选取的常用方法有4种，包括“极少受干扰样点”“受干扰程度最小样点”“最容易实现样点”以及“历史样点”[37]，但在实际研究中仍无统一的标准。如BAROBOUR等[38]在无人为干扰的溪流中设置参照样点；MAXTED等[36]通过理化指标、生境质量来确定参照样点；BOZZETTI等[6]和LI等[12]则采用“假设对照值”的方法。该研究采用的“假设对照值”法，可能会高估最终的F-IBI值，但是在一定程度上也反映了巢湖水系的健康程度。在后期的研究中，需要通过遥感分析采样点附近的土地利用情况，并结合多种理化指标来综合确定采样点的受干扰程度，以增加参照点选取的准确性。

部分生态学家认为，至少需要结构和功能两大指标体系，才能构成较为完整的生态健康评价系统[39]。一方面，就维持水生生态系统的结构和功能而言，鱼类的作用明显较强[40]。此外，该研究采用的鱼类生物完整性指数法综合了鱼类群落组成、数量以及性状特征等多个指标，能够体现多种生态胁迫效应，可以更有效地反映巢湖水系的生态健康程度。研究表明，该体系的评价结果与巢湖水系的实际情况较为吻合，但是由于数据数量和来源的限制，该评价标准目前适用于研究区域内的水体健康，对于其他水体只能作为参照。另一方面，生物指标作为结构指标体系之一，仅用某一类生物评价生态健康程度，其结果可能是片面的。因此，有必要考虑以多种生物作为指示物种，以期全面评价水体健康状况。

从20世纪80年代开始，巢湖流域出现水华蓝藻现象并逐渐扩散至全湖，该水系的健康程度在空间上主要表现为西低东高的趋势[41]。该研究也发现相对于东巢湖而言，西巢湖的主要河流(南淝河、派河和杭阜河-丰乐河)受到了大量来自城镇的生活污水、工业废水以及农业面源污染，其水质明显较差[42]。尽管杭阜河-丰乐河也输入大量污染物，但其同时输入的水量远超污染物，导致流入巢湖的污染物浓度较低，对巢湖富营养化的影响有限。该研究表明，杭阜河-丰乐河的健康程度整体一般，甚至上游呈现亚健康的状态，和事实情况接近；但同时也发现派河整体状况一般，可能由于采样点调查过少，与以往的调查研究结果不太一致[42]。此外，南淝河的健康状况整体偏差，是巢湖流域主要的污染源。因此，西巢湖是生态系统修复及环境保护的重点区域，尤其是南淝河和派河。因大量营养盐排放导致水体环境恶化，也造成巢湖流域部分食性专一(如肉食性)的鱼类种类和数量减少，如翘嘴鲌(Erythroculterilishaeformis)、鲇(Silurusasotus)、鳜(Sinipercachuatsi)等鱼类食性生态位较窄，对恶性水环境条件较为敏感。因此，在巢湖流域未来的管理和发展中，有必要控源截污、提高污水排放标准以及增加打捞力度等，从而减少浮游植物的数量，增加水体透明度，营造适合这些鱼类生存的良好环境。此外，需要建立生态保护区，恢复湿地生态系统、在重点区域实施以水生植物为主的生态修复，以期恢复巢湖流域的生态健康。

4 结论

1)构建的由鱼类总物种数、鲤科鱼类物种数百分比、中下层鱼类物种数百分比、肉食性鱼类数量百分比、产粘性卵鱼类数量百分比和耐受性鱼类数量百分比等6个参数构成的F-IBI值及评价体系，是可以应用于巢湖流域水生态健康评价的。

2)巢湖流域的河流健康状况在空间分布上主要呈现为西低东高的趋势。目前巢湖水系的健康管理需要采取综合治理策略，开展控源工作，削减入湖污染负荷，恢复湿地生态系统等。

致谢：感谢南京农业大学王备新老师的悉心指导。