基于鱼类完整性指数的嫩江（黑龙江省境内）水生态评价研究

孟昊杰　王正君　李铁男　张柠　郝旭东

摘要：为探讨嫩江（黑龙江省境内）水生态系统健康状况，对嫩江（黑龙江省境内）进行鱼类与底栖动物监测与数据采集，构建鱼类完整性指数（F - IBI指数），用RDA分析影响底栖动物群落结构的主要环境因子。结果表明：嫩江（黑龙江省境内）总体处于健康状态，Pearson相关性结果表明影响嫩江（黑龙江省境内）鱼类群落结构的主要环境因子是高猛酸盐指数，电导率与溶解氧。RDA结果表明COD、pH值、TN、NH3 -N、水温、Cond是影响底栖动物群落的主要环境因子，结果可为嫩江健康评价和保护提供参考。

关键词：鱼类完整性指数；RDA分析；群落结构

中图分类号：X826 文献标志码：B

前言

嫩江是松花江的北源，发源于大兴安岭，在三岔河口汇入松花江。黑龙江省境内嫩江流域面积有10.3万平方公里，长度1 177. 97公里。

生物完整性指数被广泛运用于河流健康评价。1981年，Karr在评价河流中最先引入了鱼类完整性指数。研究在Karr的基础上，参考袁立来论文，构建嫩江（黑龙江省境内）的F - IBI体系，评价嫩江（黑龙江省境内）水生态健康状况，为嫩江（黑龙江省境内）河流健康评价提供参考。

冗余分析（redundancy analysis，RDA）是一种回归分析结合主成分分析的排序方法，也是多响应变量（multiresponse）回归分析的拓展。从概念上讲，RDA是响应变量矩阵与解释变量之间多元多重线性回归的拟合值矩阵的PCA分析。

1 研究过程

1.1 研究区域与监测点位

此次调查为嫩江（黑龙江省境内）黑龙江省内的河段，用全面布局、重点突出、实地采样结合历史调查进行站位布设，充分考虑嫩江（黑龙江省境内）地理情况从上至下按适当间距设置采样断面。监测断面布设、监测方法和采集的数据及鉴定精度符合监测方法符合SL 167、HJ 710.8或SC/T 9102.3的规定。共设置16个鱼类监测断面，28个底柄生物监测断面。见表1。

1.2 鱼类与底栖生物数据收集

根据鱼类种类组成研究方法，结合嫩江（黑龙江省境内）鱼类种类、生活习性及季节分布规律等特点，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。鱼类用福尔马林溶液固定带回实验室鉴定。编制出鱼类种类组成名录。

采集各样点大型底柄无脊椎动物，对其种类、数量进行鉴定统计。

1.3 水质测定

按照HJ/T 91标准，测量水温（℃）、pH、溶解氧（DO）、电导率（Cond）、高猛酸盐指数（IMN）、五日生化需氧量（BODs）、总磷（TN）、总氮（TP）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH3 -N）等10个指标。

1.4 数据分析

用香农一维纳指数（Shanno - Wiener）（日）、Margalef丰富度指数（dM）、Pielou均匀度指数（J）来分析群落结构。

香农-维纳指数（Shanno - Wiener）（H'）．

H=-∑PiInPi 式（1）

Margalef丰富度指数（dM）：

dM=（S-1）/lnN 式（2）

Pielou均匀度指数（J）：

J= -∑lnPi/lnS 式（3）

式（1） -式（3）中，Pi物种i的个体数占个体数的比例，i=1，2…S。S物种数；Ⅳ群落中所有物种的个体数。

1.5 F-IBI指标设置、筛选及构建

结合嫩江（黑龙江省境内）的情况，拟定指标：（1）指标值存在零值过多或者分布范围过窄，则去除该指标；（2）对剩余指标进行相关性分析，删除有相关性的指标，保留信息量大的指标。

文章构建了5大类19个初选指标（见表2）。

1.6 参照点、指标赋值及评价标准

根据评价河流所在水生态分区，选取相应的参照点和受损点。参照点为人类干扰强度小，河岸带土地利用无耕作土壤的栖息地；受损点为具有明显的人为活动痕迹，河岸带有耕作或耕作废弃土壤的栖息地。此次调查采样断面选取3、4、6号点作为参考点，将其余调查断面作为受损点。将各指标实测值从低到高分为三等，分别用1分、3分、5分表示。对F -IBI总分进行标准化处理：F-IBI总分=（各指标总分／指标个数）×12。参考Karr，划分河流的5个等级：劣态（0 -22），不健康状态（28- 34），亚健康状态（40 - 44），健康状态（48 -52），非常健康状态（58 -60），评价河流健康状况。

1.7 群落结构与环境因子关系

选取底柄动物丰度排名靠前的物种，运用canoco软件进行冗余分析（RDA）分析环境因子对底柄生物群落密度的影响。除pH值外其他环境指标均需经过log10（x+1）变换，实现数据量纲统一。运用spss软件对环境因子和嫩江（黑龙江省境内）鱼类群落密度、生物量、均匀度、丰度和多样性指数等进行相关性分析。研究用冗余分析（RDA）探讨对嫩江（黑龙江省境内）底柄生物丰度与28个采样点位的水环境因子之间的关系。

2 结果

2.1 鱼类与底栖生物数量

嫩江（黑龙江省境内）干流捕捞采集调查到鱼类56种，隶属于7目14科。鲤科鱼类种类34种，占到总种类数的60.71%；鳅科5种，占8.93%；鳞科4种，占7. 14%；鲇科和胡瓜鱼科分别为2种，占3. 57%；银鱼科、鮨科、鳕科和七鳃鳗科等均为1种，占1.79%。此次调查共采集到底柄动物24目87种，共3 320个。

2.2 F-IBI初选指标的筛选

对19个初选指标进行筛选。对初选后的指标进行相关性分析，结果显示，其中，M2与M4均存在显著相关性（P＜0.05），保留信息量较大的M2；另外，M17与M18、M19存在显著相关，由于M19为“多样性”，包含信息量较大，因此只保留M13。最终筛选得到6个指标：MI、M2、M7、M9、M11和M19。

2.3 指标赋值

依据保留的6个指标，将各指标实测值进行赋分，并计算F - IBI总分，以2011年嫩江数据为期望值。结果见表3。

2.4 健康评价结果

如表4所示，16个采样断面样点中，“非常健康”采样断面有2个，占12. 5%。“健康”采样断面有13个，占81. 25%。“亚健康”采样断面有1个，占6.25%。

按照《黑龙江省健康评价指南》6.3.2和5.4.2的计算方法，鱼类指标采取整体评价方法，综合所有监测断面调查到的鱼类种类，计算得出鱼类保有指数和赋分分别为82%、76分。也是处于健康状态，与文章结果一致。

2.5 环境因子的相关性分析

Pearson相关性分析表明：高猛酸盐指数与鱼类生物量与均匀度呈显著正相关关系（p＜0.05）。电导率与鱼类多样性指数呈显著正相关关系（p＜0.05）。溶解氧与鱼类生物量呈显著正相关关系（p＜0.05）。因此嫩江（黑龙江省境内）影响鱼类群落结构的主要环境因子是高猛酸盐指数，电导率与溶解氧。（见表5）

从调查结果来看，大型底柄无脊椎动物的优势主要有：小划蝽、纹石蚕属、秀丽白虾、多足摇蚊属等。从结果来看数据共解释了24%物种与环境因子的相关性，其中化学需氧量，pH值与小划蝽，纹石蚕属，蜉蝣属呈显著的正相关关系，总磷，氨氮与秀丽白虾和细蜉属呈显著正相关关系，水温，电导率，总磷、扁蜉属呈显著正相关关系。总氮，溶解氧，五日生化需氧量，高猛酸盐指数相关性不大。由此可以看出影响嫩江（黑龙江省境内）底柄生物群落结构的主要环境因子有COD、pH值、TN、NH3 -N、水温、Cond。（见图1）

3 讨论

3.1 嫩江（黑龙江省境内）鱼类与底栖生物分析

通过现场调查数据与1985年历史数据对比，嫩江（黑龙江省境内）鱼类种类减少11种达16%左右。分析原因可能是因为两次调查的采样方法及鱼类种类鉴定方法有所差异。同时，此次调查并未发现冷水性鱼类，上述鱼类生活的环境具有含氧量高、水质清澈及水文较低等特点，此次调查未发现说明嫩江（黑龙江省境内）流域水质环境发生变化，部分流域已不适合该种鱼类生存。

3.2 嫩江（黑龙江省境内）河流健康F-IBI评价体系的建立和应用

研究结合嫩江（黑龙江省境内）水生态环境及鱼类组成，从19个初选指标中最终确定了6个指标：鱼类总物种数（M1）、鲤科物种数占比（M2）、底层鱼物种数占比（M7）、定居型鱼物种数占比（M9）、杂食性鱼物种数占比（M11）、鱼类多样性（M19），构成嫩江（黑龙江省境内）河流健康F -IBI评价体系，因采样时间，地点，方法可能存在差异，得到的结果可能有偏差，在之后可进行其他河流F - IBI评价与文章进行比较。

3.3 鱼类与底栖生物群落结构

在平常的研究中，一般运用底柄生物作为评价河流生态的重要指示生物，一个原因是活动能力和范围都小，另一个重要原因是对环境变换比较敏感。文章用RDA分析2021年环境对嫩江（黑龙江省境内）底柄生物群落密度的影响。因文章只对一个月的环境指标进行了测量，可能存在局限性和偶然性，今后可测量多月的指标进行验证与比较。

3.4 嫩江（黑龙江省境内）生态环境现状及保护建议

尼尔基水库大坝未修建过鱼设施，阻隔鱼类的洄游，嫩江（黑龙江省境内）干流在1-3、12月份生态流量不能满足瓦氏雅罗鱼、黑斑狗鱼、鳡鱼、纵带鮠、青鳉、雷氏七鳃鳗、乌苏里鮠等嫩江（黑龙江省境内）代表性鱼类生态流量需求，具有明显洄游特性的瓦氏雅罗鱼在尼尔基水库以下未见其踪迹。大型底柄无脊椎动物空间分布差异较大。嫩江（黑龙江省境内）市下游段至泰来县段，类群相对完整；其中：杜蒙段、肇源段水体Ⅳ类（嫩江黑吉缓冲区），河段长度206公里，耐污能力极强的类群占比26%，未发现襀翅目、蜉蝣目等反映水体清洁的敏感类群。

4 结论

调查期间在嫩江（黑龙江省境内）共采集到鱼类56种，隶属于7目14科。水生昆虫53种，软体动物19种，环节动物7种，甲壳动物8种。鱼类主要以鲤科目为主。大型底柄无脊椎动物的优势主要有：小划蝽、纹石蚕属、秀丽白虾、多足摇蚊属等。基于鱼类完整性指数对嫩江（黑龙江省境内）进行生物学评价。结果表明嫩江（黑龙江省境内）基本处于健康状态。Pearson相关性结果表明影响嫩江（黑龙江省境内）鱼类群落结构的主要环境因子是高猛酸盐指数，电导率与溶解氧。冗余分析结果显示，影响底柄生物群落结构的环境因子主要有COD、pH值、TN、NH3 -N、水温、Cond。嫩江保护任重而道远。

基金项目：黑龙江省重点研发计划指导类科研项目（GZ20220138）；黑龙江省生态环境厅科研项目（HST2022GF004）