基于鱼类生物完整性指数的拒马河北京段河流健康评价

袁立来，王晓梅,3,#，杨文波,*，陈咏霞，丁放，李东浩，王银肖

1. 中国水产科学研究院资源与环境研究中心，北京 100141 2. 河北大学生命科学与绿色发展研究院，保定 071002 3. 中国水产科学研究院长岛增殖实验站，烟台 265800

拒马河是海河流域大清河支流，在北京境内的河段长61 km。历史上拒马河拥有丰富的水生生物资源，据记载鱼类超过40种[1]。由于丰富多样的水生生物加上独特的生境，拒马河水域生态系统具有很强的独特性，极具保护和科研价值[2]。然而，随着北京都市圈的快速发展，拒马河流域的水域生态环境发生了巨大变化[2]，主要表现为旅游餐饮业导致局部河段出现富营养化，梯级拦河坝造成河流片段化，河底挖沙、河道固化导致水生生物栖息生境不断丧失。拒马河当前面临的生态环境问题是我国乃至世界上多数城市型河流普遍面临的困境，如何评估这类河流的健康状况，并有针对性地开展一系列管理和恢复工作，是解决其生态问题的关键。

生物完整性指数(index of biological integrity, IBI)是河流健康评价的重要手段，其有效解决了仅利用物理和化学指标评价河流健康状况的局限性[3-4]。1981年，Karr[5]以鱼类为对象最先建立了利用IBI评价河流健康的方法；经过不断完善，目前已在鱼类[6-7]、底栖动物[8-11]、藻类[12-14]和水生植物[15-16]等类群上得到广泛应用。鱼类是水域生态健康评价的主要指示生物[3,17-19]，国内外利用鱼类完整性指数(fish-index of biological integrity, F-IBI)评估水域生态健康的研究较多，美国是世界上应用IBI评价河流健康状况技术最成熟的国家，至少有29个州运用F-IBI评价河流健康状况[19]。在我国，研究者们利用F-IBI对长江[20-21]、黄河[22]、辽河[23]和漓江等[3]，开展了河流健康状况评估。虽然IBI指数在水域生态健康评价方面的应用较多，但由于不同水域的自然状况及人类干扰程度存在较大差异，导致鱼类等物种的种类组成差异较大，因此不同区域构建的IBI体系往往仅适用于该区域[20,23-26]，在不同区域间需要分别构建IBI体系，以解决其在不同区域及大尺度空间适用性的难题。截至目前，还没有针对拒马河建立的IBI评价体系。本研究以鱼类为研究对象，参考Karr[5]建立的F-IBI评价体系，构建适用于拒马河的F-IBI体系，评价拒马河北京段河流健康状况，为拒马河河流生态健康发展提供管理和修复建议。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区域及调查站位

本次调查范围为拒马河北京境内的河段，北纬39°34′33″～39°39′4″，东经115°29′23″～115°41′13″。按照《内陆水域渔业自然资源调查手册》[27]，根据拒马河北京段的地形和地势条件，充分考虑采样点的代表性，设置了9个调查站位，分别为琅玡河(S1)、天花板(S2)、北石门(S3)、西河口(S4)、九渡(S5)、六渡(S6)、穆家口(S7)、千河口(S8)和龙安大桥(S9)(图1)。

1.2 鱼类采样和种类鉴定

2018年5月和10月2次对拒马河北京段鱼类的分布、种类组成及多样性情况进行了调查，结合拒马河鱼类种类、生活习性和季节分布规律等特点，在调查中选择了以流刺网(捕获中上层鱼类)和地笼(主要捕获底层鱼类)2种网具相结合的方式进行鱼类种类组成调查，每个采样点采用1个刺网和2个地笼，其中，刺网为长50 m高1.2 m的三层刺网(网眼30 mm)，地笼1长10 m(33节，网眼6 mm，30 cm×25 cm)，地笼2长12 m(33节，网眼5 mm，41 cm×32 cm)，每个点网具采样时间为14 h。现场统计捕获的每一种鱼类的数量，并对每一种鱼随机选取10尾用10%的福尔马林溶液固定，带回实验室进行种类鉴定。

图1 拒马河(北京段)调查站位和涉水工程分布图Fig. 1 Distribution of sampling sites and engineering structures in Juma River (Beijing)

1.3 F-IBI指标设置、筛选和构建

根据拒马河北京段的鱼类种类组成及生态学特征，本研究参考Karr[5]的方法初步设置了5大类21个初选指标(表1)，包含物种组成和丰度、营养结构、耐受性、繁殖共位群、鱼类数量和健康状况。本研究将5月和10月各采样点的数据合并，进行各指标值的统计和筛选分析，参考已有指标筛选方法和原则[6,18,24,28]，结合拒马河的情况，拟定了初选指标的筛选标准：(1)如果指标值在各采样点中存在零值过多(≥90%)或者分布范围过窄的情况，则删除该指标；(2)对余下的指标进行相关性分析，删除高度相关的指标(|r|>0.75)，只保留其中信息包含量最大的一个指标。

1.4 参照点、指标赋值和评价标准

理想的参照点应选择完全不受或很少受人类干扰的区域，由于现今大多河流均不同程度受到人类活动干扰，因此应尽量选择受人类活动干扰程度低的点位为参照点，而理想中某采样点“受人类活动干扰程度低”则该采样点相关的指标数据(生物、理化环境等)相对较好。鉴于此，本研究根据Bozzetti和Schulz[29]提出的方法，选取假设的参照数值作为期望值，即将实际采样中某一指标的最好数据作为该指标的期望值[18,26,30]。

将各指标实测值从低到高分为三等，分别用1分、3分和5分表示，5分为最理想，表示采样点实测值与期望值十分接近，3分为中等，最差的等级为1分[6]。为消除指标数量的不同导致F-IBI总分的差异，进行标准化处理：F-IBI总分=(各指标总分/指标个数)×12[6,28]。依据Karr[5]基于鱼类完整性划分河流的6个等级：无鱼(0)，极差(12～22)，差(28～34)，一般(40～44)，好(48～52)，极好(58～60)，评价拒马河北京段河流健康状况，若某采样点的F-IBI总分介于2个评价等级的分值之间，则该河段的健康状况也处于2个评价等级之间。

1.5 环境因子调查和统计分析

调查中，对调查站位水质和河流生境进行了采样和调查。水样采集、保存和检测分析，参照《水质采样 样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)、《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)以及《渔业水质标准》(GB11607—89)等，检测的水质理化因子指标主要包括水深、透明度、pH、溶解氧(DO)、浊度、高锰酸盐指数、生化需氧量(BOD5)和氨氮等8个指标。河流生境调查中，对拒马河北京段现有的拦河坝、桥梁等工程情况进行了GPS定位和记录，提取了各采样点周围拦河坝分布情况的相关参数，包括采样点与上游最近拦河坝的距离、采样点与下游最近拦河坝的距离、最近河坝距离、采样点上下游1 km范围内拦河坝数量、采样点上下游2 km范围内拦河坝数量和采样点上下游3 km范围内拦河坝数量。

表1 拒马河河流健康的鱼类生物完整性指数(F-IBI)评价初选指标体系Table 1 The primary index system of fish-index of biotic integrity (F-IBI) for river health evaluation in Juma River

利用F-IBI值与对应河流段水质理化因子以及相关工程参数进行了Pearson相关性分析(相关性分析前对数据进行正态性检验，不符合正态分布的数据利用log10进行数据转换)。统计分析使用软件SPSS 21。

2 结果(Results)

2.1 拒马河北京段鱼类组成

累计采获鱼类样本2 001尾，分属4目9科共33种(表2)，4目包括鲤形目、鲈形目、鳉形目和鲇形目，其中，鲤形目鱼类最多，为23种，占69.70%，鲈形目5种占15.15%，鲇形目4种占12.12%，鳉形目最少，仅有青鳉1种，占0.03%。

2.2 F-IBI初选指标的筛选

将适应缓流或静水的鲇形目、鲿科、沙塘鳢科、刺鳅科、鲤科和鳅科中环境适应性强的鱼类视为耐受性鱼类；将适应急流或喜清水环境的拉氏鱥、尖头鱥、黑鳍鳈、宽鳍鱲、马口鱼和收录在《中国脊椎动物红色名录》青鳉[31]视为敏感性鱼类。按照筛选标准对21个初选指标进行筛选，M15和M21零值过多，从初选指标中删除；根据取值范围[6,19,32]，M2、M4、M5、M6、M7、M11、M12、M17和M18指标值的取值范围过窄，从初选指标中删除。对余下的指标进行相关性分析，结果如表3所示，其中，M3与M10、M16均存在显著相关性(P<0.05)，由于鲤科鱼类是拒马河主要种类，因此只保留信息量较大的M3；另外，M13与M8、M14存在显著相关，由于M13为“杂食性鱼类种类数百分比”，包含信息量较大，因此只保留M13。综合以上分析，最终筛选得到6个指标：M1、M3、M9、M13、M19和M20。

2.3 指标赋值及健康评价

依据筛选后保留的6个指标对外界环境干扰的响应，将各指标实测值从低到高三等分，按1、3、5分3个层次进行赋分，结果如表4所示。参照Karr[5]的评价等级和内容对拒马河北京段河流健康状况进行评价(表5)，结果显示，除了北石门和西河口2个采样河段的河流健康评价结果为“一般”，其余河段均为“差”，表明拒马河北京段河流健康整体处于较差水平。

表2 拒马河(北京段)鱼类种类组成Table 2 Composition of fish fauna in Juma River (Beijing)

表3 指标间相关性分析结果Table 3 Results of correlation analysis among indicators

表4 拒马河(北京段)F-IBI赋值标准及对干扰的响应Table 4 Assignment criteria of F-IBI and responses to interference in Juma River (Beijing)

2.4 F-IBI分值与环境因子的相关性分析

F-IBI值与对应采样点的水质理化因子(水深、透明度、pH、DO、浊度、高锰酸盐指数、BOD5和氨氮)Pearson相关性分析结果(表6)表明，F-IBI值与几个水质参数均无显著性相关(P>0.05)。F-IBI值与工程分布相关参数Pearson相关性分析结果(表7)表明，F-IBI值与参数“采样点与上游最近拦河坝距离”呈显著相关(P<0.05)。

3 讨论(Discussion)

3.1 拒马河鱼类多样性与历史资料比较

有关拒马河北京段鱼类资源的文献较少，杨文波等[2]2004年对拒马河北京段的调查发现鱼类种类组成是3目8科24种，其中，鲤形目16种占66.7%，鲈形目和鲶形目各4种，各占16.7%。本研究调查鱼类种类分属4目9科33种，与杨文波等[2]的调查结果相似，鲤形目的占比均为最高，本研究占比为69.70%。其次是鲈形目和鲇形目，均只有4～5种，本次调查新增鳉形目1种。在鱼类数量和优势种上，杨文波等[2]的调查中，麦穗占所捕获鱼类总数的80.1%，为拒马河北京段内的优势种类，其他种类数量占比均在10%以下；本研究捕获数量占比达到鱼类总数10%以上的种类有宽鳍鱲(35.70%)、黄(16.79%)和麦穗(15.30%)。结果表明，与10多年前杨文波的调查结果相比，拒马河北京段鱼类种类组成没有显著变化，优势种变化可能与采样总体数量、采样方法和季节有关。

拒马河历史上记载的鱼类超过了40种[1]，除了华北地区常见的鱼类外，还包括多鳞产颌鱼、鳗鲡、东方薄鳅和黄线薄鳅等[1,33]，这些种类在本研究和杨文波等[2]调查中均未发现。

3.2 拒马河河流健康F-IBI评价体系的建立和应用

由于不同区域或不同类型河流的自然状况及人类活动干扰程度存在较大差异，本研究结合拒马河水生态环境现状及鱼类组成特征，从21个初选指标中根据数据的完整性、相关性和取值范围，最终确定了6个指标：鱼类总物种数(M1)、鲤科占总种数的百分比(M3)、中上层鱼种类数百分比(M9)、杂食性鱼类种类数百分比(M13)、产粘性卵鱼类种类数百分比(M19)和鱼类总个体数(M20)，构成拒马河河流健康F-IBI评价体系。期望值或参照点的选取是河流F-IBI评价的关键，一般采取历史数据或者选择人类干扰较小的原始河段作为参照点，但目前尚没有形成统一的标准[34]。尽管拒马河流域已经开展过鱼类资源调查，但是依然缺少系统完整的定量数据，因此只能采用实际采样点中某一指标的最好数据作为该指标的参照值，该方法在评价伊犁河[18]、广西河池地区河流健康(部分指标参照值的确定)[26]的研究中均得到了较好的应用。本研究中，指标赋值方法参照1、3、5赋值法[6]，并结合Karr[5]的评价等级和评价内容，对拒马河北京段河流健康状况做出了评价。

表6 F-IBI值与水环境参数相关性分析结果Table 6 Results of correlation analysis between F-IBI values and water environment parameters

表7 F-IBI值与拦河坝距离和数量相关性分析结果Table 7 Results of correlation analysis between F-IBI values and the distance and quantity of the dams

3.3 拒马河水域生态环境现状分析

利用F-IBI指标体系评价河流的健康状况，可反映不同类型人为活动对河流的综合干扰状况，人为干扰越强，F-IBI指数越低[18,24]。本研究利用F-IBI指数评价拒马河北京段的河流健康，结果表明拒马河北京段河流健康整体处于较差水平。鱼类的组成与分布对水利工程修建、水体污染等十分敏感[18,35]，娄方瑞等[30]的研究表明，F-IBI值与COD、浊度、叶绿素和总氮等水质参数呈显著负相关性，推测由于水体环境的改变造成鱼类敏感性增强和水生群落破坏，从而影响了水域生态系统的健康状况。本研究中F-IBI与几个水质参数均无显著相关性。北京市生态环境局发布的数据也表明，拒马河(北京房山段)水质达到地表水二类(2018年5月和10月，数据来源于北京市生态环境局官网)，说明水质理化因子可能不是影响拒马河北京段河流健康的主要因素。

本研究对拒马河北京段的水利工程进行了排查，在约42.6 km调查河段内共有拦河坝38座(相关数据尚未公开)，多数用途为旅游开发。拦河坝主要类型为水泥坝和堆石坝，材料为混凝土、沙、石，水泥坝多数为低头坝，堆石坝部分有缺口可供水流通过。水坝是河流系统中最具普遍性和典型性的人为干扰形式之一[36-37]。已有研究表明，水坝可通过多种途径来影响河流鱼类群落，包括阻断鱼类洄游通道、改变水流流态和改变栖息地局部环境等[38-39]。本研究相关性分析结果表明，拦河坝的截流对于下游近距离的鱼类资源和生境状况有显著影响，距离越近，影响越大。拦河坝导致河流片段化，纵向连通几乎丧失，鱼类洄游通道被阻断，造成流水性鱼类减少而静水性鱼类增多[40-43]。而拒马河北京段鱼类种类调查结果也显示，种类组成主要是一些喜静水的鱼类，如鲫、泥鳅和黄颡鱼等。除此之外，拒马河北京段还存在河底挖沙、固化，河堤渠道化现象，大量水生植物被破坏，导致鱼类栖息生境大量丧失。

3.4 拒马河生态环境现状及保护建议

本研究调查发现拒马河水域生态环境总体现状受人类活动干扰较重：(1)河道两岸的旅游餐饮业大量发展，导致旅游高峰期部分河段出现水质富营养化；(2)从上游到下游，逐级拦河坝阻断了河流纵向连通，造成河流片段化，导致水生生物洄游受阻；(3)河底挖沙导致底栖生物生境破损，河道及河底的固化及渠化等工程，破坏了大量水生植被，造成鱼类等水生动物的栖息生境不断丧失。本研究结果表明，拒马河北京段的河流健康整体处于较差水平，水质理化因子可能不是影响拒马河北京段河流健康的主要因素，可能主要与河流片段化有关。根据上述现状和本研究分析结果，提出下列恢复和保护拒马河生境建议：(1)根据拦河坝的大小、性质及位置等情况，统筹考虑，有序拆除部分河坝，尽可能恢复河道纵向连通，以恢复河流连续体在纵向上的种群结构及生态功能；(2)开展水生生物栖息生境营造工程，选取合适的河段，移植水生植物，投放人工鱼巢，恢复鱼类关键生境；(3)开展重要水生生物增殖放流，恢复拒马河水生生物多样性；(4)合理发展旅游业，控制污染较大的旅游项目。