西辽河流域鱼类生物完整性指数评价及与环境因子的关系*

张 浩，丁 森，张 远，贾晓波，孟 伟，郭 彪

(1：河北农业大学海洋学院，秦皇岛 066003)

(2：中国环境科学研究院流域水生态保护技术研究室，北京 100012)

(3：天津市渤海水产研究所，天津 300457)

西辽河流域鱼类生物完整性指数评价及与环境因子的关系*

张 浩1,2，丁 森2，张 远2，贾晓波2，孟 伟2，郭 彪1,3**

(1：河北农业大学海洋学院，秦皇岛 066003)

(2：中国环境科学研究院流域水生态保护技术研究室，北京 100012)

(3：天津市渤海水产研究所，天津 300457)

采用鱼类生物完整性指数(F-IBI)评估西辽河流域环境质量，利用相关分析筛选了影响F-IBI的环境因子，结合局部加权回归散点修匀法(LOWESS)估算了这些环境因子的保护限值.结果表明：20个候选参数指标中，鳅科鱼类物种百分比、底层鱼类物种数、耐受性鱼类个体数、杂食性鱼类物种数和筑巢产卵鱼类个体百分比适合作为西辽河流域F-IBI构建参数.采用比值法统一参数量纲，以参考点F-IBI值的95%分位数作为健康参考值，对全流域44个采样点进行健康评价，得到健康点位5个(11.4%)，亚健康点位9个(20.5%)，一般点位12个(27.3%)，差点位11个(25.0%)，极差点位7个(15.9%).电导率、氨氮浓度、碱度和泥沙比例与F-IBI呈显著负相关，坡降和草地比例与F-IBI呈显著正相关.经LOWESS和独立样本t检验发现，电导率、氨氮浓度、碱度、泥沙比例和草地比例等环境因子的保护限值分别为531μS/cm、0.55mg/L、4.4mmol/L、47.2%和37.0%，且限值两侧的F-IBI分值差异显著，该结果可作为西辽河流域环境管理中鱼类群落完整性保护的有益参考.

鱼类生物完整性指数；局部加权回归散点修匀法；西辽河流域；环境因子

水体的生物学评价对评估水体生态系统完整性和水生生物保护具有重要意义[1].生物完整性指数(index of biotic integrity, IBI)作为一种较为成熟的生物学评价方法，已得到了广泛认可和应用[2-5].关于IBI的研究，众多学者较多注重于对其研究的内容不断改进和完善，如拓展生物类群[6-8]、完善指标体系[9]、构建方法和健康评价标准[10]等，并对不同的水体类型进行健康评价，而关于环境因子与IBI之间的相互关系以及环境因子保护限值的研究鲜有报道.

我国关于生物学评价的研究多集中于地表径流连续性的水体[11-15].西辽河所处区域气候干旱少雨，多数支流常出现季节性断流，此外，对西辽河流域开展的水质生物学评价研究尚不多见，仅见高欣等[16]以大型底栖动物为研究对象建立了本区域的水质生物评价体系.本研究尝试构建西辽河流域鱼类生物完整性指数(fish index of biotic integrity, F-IBI)，了解流域内各调查样点的健康状况，并从水化学[17]、物理生境和土地利用[18]等方面筛选出对该流域F-IBI有重要影响的环境因子并计算其保护限值，以期为该流域鱼类保护和环境管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

西辽河(41.1°～45.2°N, 116.7°～124.2°E)位于我国北方典型的农业区与牧业区交汇过渡地带，流域面积约为20.1×104km2[19]，其干流长为827km，流域内大的支流有西拉木伦河、老哈河、教来河等.该流域的主要气候特征为干旱少雨，其水分年蒸发量远大于补给量，水土流失和草场荒漠化严重，区域内大部分河流处于全年断流或季节性断流状态.该区域的环境压力主要来自自身和人类干扰.

1.2 调查方法

2012年8月在西辽河流域设置44个调查断面(图1).对于可涉水河流使用电鱼法进行样本调查，对于不可涉水河流采用刺网采样(孔径大小为5cm)和电鱼法相结合的调查方法，每个断面的调查距离约为300m，调查时间为30min.对采集的鱼类进行物种鉴定和生物学测量，并最终放归河流.

物理生境特征指标包括坡降、蜿蜒度和底质粒径(巨砾、鹅卵石、小卵石、砂砾和泥沙的比例)；其中坡降和蜿蜒度用ArcGIS 9.3软件进行分析，底质粒径组成用筛网进行现场分析，并将粒径大于128mm的定义为巨砾，粒径为64～128mm的定义为鹅卵石，粒径为16～64mm的定义为小卵石，粒径为4～16mm的定义为砂砾，粒径小于4mm的定义为泥沙.

土地利用方式包括未利用地、水域、林地、建设用地、耕地和草地等.本研究分析了调查样点河岸带两侧各3km和样点上、下游各3km范围内的土地利用情况，该数据使用ArcGIS 9.3软件分析获得.

1.3 数据处理

1.3.1 F-IBI评价计算 该过程包括4个基本步骤：(1) 参照点位的筛选.参照渠晓东等的标准化方法[10]进行参考点位的筛选，即根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)和生境评分结果对采样点进行评价：样点水质为Ⅱ类及以上，生境评分为140分及以上，同时人类活动强度与河岸土地利用类型两项指标得分(≥30)均较高的为参照点；水质为Ⅴ类及劣Ⅴ类，生境评分为120分以下，同时人类活动强度与河岸土地利用类型两项指标得分(<25)均较低的采样点为受损点.(2) IBI指标体系的构建.综合参考目前鱼类IBI的相关研究报道[12,15,21-23]，并结合本次鱼类调查的实际情况，从5个方面进行评价体系构建：物种组成与丰度、耐受性和敏感性、营养结构、鱼类数量与健康状况、繁殖共位体.从上述5个方面共选取对环境变化较为敏感的20个指标作为评价体系的候选指标(表1).(3) 指标的筛选.参考当前IBI计算中的指标筛选方法[21-22]，对上述指标依次进行分布范围筛选、判别能力分析、相关性计算等.最终选取适合作为该区域F-IBI的构建指标.其中分布范围筛选是指候选指标在超过5%以上样点得分不为0，否则放弃该评价指标[21]；判别能力分析是指对参考点和受损点在25%～75%分位数分布范围(即箱体IQ值)重叠情况的比较，若箱体没有重叠，则IQ值为3，若箱体部分重叠，但是彼此的中位值均不在对方箱体内，则IQ值为2，若箱体重叠且一者中位值在对方箱体内，则IQ值为1，若箱体重叠且彼此中位值均在对方箱体内，则IQ值为0，在研究中仅对IQ值≥2的情况做进一步分析[22]；相关性计算指对通过判别能力分析的各候选指标进行Pearson 相关性分析，对于|R|>0.9的指标仅选其一[22].(4) 西辽河F-IBI的健康评价.对各构建指标按比值法进行量纲统一[13,21]，各样点F-IBI值用百分制表示.以参照点F-IBI值分布的95%分位数值作为健康评价标准，对小于95%分位数值的分布范围进行4等分，分别划分出亚健康、一般、差和极差的评价标准.

1.3.2 环境因子保护限值计算 环境变量同F-IBI进行Spearman相关性分析，对具有显著相关性的环境变量，利用局部加权回归散点修匀法(locally weighted regression scatterplot smoother, LOWESS)进行拟合，在曲线最为平滑的情况下(f=0.9)，将曲线明显转折处作为环境变量对F-IBI的保护限值[23]，并利用独立样本t检验法，对各环境因子的保护限值进行检验.

环境和鱼类状况等基础性分析采用Excel 2007软件完成，参考点与受损点箱体图绘制采用Oringin 8.5软件完成，环境因子保护限值分析和环境因子间相关性分析图采用R 3.03语言分析软件完成，相关性分析和独立样本t检验采用SPSS 19.0软件完成.

2 结果

2.1 鱼类组成和环境特征

本次调查共采集到鱼类样本9899尾，隶属于5目8科25属28种.其中，鲤形目鱼类最多，有20种；鲈形目其次，有4种；鲇形目较少，有2种；刺鱼目和鳉形目最少，分别只有1种.鲇、黄颡鱼、鲤、宽鳍鱲和大鳞副泥鳅等物种在该流域内分布较少；北方条鳅、达里湖高原鳅、棒花鱼、洛氏鱥、鲫和麦穗鱼等物种数量较多；鲫、棒花鱼、麦穗鱼、北方条鳅和泥鳅等物种分布较广.通过参考相关文献[9,12,24]和实际调查经验，对该流域各鱼类相关生态信息进行总结(表2).

表1 西辽河流域鱼类IBI候选指标列表

对西辽河流域44个调查断面的27个水化学和物理生境等环境因子的整体状况进行分析统计.在水化学方面，参照国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，表明水温、DO和pH均在合理范围内，CODMn、NH3-N、TN和TP浓度等水质评价所选变量的最大值均已达到劣Ⅴ类；物理生境方面，各环境因子变化幅度均较大(表3).

2.2 F-IBI评价

2.2.1 参考点位选择 按照上述点位筛选方法，最终筛选出了W11、W24、W55、W69和W76共计5个点位为参照点；W6、W33、W39、W48、W93、W95、W99、W100和W106共计9个点位为受损点.

2.2.2 指标筛选 各候选指标都通过了分布范围的筛选.在候选指标判别能力的筛选中，M2、M7、M10、M11和M19，共计5个指标在参照点和受损点间有显著差异(P<0.05)，其中M2、M11和M19的IQ值为3，M7和M10的IQ值为2(图2).对上述5个指标进行Pearson相关性检验(表4)，所有|r|值均小于0.9，最终确定5个指标作为构建西辽河流域IBI评价的参数指标.

2.2.3 评分及评价 根据筛选出的构建西辽河流域IBI的各参数指标(表5)及各自对干扰的反应，计算出各参数指标在样点的得分及IBI值，并确定西辽河流域鱼类生物完整性评价标准(表6).

2.2.4 评价结果 根据该流域F-IBI的健康评价标准，对全流域样点进行健康评价，结果发现健康点位5个，亚健康点位9个，一般点位12个，差点位11个，极差点位7个，其各自在全流域所占比例依次为11.4%、20.5%、27.3%、25.0%和15.9%.健康和亚健康点位主要集中在河流源头区的中上游，较差和极差的点位主要分布在河流的下游区域(图3)；同时，河流健康状况与其所处区域开发状况密切相关.

表2 西辽河流域鱼类组成

-表示信息不详.

表3 西辽河流域环境特征

图2 通过判别能力筛选的5个候选指标在参照点和受损点的箱体图Fig.2 Box-plots of 5 candidate metrics which accepted by the discriminatory power analysis between reference sites and impaired sites

表4 5个候选指标的Pearson相关性计算

Tab.4 The pearson correlation coefficient among 5 candidate biological metrics

候选指标M2M7M10M11M19M21M7-0．451M10-0．430．661M11-0．340．550．421M19-0．620．570．500．771

表5 F-IBI构建参数

表6 西辽河流域鱼类生物完整性评价标准

图3 西辽河流域F-IBI评价结果Fig.3 F-IBI assessment results in the Xiliao River Basin

2.3 重要环境变量筛选及其保护限值计算

分析F-IBI值与环境因子的相关关系，以反映水化学、物理生境和采样点周边土地利用类型对河流健康的影响程度.采用Spearman相关性分析IBI值与环境因子之间的相关性.结果表明：IBI与水化学变量中的Cond(P=0.002)、Alk(P=0.003)呈极显著负相关，与NH3-N(P=0.035)呈显著负相关；与物理生境变量中的坡降(P<0.001)呈极显著正相关，与泥沙比例(P=0.038)呈显著负相关；与土地利用方式中的草地比例(P=0.006)呈极显著正相关(表7).

西辽河流域F-IBI与Cond拟合曲线的拐点为531μS/cm，与NH3-N拟合曲线的拐点为0.55mg/L和1.35mg/L，与Alk拟合曲线的拐点为4.4mmol/L，与坡降拟合曲线的拐点为10.4%，与泥沙比例拟合曲线的拐点为47.2%，与草地比例拟合曲线的拐点为37.0%(图4).经独立样本t检验发现Cond、Alk、泥沙比例、草地比例的拐点两侧F-IBI得分差异显著，其P值依次为0.002、0.043、0.044和0.009.NH3-N的保护限值(0.55mg/L)有意义(P=0.026)；NH3-N浓度(1.35mg/L)无意义(P=0.19>0.05).坡降的独立样本t检验P值为0.801，大于0.05，差异不显著.

表7 西辽河流域F-IBI与环境因子之间的相关性系数

*表示P<0.05；**表示P<0.01.

图4 西辽河流域与IBI显著相关环境因子的LOWESS曲线及保护限值(垂直虚线代表环境保护限值)Fig.4 The LOWESS curves and protection limits of environmental factors that significantly associated with IBI in the Xiliao River Basin(vertical dashed line means the protection limit values of environmental factors)

将对西辽河流域F-IBI有重要影响的环境因子做相关性分析，结果表明：Cond与Alk具有较高的相关性(r=0.870)，其它环境因子间的相关性较低，相关系数均未超过0.5(图5).

图5 西辽河流域环境因子间的相关性分析Fig.5 Correlation coefficients of environmental factors in the Xiliao River Basin

3 讨论

3.1 关于健康标准的划分

对于确定F-IBI核心参数的健康评价标准，不同学者所采取的标准稍有不同[1,3,25-26]，这会造成最终的评价结果有所差异.一般来讲，参照点IBI值的25%分位数常被作为健康河流样点评价标准，该标准的前提是参照点选取较为容易且几乎不存在人为干扰因素.在参照点选取较为困难的情况下，有学者提出[3,25]以所有样点IBI值的95%分位数作为健康评价标准.此外还有学者依据研究流域本身的特征，提出以参照点50%分位数作为健康评价标准，以5%分位数作为差等级评价标准，置于两标准之间的作为亚健康评价标准[25-26].因此，应以所选择的评价标准能客观反映出研究流域整体及各个样点的健康状况为宜.本研究以参考点F-IBI值的95%作为健康样点评价标准，对于小于该标准的进行4等分，该评价结果所反映出的西辽河流域不同区域健康状况及整体健康状况与高欣等[16]利用大型底栖动物生物完整性指数评价的结果类似.本研究认为采用参考点F-IBI值的95%作为健康评价标准的依据适合该流域.

3.2 西辽河环境特征分析及对F-IBI的影响

西辽河流域是我国北方典型的农业区与牧业区交汇过渡地带，其所流经区域为我国内蒙古高原向辽河平原过渡地带.该流域上游以山地、林地和草场为主，中下游以农田和城镇用地为主，并伴有水域和荒芜用地[27-28].根据国家《地表水环境质量标准》，西辽河流域水体CODMn、NH3-N、TN和TP等参数变化幅度均较大.该区域上游海拔较高，人类活动相对较少，水质较为清洁，中下游区域受农田灌溉、放牧、城市生活污水及企业废水排放的影响，水质较差.西辽河的物理生境特征以坡降变化和底质粒径组成的变化最为明显.坡降变化剧烈的原因与该流域海拔变化幅度有关，较大的坡降有助于提高水体的氧含量[29].底质粒径组成变化大说明该流域河流的生境差异较大，底质粒径与区域自然地理地貌、气候特征及人类活动有关.

关于水化学对F-IBI影响的探讨：第一，通常认为河流中的Cond高低受自然和人为两方面因素影响[30]，不同区域Cond背景值差异较大.Kimmel等[31]以美国宾夕法尼亚州一条受煤矿废水影响的溪流为对象，提出保护该河流鱼类群落结构的Cond保护限值为3000～3500μS/cm.本课题组在太子河流域的研究发现，保护溪流中大型底栖动物群落结构完整的Cond保护限值为277.1μS/cm(未发表).本研究发现西辽河流域基于鱼类群落的Cond保护限值则为531μS/cm.造成上述研究结果差异的原因可能与流域环境本底值以及研究的生物类群不同有关.Kimmel等[31]的研究中Cond保护限值较高与水体长期受到工矿废水影响有直接关系，在这种长期压力条件下，水生生物对环境干扰的耐受性提高，生物群落结构也逐渐趋于稳定，较高的环境背景压力下研究得到的保护限值有可能会高于其他低环境干扰压力区域的.西辽河流域处于高原向平原过渡地带，该流域大部分区域受到降水、灌溉等因素影响，河道内水量不足，而在放牧造成草地退化的同时，流域坡度差异导致水体对河岸侵蚀加剧，地表风化严重，最终造成水体Cond背景值整体偏高，其中Alk对Cond的贡献较大(图5).另外，有研究发现[31-32]大型底栖动物对环境的干扰比鱼类更为敏感，不同的研究对象会使环境因子保护限值结果存在差异.第二，Alk会对鱼类群落产生影响.黎道丰等[33]发现高盐碱度会降低鱼类种类数量并导致鱼类生长缓慢.本研究也发现相似的结果，碱度增加会降低F-IBI评价得分.第三，本研究发现NH3-N的有效保护限值为0.55mg/L，处于Ⅱ～Ⅲ类水质之间，这与国家《地表水环境质量标准》中渔业水质要求相一致.W102点位的NH3-N浓度达到4.07mg/L，但F-IBI得分为74.3，同时该点位草地比例较高(84%)，河岸带生境质量较好.一方面较好的河岸带生境条件有利于对外源NH3-N输入起到缓冲作用[18]，另一方面较好的生境条件有利于维持较好的鱼类群落结构[34].

关于物理因素对F-IBI影响的探讨：西辽河区域处于内蒙古高原向辽河平原的过渡区域，坡降变化较大.同时受干旱和人为干扰等因素的影响，草场退化和荒漠化情况不容乐观，因此确定上述环境因子的保护限值具有重要意义.坡降指河流水面单位距离的落差，其可以直接影响水体的流速，对于底质泥沙含量比较高的区域，水流速度较大导致水体的浊度升高，不利于光合作用的正常进行，导致藻类产氧量降低，同时泥沙可堵塞鱼类鳃丝，对其呼吸造成影响[35]；有研究表明[36-37]泥沙对水体中的NH3-N和重金属等有毒物质有吸附作用，并随着水流带到下游区域，对区域水质的改善具有一定的作用，但会加重下游区域的污染情况；草地对于提高河流生境质量，防止水土流失和土地沙漠化有着重要作用，同时可以缓解其它环境因子的负面影响[18].因此，在区域管理中，恢复和保持草地比例，防止土地荒漠化和水土流失，控制河流底质中的泥沙比例，最终提高F-IBI状况具有重要意义.

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Assessment of the fish index of biotic integrity and its relationship with environmental factors in the Xiliao River Basin

ZHANG Hao1,2, DING Sen2, ZHANG Yuan2, JIA Xiaobo2, MENG Wei2& GUO Biao1,3

(1:OceanCollege,HebeiAgriculturalUniversity,Qinhuangdao066003,P.R.China)

(2:LaboratoryofRiverineEcologicalConservationandTechnology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)

(3:BohaiFisheriesResearchInstituteofTianjin,Tianjin300457,P.R.China)

The environmental quality of Xiliao River Basin is assessed based on the fish index of biotic integrity(F-IBI). Protection limit values of the environmental factors correlated with the F-IBI are determined by the method of locally weighted regression scatterplot smoother(LOWESS). The results indicated that five indices, including the percentage of the Cobitidae fish, the number of demersal fish species, the number of omnivorous fish species, the number of tolerated fish individuals and the percentage of the nests spawning fish individuals, were suitable for constructing the F-IBI assessment system. The ratio method is used to unify dimensionless parameters. The 95% quantile of the F-IBI in all reference sites is used as the reference value of health conditions. Forty four sampling sites of Xiliao River Basin were assessed by F-IBI. The results found that five sites(11.4%) were in excellent grade, nine sites(20.5%) were in good grade, twelve sites(27.3%) were in normal grade, eleven sites(25.0%) were in poor grade, and seven sites(15.9%) were in very poor grade. Electrical conductivity, ammonia nitrogen, alkalinity and proportion of sand were negatively correlated with F-IBI scores in the Xiliao River Basin, whereas slope and proportion of grassland were positively correlated with F-IBI scores. The results of LOWESS and independent samplettest indicated that F-IBI scores significantly changed when the electrical conductivity, ammonia nitrogen concentration, alkalinity, proportion of sand and proportion of grassland reached the protection limit value, which was 531μS/cm, 0.55mg/L, 4.4mmol/L, 47.2% and 37.0%, respectively. The results of this study could provide beneficial information for the regional environmental management of fish integrity protection in the Xiliao River Basin.

Fish index of biotic integrity; LOWESS; Xiliao River Basin; environmental factors

*国家自然科学基金项目(41401066)和国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07501-001-04)联合资助．2014-10-26收稿；2015-02-05收修改稿．张浩(1987～)，男，硕士研究生；E-mail: shenduhao@126.com.

J.LakeSci.(湖泊科学)， 2015， 27(5)： 829-839

DOI 10.18307/2015.0509

©2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail: dingsen@craes.org.cn.