基于鱼类生物完整性指数的曹娥江流域水生态系统健康评价

蒋孝燕,陈 超,冯志政,金叶飞,杨庆满,任 岗,4①

(1.绍兴文理学院生命与环境科学学院,浙江 绍兴 312000;2.宁波市江南中学,浙江 宁波 315800;3.绍兴市水产技术推广中心,浙江 绍兴 312000;4.浙江绍兴鉴湖国家湿地公园管理委员会,浙江 绍兴 312036)

河流生态系统的健康评价是河流生态系统性修复、保护和管理的重要工具之一,其代表方法包括指示物种法和指标体系法[1]。目前国外已经形成了多种较为成熟的河流健康评价方法,如澳大利亚溪流状态指数法[2]、美国全国河流生态系统健康评价项目[3]、欧盟水框架指令[4]等。近年来,许多学者采用基于硅藻等浮游植物、大型无脊椎动物、水生植物、鱼类等物种的指示物种法和基于水质、水文、水生生物、河流系统物理形态结构、社会经济指标及社会服务功能等综合评价的指标体系法对我国松花江、浑太河、东江等河流的全流域或部分流域进行了河流生态系统健康评价[5]。尽管通过数学模型构建的指标体系法是近年来和未来河流健康评价的重要发展方向[1],但结合指示物种法将更加全面客观地反映河流生态系统健康状态。

生物完整性是指在一个地区的天然栖息地中的群落所具有的种类组成、多样性和功能结构特征以及该群落所具有的自身平衡、保持结构完整和适应环境变化的能力[6]。KARR[7]最早提出生物完整性指数(index of biotic integrity, IBI),该指数综合了多个较为敏感的生物指标且可定量评价生态系统的健康状态,弥补了传统生态系统评价中单一理化监测方式的不足,最初以鱼类为研究对象构建了鱼类生物完整性指数(fish index of biotic integrity, F-IBI),经过多年的发展已逐渐向底栖动物[8]、藻类[9]、鸟类[10]以及高等维管束植物[11]等生物类群推广,被广泛应用于全球不同国家和地区不同类型的生态系统健康研究和评价中。

鱼类通常处于淡水生态系统食物链的顶端,具有鉴定分类信息完善、生活史长、对水环境改变反应灵敏、群落组成在不同水域呈特异性等特征,在水生态系统完整性评价中占有重要地位[7, 12]。鱼类生物完整性指数目前已应用于辽河[13]、长江[14]、黄河[15]、黑河[16]等众多流域的水生生物资源及其栖息生境状况的系统评价中。

曹娥江是钱塘江的主要支流,是中国东部中小河流的代表性河流之一,也是流域地区工农业、饮用水源的主要河流和水资源来源。但近30 a来,由于经济社会的快速发展,水质污染、过度捕捞、水利工程建设等人为因素极大干扰了曹娥江流域水生生物特别是鱼类的栖息生境,鱼类群落结构的复杂性降低、稳定性下降[17],且与长江等大型河流相比,曹娥江鱼类的整体遗传多样性处于中等偏下水平,生物多样性较为脆弱[18]。近年来,曹娥江流域水域环境得到持续治理和明显改善,但鲜有从生物学角度对其水生态环境健康状况开展系统性评估的研究。该研究以曹娥江流域鱼类为研究对象,旨在建立适合该流域的F-IBI评价体系,并对该流域水生态系统的健康状况进行客观描述和评价,为曹娥江渔业环境质量监测和管理、渔业资源可持续发展及区域水域生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

曹娥江发源于磐安县尚湖镇王村的大盘山脉长坞,自南向北流经新昌县、嵊州市、上虞区、柯桥区,自2008年曹娥江大闸建成后成为内陆型河流,干流全长197.2 km,流域面积6 080 km2,主河道平均坡降3.0%。曹娥江主要支流有澄潭江、长乐江、新昌江、黄泽江等,已建有长诏、南山2个大型水库和坂头、辽湾、剡源、巧英4个中型水库。曹娥江大部分河道是沿岸地区重要的工农业用水来源,建有上浦闸、曹娥江大闸、清风船闸等水利枢纽工程。

1.2 样品采集

此次调查共设置9个采样点：干流选取曹娥江入海口滨海,上虞区上浦、沥海,嵊州市三界、仙岩为采样点;支流选取新昌县澄潭江镜岭、新昌江长诏水库,嵊州市黄泽江黄泽、长乐江甘霖为采样点(图1)。2016年4月至2018年12月期间,每年的4、6、9和12月各开展1次样品采集。鱼类样品采集主要在当地渔民协助下进行,在采样点上下游0.5 km范围内进行连续采样。干流利用拖网(规格为4 m宽、2 m高、20 m长,网目10 mm)、流刺网(规格为3层,1.5 m高、50 m长,外层和内层网目分别为100和10 mm)、地笼(规格为20 节,0.4 m宽、0.4 m高、0.5 m深,网目5 mm)等渔具,支流利用背负式电鱼机(功率2 kW,6场管)、流刺网和地笼等渔具。网具作业时间2 h,地笼作业时间12 h,电鱼机采样按“之”字形路线前行采集1 h。

1.3 渔获物保存及种类鉴定

渔获物按采集时间、地点分袋包装,用冰保存后带回实验室。鱼类的物种分类鉴定参照文献[19-21]进行,确定各种鱼的目科属种等分类地位。采自同一个采样点的样品按鱼类种类统计其尾数和总质量,同时统计该采样点的总渔获量。在称重过程中,所有的样品鱼应保持标准湿度,以免因失重而造成误差。经低温保存的样品鱼质量测定值按样品鱼保存期的失重率予以校正。

图1 曹娥江鱼类采样点分布

1.4 F-IBI候选指标体系构建及筛选

1.4.1参考点和受损点选择

参考点和受损点筛选是构建IBI的基础。按照未受到人为活动干扰或受到轻度人为活动干扰的采样点要求,并根据前期曹娥江水质和渔业资源调查结果[17],选择干流上浦和支流镜岭为参考点,选择滨海、沥海、三界、仙岩、长诏、甘霖、黄泽为受损点。

1.4.2候选指标体系构建

为体现曹娥江流域环境梯度上鱼类群落结构的变化,参考曹娥江鱼类群落组成结构[19]并结合文献[13,22],选择种类组成与丰度、营养结构、耐受性、繁殖共位群、鱼类数量与健康状况5个属性的23个候选指标构建F-IBI评价体系(表1)。

1.4.3候选指标分布范围检验

用Excel 2016软件对候选指标进行分布范围检验,对采样点中超过95%为零值的候选指标视为不适用于构建F-IBI,予以删除。

1.4.4候选指标敏感性分析

用GraphPad Prism v8.0.2.263软件绘制候选指标箱形图,分析其在参考点与受损点的分布情况。参照郜星晨等[22]的方法,比较各候选指标在参照点和受损点的箱体IQ(interquartile ranges,25%～75%分位数范围)的重叠情况,分别赋值,保留IQ值≥2的候选指标进行下一步分析。

1.4.5候选指标间冗余检验

用IBM SPSS Statistics 25.0软件对经敏感性分析筛选的候选指标进行Pearson相关性分析,检验候选指标的冗余。以P<0.05为显著水平,当相关系数|r|>0.9时,代表2个候选指标间生物信息重叠度高,按候选指标的重要性大小删除次要候选指标[23]。候选指标经冗余检验后最终获得构建曹娥江流域F-IBI体系的指标。

1.5 F-IBI指标的计算及评价标准

选用1、3、5赋值法对曹娥江流域鱼类生物完整性进行评分计算[13]。将所有指标的分值累加,确定F-IBI分值。采用MOYLE等[24]的F-IBI总分计算方法计算各采样点F-IBI总分(F-IBI总分=各指标总分/指标数量×12),并参照KARR等[25]的方法将曹娥江流域水生态系统的健康状况分为6个评价等级,即极好(58～60)、好(48～52)、一般(40～44)、差(28～34)、极差(12～22)和无鱼(0)。

表1 F-IBI评价体系候选指标及其对干扰的响应

2 结果与分析

2.1 鱼类群落组成及生活习性特征

此次调查在曹娥江9个采样点共采集到鱼类标本17 116尾,分属于12目25科69属107种。其中,鲤形目种2科40属65种,占总种类数的60.75%;其次是鲈形目11科15属20种,占总种类数的18.69%;鲇形目3科5属11种,占总种类数的10.28%;鲱形目和鲀形目各1科1属2种,各占总种类数的1.87%;仙女鱼目、鲻形目、合鳃目、鲟形目、鳗鲡目、颌针鱼目和鲽形目各1科1属1种,各占总种类数的0.93%。

2.2 F-IBI参考指标分析及筛选

各采样点F-IBI参数指标的调查分析结果见表2。所有23个F-IBI候选指标都通过了分布范围的筛选。候选指标的敏感性分析发现,鲤形目鱼类种类数(M3)、中下层鱼类物种数占比(M9)、无脊椎动物食性鱼类个体数占比(M12)、肉食性鱼类个体数占比(M14)、敏感性鱼类个体数占比(M15)、耐受性鱼类个体数占比(M16)、借助贝类产卵鱼类物种数占比(M19)7个候选指标的IQ值≥2(图2)。对上述7个候选指标进行Pearson相关性分析,结果发现,M12与M14、M15和M16呈显著相关,且|r|>0.9。

表2 曹娥江各采样点F-IBI参数指标的调查分析结果

采样点各指标代码含义见表1;箱形图中横线从上到下依次表示上边缘、上四分位数、中位数、下四分位数、下边缘。

M15相比于M12、M14和M16更能从整体上反映曹娥江鱼类受到水质或生境退化等环境因子影响的变化特征。剔除M12、M14和M16,最终获得用于计算曹娥江流域F-IBI的4个核心指标,即M3、M9、M15和M19,分属于种类组成与丰度、营养结构、环境耐受性、繁殖共位群4个属性。

2.3 曹娥江流域F-IBI健康评价

曹娥江流域各采样点F-IBI核心指标的赋分标准见表3,各采样点F-IBI总分及健康状况等级见表4。结果表明,曹娥江流域干流采样点的健康状况等级为“极差～差”到“一般”水平,支流健康状况等级为“一般”到“好”水平,干流健康状况低于干流,显示曹娥江干流中鱼类相对于支流中鱼类受到更多的外界干扰和生存压力。此外,在支流中,长诏的健康状况等级低于甘霖、黄泽和镜岭。

表3 曹娥江流域F-IBI核心指标赋分标准

表4 曹娥江流域各采样点IBI总分及健康评价结果

3 讨论

3.1 曹娥江鱼类特征

此次调查一共采集到鱼类107种,与历史数据[19]相比有很大差异,与何海生等[26]采集的鱼类种数相比,采集种类更多,其原因可能是此次调查设置的采样点更多且时间幅度更长,但两者均以鲤科种类为优势鱼类且鱼类体型小型化现象突出,这与钱塘江等流域的渔业资源的状况[27]相似。鲤科鱼类为优势鱼类符合我国淡水鱼类资源的特点,鱼类体型小型化现象突出可能与过度捕捞、水利工程兴建、水质污染等因素有关。与钱塘江流域[28-30]相比,此次调查在曹娥江流域未采集到太湖新银鱼、松江鲈、鲻、矛尾复虾虎鱼等江海洄游性鱼类及河口鱼类,表明水利工程造成的鱼类生境条件改变可能是导致鱼类资源衰退的重要原因之一[31]。

3.2 F-IBI评价体系及其参考点的选择

鱼类作为水生食物链的顶层或近顶层生物,其生命周期较长、活动能力强、分布广泛、形态特征明显,对水生态环境具有长期性、系统性和稳定性的指示作用,因此鱼类生物完整性指数评价已成为水生态环境健康评价的主要方法之一。鱼类种类数等鱼类状况指数作为长江流域水生生物完整性指数评价必选指标,被列入农业农村部制订的《长江流域水生生物完整性指数评价办法(试行)》(农长渔发[2021]3号),可应用于我国大多数量河流的健康评价。

参考点的选取对F-IBI评价体系的构建起着关键性作用。有鱼类历史调查数据的评价水域和无人类干扰的原始区域是理想的参考点[22]。研究表明,使用不同的标准化方法(历史数据法、水质法、栖境法、综合法)筛选出不同的参考点,会导致河流健康状况评价结果的差异[16, 22]。然而,该研究中曹娥江流域干流和支流均长期受到不同程度的人为活动干扰,同时也缺少捕捞量等量化的鱼类历史调查数据。因此,选择干流中栖息地生境和水质条件较好的上浦和支流中无大型水利设施、栖息地生境相对较好的镜岭作为参考点。曹娥江F-IBI评价结果也显示干流中上浦的健康水平等于三界、仙岩,优于滨海、沥海;支流中镜岭的健康水平等于甘霖、黄泽,优于长诏。然而,由于此次研究中采样点的限制,选择的参考点数量较少,在后续的研究中需要增加采样点,对干流和支流分别建立评价体系,以提高评价结果的可靠性。

3.3 评价结果与实际情况的符合程度

评价结果表明,曹娥江流域干流采样点的健康状况处于“极差～差”到“一般”水平,总体低于支流采样点“一般”到“好”的健康水平。这一评价结果与目前曹娥江干流和支流受到的不同程度干扰相一致。曹娥江干流先后建有上浦闸、曹娥江大闸、清风船闸等多处水利工程,使得曹娥江流域的连通性下降,河流向湖泊型转变,从而导致干流采样点鲤形目鱼类种类数(M3)、鲤科鱼类种类数(M5)和中上层鱼类物种数占比(M8)等指数整体大于支流采样点(表2),这一研究结果与李雪健等[32]的研究结果相一致。同时,在支流采样点中,位于新昌江上游的长诏水库的健康水平低于未建有大型水利设施的长乐江甘霖、澄潭江镜岭和在建水库的黄泽江黄泽的健康水平。这一结果进一步说明了水利设施对水生态系统的影响。

此外,干流采样点敏感性鱼类个体数占比(M15)整体小于支流采样点,而干流采样点耐受性鱼类个体数占比(M16)整体大于支流采样点,也反映出干流比支流遭受更多的水质污染、过渡捕捞和航运等人为干扰压力,水域生态环境处于较差的状态。不过仍需注意的是,支流健康状况等级较高并不代表其生态系统绝对稳定。在前期研究中,镜岭群体的麦穗鱼(Pseudorasboraparva)、光泽黄颡鱼(Pelteobagrusnitidus)和刺鳅(Mastacembelusaculeatus)3种鱼类的单倍型多样性指数和核苷酸多样性指数水平均低于中游仙岩群体的相应指数水平[18],提示曹娥江支流水生态系统健康的脆弱性。因此,建议在曹娥江流域生态环境大力治理和修复的工作中进一步加强休渔期的渔业资源保护,修复鱼类的天然栖息地和产卵场生境,利用水利工程合理调节生态流量提高各江段的水体流动性,进而加快曹娥江流域水生态系统的健康修复。