应用鱼类生物完整性指数评价长江中上游健康状况

刘明典，陈大庆，段辛斌，王 珂，刘绍平*

应用鱼类生物完整性指数评价长江中上游健康状况

刘明典1，2，陈大庆1，段辛斌1，王 珂1，刘绍平1*

（1.中国水产科学研究院长江水产研究所农业部长江中上游渔业资源环境重点野外科学观测试验站，湖北荆州 434000；2.西南大学生命科学学院，重庆北碚 400715）

根据长江渔业资源动态监测网（监测站有宜宾、巴南、万州、荆州、岳阳、湖口、洞庭湖、鄱阳湖）2003- 2008年监测数据，采用Karr提出的、Fausch等修订的12个指标体系水质健康评价原理，依照长江鱼类区域组成特征列出待选指标并结合各指标调查结果进行筛选，初步建立了适合长江中上游干流及附属湖泊的FIBI指标体系。同时，参照Karr做法不单独设定期望值和参照点，而是根据各监测站数据之间的差距分三个层次赋值打分。结果表明：长江上游和中游大多数站位鱼类生物完整性表现为“一般”等级，洞庭湖和鄱阳湖为“差”。统计结果显示长江中上游各监测站FIBI值在近6年的时间内呈下降趋势。

生物完整性；FIBI；健康评价；长江

河流生态系统是生物圈物质循环的重要通道，具有调节气候、改善生态环境以及维护生物多样性等众多功能［1］，当前，河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害，恢复和维持一个健康的河流生态系统已经成为近年来环境管理的重要目标［2］。现在对生态环境的评价已经从依赖于物理、化学指标以及对生物个体与种群跟踪监测的环境评价，扩展为对整个生态系统＂健康＂状态的生态评估。1981年，Karr依据“一个良好的水域生态环境，必然存在一个完善的生物群落结构”的构想，提出用生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）评价水环境质量。IBI是以鱼类为研究对象建立起来的，鱼类生物完整性指数（FIBI）最初被应用于美国中西部的溪流和河流［3］，由于地区性的调整和校正，已经成为一个多参数指数家系，因为不同地区拥有不同的河流以及它们特有的鱼类群落［4］。目前，鱼类生物完整性指数（FIBI）已被广泛应用于河流生态与环境基础科学研究、水资源管理、水环境工程评价以及政策和法律的制订，也被许多环保志愿者组织采用［5，6］。

长江以其物种多样性、丰富度和鱼类资源最大的组成部分而著称［7－9］。自20世纪50年代以来，随着人类活动的加剧，长江鱼类面临着严重威胁，资源逐渐下降，主要原因是大型水利工程建设，围湖造田，工农业污染物的增加，以及酷渔滥捕等人类活动导致［7，9－13］。本文主要基于 IBI评价河流生态系统的原理，初步建立适合长江中上游地区的FIBI指标体系，从长江流域鱼类资源现状出发，评价水域的健康状况，为长江综合开发利用，资源管理决策，以及水环境保护提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 FIBI指标体系

自Karr提出生物完整性指数以来，其指标体系已经发展成多种形式。根据研究地域和水域生态系统的特点，以及数据的可获得性情况，可以选择5，6，10或 12个指标进行生物完整性的评价［14，15］。其中，经Fausch等修订后12个指标的体系得到了较为广泛的应用［16，17］（表 1）。本文先根据长江鱼类多种属性列出待选指标，然后结合各指标调查结果及其与受干扰程度的相关性分析，进行指标筛选并建立适合长江不同江段的FIBI指标体系。参照Karr［18］不单独设定期望值和参照点的做法，根据各监测站数据之间的差距，将各指标值分别分为3个层次，最好的层次评为5分，其次为3分，最差的为1分。综合所选指标的分值得出采样点的FIBI值，按照生物完整性6个等级标准（表 2）［3，18］评价长江鱼类生物完整性状况。

表1 Fausch等修订的生物完整性指标体系Table 1 Architecture of index of biotic integrity modified by Fausch et al

表2 生物完整性等级划分及特征Table 2 Classification of biological integrity and their attributes corresponding to IBI scores based on the sum of 12 metric ratings

1.2 研究区域

研究区域为长江中上游干流宜宾至湖口江段，全长约1 985 km。其中宜宾至宜昌段属长江上游，为峡谷型河道，宜昌至湖口属长江中游，为丘陵平原型河道。在长江上游选取宜宾、巴南、万州，中游选取荆州、岳阳、湖口作为监测站点，另外，包括长江中游2个最大的附属湖泊——鄱阳湖和洞庭湖，共8个研究区域（图1）。

图1 长江中上游鱼类资源监测站Fig.1 Monitoring stations of fishery resources in the upper and the middle reaches of the Yangtze River

1.3 数据来源与分析

研究数据采用长江渔业资源动态监测网（监测站位包括宜宾、巴南、万州、荆州、岳阳、湖口、洞庭湖和鄱阳湖）2003- 2008年鱼类资源监测数据。该监测网每年在长江各段面开展鱼类资源调查，每月调查2次，每年至少24次。从不同捕捞工具、不同网具规格的商业捕捞渔船和市场上收集渔获物信息，根据随机抽样调查商业捕捞渔船进行渔获物统计。通过比较不同站点、不同年份的数据，分析长江鱼类生物完整性指数的变化趋势。

2 结 果

2.1 长江中上游鱼类组成特征

2003- 2008年在长江中上游干流宜宾至湖口段及洞庭湖、鄱阳湖共监测到鱼类14目22科106种，其中鲤科62种，占总种类数的58.49%；鳅科7种，科12种，分别占6.6%和11.32%；鎠科5种，鱼科和平鳍鳅科各3种，鲇科、鎣科和塘鳢科各2种，其他8科各1种。长江上、中游江段及洞庭湖、鄱阳湖调查到鱼类种数分别为79种、39种、54种和49种。另外，长江鱼类外来入侵种有革胡子鲇、加州鲈、淡水白鲳、匙吻鲟、俄罗斯鲟、史氏鲟、斑点叉尾、丁、尼罗罗非鱼、太湖新银鱼、大银鱼以及短吻间银鱼等。这些鱼在三峡库区较多，其来源可能为商业养殖及其他经济鱼类的买卖过程中带入，部分种类如太湖新银鱼和大银鱼具有较强的适应能力，近年来已在库区自然繁殖，并形成了稳定种群。

长江中上游鱼类食性组成包括草食性、杂食性、底栖动物食性、鱼食性4种类型。其中，杂食性鱼类相对较多，占总种类数的70%以上；草食性鱼类较少，仅草鱼和鳊类。繁殖类型分为产漂流性卵、粘性卵、浮性卵、沉性卵4种类群。长江中上游产漂流性卵种类较多，有“四大家鱼”、、鱼、赤眼鳟、翘嘴、蛇?、吻?、铜鱼、鳜、长薄鳅、中华金沙鳅、犁头鳅等。这类鱼产出的卵需要一定流速的水流使之悬浮于水中，顺水漂流孵化。有些种类如“四大家鱼”，自然繁殖对水文条件的生态需求较高，已适应了数百万年来的长江干流栖息环境，其繁殖行为、胚胎孵化发育已与长江流域生态学条件相适应［19，20］。

2.2 长江鱼类生物完整性控制性指标选择

根据长江鱼类组成、耐受性、营养结构、繁殖共位群、鱼类数量与健康状况等5个方面确定了18个待选指标（表3），结合各指标在长江上、中游调查结果及其与受干扰程度的相关性分析，进行指标筛选并建立适合长江不同江段的FIBI指标体系。

表3 长江FIBI待选指标体系Table 3 Candidate index of FIBI adapted for the Yangtze River

筛选标准：种类数指标，若各采样点或评价区域的指标结果均小于5，则取消相应的指标；百分比指标，若各采样点或评价区域之间的差异小于10%，则取消对应的指标；任何一个指标，若90%以上采样点或评价区域指标值均为0，则取消该指标。

2.3 长江中上游FIBI指标体系

根据原始的IBI和适应性应用的IBI确定候选参数。考虑多种可能的生物完整性参数，包括一些已经存在湖泊的IBI参数［21］，早期研究中使用的一些广泛适用和较为稳定的参数被初步确定为本研究的参数。根据长江中上游水域及附属湖泊生态环境影响因素及鱼类组成特征从18个候选指标（表3）中分别选定12个能最好表达各江段鱼类群聚特征的参数（表4，表5和表6）。

表4 适合长江上游的FIBI参数和赋分标准Table 4 Adaptable FIBI system to the upper veaches of Yangtze River

表5 适合长江中游的FIBI参数和赋分标准Table 5 Adaptable FIBI system to the middle Yangtze River

表6 适合长江中游湖泊的FIBI参数和赋分标准Table 6 Adaptable FIBI system to the two lakes in the middle Yangtze River

2.4 长江中上游鱼类生物完整性时空变化

根据表2生物完整性划分等级，2003- 2008年长江上游宜宾和巴南站FIBI值处于“一般”等级，三峡库区万州站某些年份（2006年和2007年）鱼类生物完整性等级为“差”，且FIBI值波动较大，线性回归分析的结果显示巴南和万州FIBI值有降低的趋势（图2）。长江中游荆州、岳阳和湖口FIBI值大多数处于“一般”等级，仅湖口站个别年份（2006年）生物完整性等级为“差”（图3）。洞庭湖和鄱阳湖FIBI值鱼类生物完整性等级均为差，线性回归分析结果显示“两湖”均呈下降趋势，鄱阳湖下降趋势相对显著（图4）。在统计上，长江中上游各监测站FIBI值在近6年的时间呈下降趋势。

图2 2003- 2008年长江上游监测站FIBI值Fig.2 FIBI values of three monitoring stations of the upper Yangtze River from 2003 to 2008

图3 2003- 2008年长江中游监测站FIBI值Fig.3 FIBI values of three monitoring stations of the middle Yangtze River from 2003 to 2008

图4 2003- 2008年洞庭湖和鄱阳湖FIBI值Fig.4 FIBI values of Dongting Lake and Poyang Lake from 2003 to 2008

3 讨 论

3.1 控制性指标选择

种类组成与丰度、耐受性、营养结构、繁殖共位群以及个体数量与健康状况5个方面为鱼类群聚的基本特点，因此，可以作为任何一个水生生态系统FIBI评价的基础。根据这5个方面，结合长江鱼类的实际情况，制定了18个待选指标。由调查结果分析各指标在不同江段的差异，据此在长江上游、中游及附属湖泊分别筛选出12个指标，分属种类组成与丰度、耐受性、营养结构、繁殖共位群以及个体数量与健康状况5个方面。

与Fausch等（表1）修订的指标体系比较，本指标具有如下特点：以总种类数、鲤科、鳅科、科在商业捕捞中的状况作为反映鱼类种类组成特征的主要指标；引入产漂流性种类指标，环境改变通常会导致部分鱼类完成生活史所需的特定的生境条件受到破坏，特别是繁殖阶段对水文等条件要求较高的产漂流性卵鱼类。选择产漂流性卵鱼类指标可以反映水文变化对鱼类种类组成的影响；随着长江上游三峡水库商业养殖的发展，养殖种类的逃逸以及人为的引种都会引入外来鱼类，这些种类通过捕食和竞争被认为能改变本地种的群聚结构，有时能造成本地种的灭绝。外来入侵种类是长江上游FIBI健康评价一个不可忽视的指标；用单位努力捕捞量（CPUE）来代替初始IBI体系中使用的“相关个体数量的多少”来衡量相对丰富度，可以评价河流中鱼类种群的相对大小。各指标值的赋予主要依据商业捕捞的渔获物统计所获得的相对数量比例特征；由于不能确定耐受力差的种类，以渔获物统计中记录到鱼类的科数作为代替，以在中国内陆水域广泛分布的鱼类——鲫作为耐受力强种类的指标。

3.2 FIBI指标体系与水域完整性评价

长江鱼类资源丰富，但由于近年来水利工程建设、环境污染及过度捕捞，各种鱼类的数量日趋减少，站点式小区域的监测调查采样不能代表整个河段，尤其是支流的状况。对于大河来说，渔业渔获物的收集是应用鱼类进行指标评价的首选方法。综合不同江段不同时期的渔获物统计资料，可以对不同江段生物完整性时空变化进行比较。目前研究方法尚无统一的标准，造成现有数据结构的局限，可能会使评价结论包含有一些不确定性，但只要是抽样数据都可能包含误差，因此确信6年连续监测获得的数据对于反映长江鱼类群聚的真实情况是足够的；也同样确信在较长时期内获取的数据对于使用FIBI评价长江生物完整性的时空变化也是充足的。

本研究显示长江中上游鱼类生物完整性为“一般”向“差”过渡状态，生物完整性指数在2003-2008年间呈下降趋势。河流筑坝对水生生态系统功能的影响已经被很多学者报道过［9，22，23］。大坝和水库改变了流态，从自由流动到滞留，阻碍鱼类越冬洄游和索饵洄游。长江上游干流上的三峡电站是目前世界上最大的水力发电站，水利调节改变水温和水化学特性，反过来又会影响生物和化学过程的速率。此外，水域污染，航运、码头等工程建设，以及酷渔滥捕也是影响长江鱼类生物完整性的重要因素。外来入侵物种也是影响长江鱼类资源的一个不可忽视的因素，其影响机制及影响程度有待深入研究。

3.3 FIBI在我国河流生态系统评价中的应用前景

国外利用鱼类进行生物完整性评价已广泛应用于水生态科学研究［24－26］、资源管理及工程影响评价［27，28］以及政策和法律的制订［29］，也有的结合底栖动物完整性指数、周丛生物完整性指数等采用多个生物集合群进行综合比较分析［30］。我国生物完整性水生态系统健康评价研究起步较晚，研究报道很少，积极地在国内开展这方面的研究工作具有深远的科学意义。沈韫芬等认为，生物完整性水生态系统健康评价研究是水生态系统复杂性研究可能取得进展的一个方面［31］。因此，现阶段 FIBI研究应从以下方面开展：①生态系统完整性的评价主要是从其未受人类干扰或受人类干扰少的生态系统的程度来考虑，但在人类活动范围日益扩大的今天很难找到未受人类干扰的区域。因此如何找到一个综合的方法，能够覆盖生态系统各方面，而不仅仅依赖少量生物指标，成为当今研究的难点。②FIBI指示选择研究：已有的一些指示物种和备选指数并不能满足对自然条件各异的河流或同一河流不同河段生态系统进行评价的需求，继续寻找能够反映河流生态系统状况和变化趋势、新的指示物种待选指标将是一个重要的研究方向。③FIBI评价标准统一研究：生物完整性评价过程中评价指标的选取、指标权重的确定和评价体系的运用受到人类主观因素影响过大，可能导致不同评价者对同一生态系统的评价结果不一致，因此，需要开展IBI构建方法研究，主要研究IBI构成指数的筛选方法、标准和统一评价量纲的方法，这样将有助于提高各评价结果的可比性。

致谢：承蒙长江渔业资源动态监测网穆天荣、池成贵、杨如恒、陈文静、徐德平、杨若虎等同志提供监测数据，谨致谢忱！

［1］ 蔡庆华，唐涛，邓红兵.淡水生态系统服务及其评价指标体系的探讨［J］.应用生态学报，2003，14（1）：135－138.（CAI Qing-hua，TANG Tao，DENG Hongbing.Discussion on the freshwater ecosystem service and its evaluation index system［J］.China Journal Apply E-cology，2003，14（1）：135－138.（in Chinese））

［2］ 吴阿娜，杨 凯，车 越，等.河流健康状况的表征及其评价［J］.水科学进展，2005，16（4）：602－609.（WU A-na，YANG Kai，CHE Yue，et al.Characterization of rivers health status and its assessment［J］.Advances in Water Science，2005，16（4）：602－609.（in Chinese））

［3］ KARR J R.Assessment of biotic integrity using fish communities［J］.Fisheries，1981，（6）：21－27.

［4］ KESMINASV，VIRBICKAST.Application of an adapted index of biotic integrity to rivers of lithuania［J］.Hydrobiologia，2000，422／423：257－270.

［5］ HAWKINSC P，NORRISR H，HOGUE JN，et al.Development and evaluation of predictive models for measuring the biological integrity of streams［J］.Geological Applications，2000，10（5）：1456－1477.

［6］ MA K M，KONG H M，CUAN W B，et al.Ecosystem health assessment：methods and directions［J］.Acta Ecologica Sianica，2001，21（12）：2106－2116.

［7］ 常剑波，曹文宣.通江湖泊的渔业意义及其资源管理对策［J］.长江流域资源与环境，1999，8（2）：153－157.（CHANG J B，CAO W X.Fishery significance of the river-communicating lakers and strategies for the management of fish resources［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，1999，8（2）：153－157.（in Chinese））

［8］ WU J，HUANGJ，HAN X，et al.Three Gorges Dam experiment in habitat fragmentation［J］.Science，2003，300：241－248.

［9］ YOUNG S P，CHANG J，LECK S，et al.Conservation strategies for endemic fish species threatened by the Three Gorges Dam［J］.Conservation Biology，2003，17（6）：1748－1758.

［10］CHEN D Q，DUAN X B，LIU S P，et al.Status and management of fishery resources of the Yangtze River［C］∥Proceedings of the Second International Symposium on the Management of Large River for Fisheries Volume I.Bangkok：RAP Publication，2004：173－182.

［11］刘绍平，陈大庆，段辛斌，等.长江中上游四大家鱼资源监测与渔业管理［J］.长江流域资源与环境，2004，13（2）：183－186.（LIU Shao-ping，CHEN Da-qing，DUAN Xin-bin，et al.Monitoring of the four famous Chi-nese carps resources in the middle and upper reaches of the Yangtze River［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2004，13（2）：183－186.（in Chinese））

［12］王海英，姚 畋，王传胜，等.长江中游水生生物多样性保护面临的威胁和压力［J］.长江流域资源与环境，2004，13（5）：429－433.（WANG Hai-ying，YAO Tian，WANG Chuang-sheng，et al.Threat and pressure for the bio-diversity conservation in the area along the middle reaches of Changjiang River with suggestions on the countermeasure［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2004，13（5）：429－433.（in Chinese））

［13］陈大庆.长江渔业资源现状与增殖保护对策［J］.中国水产，2003，3：17－19.（CHEN Da-qing.Status quo of fishery resources in the Yangtze and their enhancement and conservation strategies［J］.China Fisheries，2003，3：17－19.（in Chinese））

［14］MILLER D L，LEONARD P M，HUGHES R M，et al.Regional applications of biotic integrity for use in water resource management［J］.Fisheries，1988，13：12－20.

［15］BEISEL J N，USSEGLIO P P，MORETEAU J C.The Spatial Heterogeneity of a River Bottorn：a Key Factor Determining Macroinvertebrate Communities［M］.Netherlands：Kluwer Academic Publishers，2000：163－171.

［16］KARR J R，DUDLEY D R.Ecological perspective on water quality goals［J］.Environmental Management，1981，（5）：55－68.

［17］FAUSCH K D，LYONSJ，KARR J R，et al.Fish communities as indicators of environmental degradation［C］∥Biological Indicator of Stress in Fish.Bethesda：American Fisheries Society Symposium，1990.123－144.

［18］KARR J R，FAUSCH K D，ANGERMEIER P L，et al.Assessing Ecological Integrity in Running Waters：A Method and its Rationale［M］.Illinois：Natural History.Survey.Specific.Publication.1986.

［19］中国科学院实验生物研究所发生生理研究室.家鱼人工生殖的研究［M］.北京：科学出版社，1966.（Institute of experimental biology.Chinese academy of sciences，laboratory of developmental physiology.Studies on Assisted reproduction of the four famous Chinese carps［M］.Beijing：Science Press，1966.（in Chinese））

［20］易伯鲁，余志堂，梁秩遷，等.葛洲坝水利枢纽与长江四大家鱼［M］.武汉：湖北省科学技术出版社，1988.（YI Bo-lu， YU Zhi-tang， LIANG Zhi-shen， et al.Gezhouba hydraulic project and the four famous Chinese carps in the Yangtze River［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，1988.（in Chinese））

［21］朱 迪，常剑波.长江中游浅水湖泊生物完整性时空变化［J］.生态学报，2004，24（12）：2761－2767.（ZHU Di，CHANG Jian-bo.Evaluation on temporal and spatial changes of biological integrity for shallow lakes in the middle reach of the Yangtze River［J］.Acta Ecological Sinica，2004，24（12）：2761－2767.（in Chinese））

［22］BAXTER R M.Environmental effects of dams and impoundments［J］.Annual Review of Ecology and Systematics，1997，（8）：255－283.

［23］KINGSFORD R T.Ecological impacts of dams，water diversions and river management on floodplain wetlands in Australia［J］.Austral Ecology，2000，25（2）：109－127.

［24］LEONARD P M，ORTH D J.Application and testing of an index of biotic integrity in small，coolwater streams［J］.Transactions of the American Fisheries Society，1986，115：401－414.

［25］BRAMBLETT R G，FAUSCH K D.Variable fish communities and the index of biotic integrity in a western great plains river［J］.Transactions of the American Fisheries Society，1991，120：752－769.

［26］BREINE J.A fish-based index of biotic integrity for upstream brooks in Flanders（Belgium）［J］.Hydrobiology.2004，522：133－148.

［27］STEEDMAN R J.Modification and assessment of an index of biotic integrity to quantify stream quality in Southern Ontario，Canada［J］.J.Fish.Aquatic.Science，1988，45：492－501.

［28］LYDY M J，STRONG A J，SIMON T P.Development of an index of biotic integrity for the Little Arkansas River Basin，Kansas［J］.Environmental Contamination and Toxicology，2000，39：523－530.

［29］LYONSJ，WANGL，SIMONSON T D.Development and validation of an index of biotic integrity for coldwater streams in Wisconsin North.American［J］.J.Fish.Management，1996，16：241－256.

［30］GRIFFITTH M B，HILL B H，MCCORMICK FH，et al.Comparative application of indices of biotic integrity based on periphyton，macroinvertebrates，and fish to southern Rocky Mountain streams［J］.Ecol.Indicators，2005，（5）：117－136.

［31］沈韫芬，蔡庆华.淡水生态中的复杂性问题［J］.中国科学院研究生院学报，2003，20（2）：131－138.（SHEN Yun-fen，CAI Qing-hua.Complexity in freshwater ecosystems［J］.Journal of the graduate school of the chinese academy of sciences，2003，20（2）：131－138.（in Chinese） ）

Assessment of Ecosystem Health of Upper and Middle Yangtze River Using Fish-index of Biotic Integrity

LIU Ming-dian1，2，CHEN Da-qing1，DUAN Xin-bin1，WANG Ke1，LIU Shao-ping1
（1.Fishery Resources and Environment Key Field Station of Upper-middle Reaches of the Yangtze River，Yangtze River Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Ministry of Agriculture，Jingzhou 434000，China；2.School of Life Sience，South University，Beibei，Chongqing 400715，China）

A fish-index of biotic integrity（FIBI）system，adapting to the middle and upper reaches of the Yangtze River and its attached lakes，was tentatively developed from the data obtained by the Yangtze Fish Resources Dynamic Monitoring Network，including the monitoring stations at Yibin，Banan，Wanzhou，Jingzhou，Yueyang，Hukou，the Dongting Lake and the Poyang Lake，from 2003 to 2008，by applying the principle of river health assessment，and on the basis of the system involving 12 indices proposed by Karr and modified by Fausch et al.In the process of development，the indices to be selected were listed in accordance with component characteristics of fish from the Yangtze and screened in combination with the results from the surveys of various indices.According to the Karr’s method，the authors don’t set expectation value and reference point respectively，instead of the differences among data from every monitoring station to value and score at three levels.The results showed that the fish biological integrity was“fair”in the upper and middle reaches of the Yangtze River，whereas in Dongting Lake and Poyang Lake the biological integrity both represented“poor”.Statistically，FIBI scores obtained by each monitoring station tended to decrease in six years.

biological integrity；FIBI；health assessment；Yangtze River

X826

A

1001－5485（2010）02－0001－06

2009-04-01；

2009-07-15

水利部公益性行业科研专项基金（200701010）

刘明典（1980-），男，湖北咸宁人，博士研究生，主要从事鱼类资源与生态研究，（电话）0716-8126891（电子信箱）lmd800226＠163.com。

（编辑：周晓雁）