乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地适宜度初步评价

牛建功，刘春池，刘 鸿，李 红，张 涛，王 甜，蔡林钢

(新疆维吾尔自治区水产科学研究所,农业部西北地区渔业资源环境科学观测实验站,新疆乌鲁木齐 830000)

乌鲁木齐河发源于天山一号冰川,位于天山北坡中段,准噶尔盆地南缘,地理位置位于86°07′-88°10′E,43°02′-44°35′N,地形大致为东、南、西三面环山,北部为倾斜平原,东望可见天山主峰博格达峰,南依天山中段天格尔峰,西北向准噶尔盆地倾斜[1]。该河是乌鲁木齐市的“母亲河”,地处新疆丝绸之路经济带,是新疆现代工业、农业、交通信息、教育科技等最为发达的核心区域[2]。

近年来,随着新疆天山北麓区域内社会经济的迅速发展,尤其是新兴工业、农业以及旅游业的快速发展,伴随着大量的水利工程建设[3],极大的改变了该区域内原有河流生态环境,主要表现为：河流生态完整性受到破坏,天然河道消失、断流或渠系化。由于上述水生生态环境的恶化,首当其冲的即是自治区I级重点保护水生野生动物——新疆裸重唇鱼Gymnodiptychus dybowskii(Kessler)的天然栖息地生境受到致命影响,导致新疆裸重唇鱼在乌鲁木齐河中的种群数量急剧下降,栖息地面积迅速萎缩[4]。新疆裸重唇鱼为鲤科裂腹鱼亚科鱼类,体延长,略侧扁,头后背部稍隆起。头呈圆锥形。吻钝,突出;口下位,马蹄形;下颌有薄的角质,但不锐利;上、下唇十分发达,唇后沟中断;分布海拔为600～2 000 m河段内,产卵场主要分布在河流中上游盆地散流区,繁殖水深0.1～0.8 m,水温8～14℃,流速0.2～0.6 m/s,底质主要为沙石基质。大体分布在我区天山北坡诸河流、伊犁河水系、额敏河水系、开都河水系,涵盖我区约50%左右的的水域,是这些水域的关键种(key species)和旗舰种[5]。

鱼类栖息地评价研究目前在国内外已非常之多,如美国渔业及野生动物署提出的河道内流量增量法IFIM(Instream Flow Incremental Methodology),美国地理调查局国家湿地研究中心鱼类与野生生物署提出的栖息地适宜性指数(habitat suitability indes,HIS)[6-9]等,国内学者均已在长江流域、雅砻江流域等水域建立了鱼类栖息地评价模型[10-11],但新疆水域目前并未开展相关研究,乌鲁木齐河作为干旱半干旱地区的典型河流,建立该流域新疆裸重唇鱼的栖息地适宜度指数评价模型将为该地区其他水域的鱼类栖息地保护工作提供一定的理论基础。

图1 乌鲁木齐河采样点位设置Fig.1 Location of sampling sites in Urumqi River

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

在乌鲁木齐河设置 6个采样点,位于 86°07′-88°10′E,43°02′-44°35′N 之间,自上游至下游分设 W1(一号冰川)、W2(红五月桥)、W3(旧矿厂上游)、W4(电石厂下游)、W5(英雄桥)、W6(青年渠首)六个断面,乌鲁木齐河自青年渠首开始进入明渠引水至乌鲁木齐市乌拉泊水库,青年渠首以下的原河道已改建他用(图1)。

1.2 数据获取

2016年3月至2016年11月,项目组对以上6个断面逐月进行采样,其中水深(D)用测深仪测量,流速(V)用美国德卡托SVR雷达测速仪测定,水温(T)、溶氧(DO)、pH用哈希HQ40d多参数水质分析仪现场测定,底质卵石所占比例(BM)现场测量确定、其他参数盐度(S)、重碳酸盐(Bi)、硫酸盐(Su)、总氮(N)、总磷(P)、总碱度(OH)、氟化物(Fl)、高锰酸盐(MO)均由现场采集5 L样品带回水质水产品质量检测中心24小时检测获得,由于3月份和11月份W1、W2点位为冰封期,故本研究所用数据为2016年4月-10月6个断面的14个参数。

1.3 数据分析

1.3.1 选择环境影响评价参数

本研究数据选择参数为14个。其中D、V、T、BM是栖息地适宜度评估中最常使用的指标[12],因此上述四个参数直接纳入考核指标。其他指标(S、pH等10个水质指标)的筛选参照文献[13]。

具体筛选过程：

(1)利用主成分分析方法(PCA)对余下的指标进行统计分析,根据提取主成分个数累计方差超过60%的原则,通过最大方差旋转法(varimax),经因子载荷矩阵旋转后选择载荷值大于0.6的指标作为下一步待筛选指标;

(2)对余下的候选指标进行相关性分析,最后根据显著性水平确定各指标间信息重叠程度。结合专家经验分析以及指标实际重要程度[14],选取其中相对独立和重要的指标来表征鱼类栖息地状况。上述分析过程均在SPSS17.0统计软件中完成。

1.3.2 栖息地适宜度曲线

栖息地适宜度曲线模型的建立目前主要有3种文献：参考专家经验和相关文献、偏好模型和使用模型。根据目前国内外的研究现状和乌鲁木齐河实际情况,本研究选用栖息地使用模型[15]。

1.3.3 栖息地适宜度指数

栖息地适宜度指数计算方法有很多种,本次研究采用最常用的加权平均法依据。即：

式中,fi为第i个因子的适宜度,取值0～1,0为完全不适宜,1为最适宜,中间值表示物种对该因子的适宜程度;ki表示第i个因子的权重,总和为1,模型评价中结合实际调查结果,采用层次分析法进行评价赋予不同的权重。

2 结果与分析

2.1 鱼类和指示物种调查结果

本次研究中实地采补有渔获物分布的点位为W2至W3断面。对当地土著居民的调访结果显示,历史上乌鲁木齐河流域新疆裸重唇鱼主要分布于W4下游,但在本次调查中却未在该河段捕获样本。随着乌鲁木齐市水源地供水工程,即大西沟水库等的修建,W5断面及其下游鱼类资源锐减。在全年采样过程中,W6断面在3月、9月、10月均为干涸状态。当地渔民走访调查,该流域10 a前新疆裸重唇鱼(地方名：白条)的生物量较为丰富,丰水期一网可以打捞几十尾,部分个体可达500 g以上。对于乌鲁木齐河自然环境的变化,新疆裸重唇鱼具有较为明显的群体组成变化,表现出对栖息地生境变化较高的敏感性和指示性,故而本次研究选取该鱼种作为该流域栖息地评价的指示物种。

2.2 栖息地评价因子的选取

对新疆裸重唇鱼在乌鲁木齐河栖息地调查所获取的14个参数进行主成分分析,得到KMO值为0.698,Bartlett球形度检验值492.773,相伴概率为0,因此认为适合展开主成分分析。根据特征值累计方差大于0.6的标准,提取出3个主成分,见表1。

表1 环境因子主成分分析Tab.1 Principal component analysis of environmental factors

表1分析结果显示,第一主成分包括T、DO、pH、BM、Bi、Su、OH、Fi 8个指标,贡献值较大的是水温、pH、总碱度等,主要反映乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地生境水体理化条件;第二主成分包括D、V、Su 3个指标,贡献值较大的为流速,主要反映栖息地生境的水文特征状况;第三主成分为Do,主要反映水体的溶解氧含量。

根据SPSS主成分分析,可以剔除N、P、S、Mo 4个参数,剩余的D、T、DO等10个参数是对乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地评价贡献较为突出的参数。对这10个参数进行正态分布检验,结果表明,D、T、V三个参数符合正态分布(P＞0.05)。对D、T、V三个参数采用Pearson相关检验,其它参数采用Spearman秩相关检验,分析指标的相关性(表2)。结果显示,10个参数之间表现出极相关的有D和T,D和V,T和Bi,T和Su,Do和pH,Bi和Su,Bi和OH,Bi和Fi,Su和OH,Su和Fi,OH和Fi。其中Bi、Su、Fi均和OH有极显著相关,而且水体酸碱度对上述离子浓度的影响明显,选择OH一个影响因子分析即可。综上所述,本次研究选取D、T、V、DO、pH和OH 6个环境因子来评价乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地。

表2 新疆裸重唇鱼主要环境因子Pearson相关分析和Spearman秩相关分析结果Tab.2 Pearson's and spearman correlation metrics of environmental factors

2.3 单因子适度性曲线

如何计算适宜度的图2为新疆裸重唇鱼在乌鲁木齐河对上述6个评价因子的适宜度曲线。适宜度的高低主要通过野外调查所获取的鱼类样本的丰度来评价。其中,D(深度)的测量范围为0～2.3 m,最适适宜度为0.8 m左右;T(温度)测量范围为0～18.6℃,最适温度为13℃左右;V(流速)测量范围为0～3.5 m/s,最适流速为0.8 m/s;pH测量范围为7.19～8.85,最适值为8.3;DO(溶解氧)测量范围为6.79～10 mg/L;OH(总碱度)测量范围为23.1～128.1 mg/L,最适碱度在70左右。

图2 新疆裸重唇鱼对水深、水温、流速、pH、溶解氧和总碱度的适宜度曲线Fig.2 Suitability curves of depth,temperature,velocity,dissolved oxygen,pH and total alkalinity for G.dybowskii

2.4 栖息地适宜度指数的计算

按照加权平均法计算各个点位在不同季节的栖息地适宜度指数。我们对上述6个评价指标结合实际调查结果,采用层次分析法进行评价。新疆裸重唇鱼为冷水性裂腹鱼亚科鱼类,所以温度应作为首要评价指标,故温度和溶解氧赋予的权重较大,乌鲁木齐河中游水域建设有石灰矿开采场和电石冶炼厂,对水体中总碱度的影响较大,对新疆裸重唇鱼分布具有较大影响,故赋予总碱度指标较大权重,其它指标按照栖息地评价经验和专家建议[9,12-14],从大到小依次设置水深、流速和pH。对上述6个评价指标进行层次分析法,得出的 T、OH、DO、D、V、pH 的评价权重依次为 0.370 8、0.171 8、0.121 5、0.091 9、0.078 9、0.085 9,其中最大特征值为6.450 9,一致性比率CR为0.071 6小于0.1,说明该判断矩阵具有较满意的一致性。表3为各环境因子判断矩阵。

表3 环境因子判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of environmental factors

图3为新疆裸重唇鱼不同栖息地在不同季节的HSI。HIS值最小的点位为0,是W1-3(W1点3月份的数据)、W6-9和W6-10,HIS最大的值为W3-7,其中大于0.7的仅有W3-7和W3-8两个点位;大于0.6的W1有3个月份,W2有5个月份,W3有7个月份,W4有1个月份,W5有2个月份。实际调查过程中捕捞到鱼类样本的仅有W2和W3两个点位,而且W3点位是鱼类丰度最大的点位。

图3 乌鲁木齐河不同点位不同季节新疆裸重唇鱼栖息地适宜度指数Fig.3 HIS of G.dybowskii at different sites every month

3 讨论

3.1 栖息地适宜度指数

新疆裸重唇鱼为裂腹鱼亚科鱼类,属于特化等级,具有极高的科研价值。其栖息地特征对环境影响变化具有重要的指示作用[18-20]。本研究基于主成分分析和AHP层次分析法两部分内容建立乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼的栖息地适宜度指数评价模型。基于主成分分析,在所采集的14个环境因子筛选出6个科学合理的适宜度指数评价指标,然后对这6个主要评价指标进行AHP层次分析,获得相对较为科学的权重值。在主成份分析中,总碱度和pH能够表现出较高的相关性,主要由于本次调查范围属于天山北坡乌鲁木齐河上游河源冰川区,受冰川运动和融水高速冲刷等因素影响,其物理、化学风化速率高于大陆平均速率,对周围区域的环境、生物、地球化学循环具有重要影响,尤其是Ca2+和HCO3-的含量相对较高[21],说明本模型的建立与乌鲁木齐河鱼类栖息地的评价具有较高的契合度。

3.2 栖息地适宜度指数的时空分布

栖息地评价研究目前已比较普遍,但多数集中空间指数评价上,尤其是在海洋、湖泊和长江等大水体上,能够直观的反应各个点位之间鱼类栖息地环境的优劣[22-23]。乌鲁木齐河属于天山北坡冰川河源水,受季节变化影响明显,年内存在明显的枯水期和丰水期,最大径流量可为最小径流量的6倍之多[24-25]。所以,结合国内外研究现状,本研究引入季节性时间特征分析,有效地解决了西北地区冰川河源水体鱼类栖息地评价的瓶颈问题。研究结果显示,乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼的栖息地适宜度指数具有明显的空间、时间分布特征。空间上,栖息地适宜度指数具有中上游较高,下游较低的特征,尤其是W6点位,由于人工渠首引水的影响,全年存在断流的情况,所以适宜度指数较上游5个点位要低的多,其它5个点位中较高的两个点位为W2和W3,符合实际调查数据,如图4。时间上,栖息地适宜度指数表现为夏季较高,冬季较低的特征。尤其是11月至次年3月,栖息地适宜度指数小于0.3,表现出明显的西北地区冰川雪源河流特征,而在夏季4-8月,栖息地评价指数均大于0.5,表现出鱼类栖息生境选择较好的适应性,如图5。

图4 乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地适宜度指数空间分布Fig.4 Variables of HIS on spatial distribution

图5 乌鲁木齐河新疆裸重唇鱼栖息地适宜度指数时间分布Fig.5 Variables of HIS on temporal distribution

3.3 新疆裸重唇鱼栖息地选择与洄游习性存在很大的相关性

鱼类洄游是一种先天性的本能行为,并具有一定的生物学意义。不同的鱼类或同一种鱼类的不同种群,由于洄游遗传特性的不同,各有其固定的洄游路线以及生殖、索饵和越冬场所。这是自然选择的结果,有相当强的稳定性,不会轻易改变[26]。本研究的适宜度指数评价中,由于W4处存在大型石灰矿和电石厂,W5为大西沟调度水库下游,W6存在季节性断流,对鱼类洄游行为的研究存在较大的人类干扰,故仅对W3以上的上游河源区进行分析。对大于0.6的栖息地进行一定的排序,排序结果为W3-7＞W3-8＞W2-5＞W2-6＞W1-5＞W2-8＞W3-9＞W3-10＞W3-4。新疆裸重唇鱼为鲤科裂腹鱼亚科鱼类,其产卵时间为每年的4-6月,并存在短距离的产卵繁殖洄游[4-5]。栖息地适宜度指数评价模型的排序结果说明,W3-W2河段应为新疆裸重唇鱼的越冬场主要分布区,W2-W1河段应为主要产卵场分布区。综上所述,新疆裸重唇鱼在乌鲁木齐河上游水域存在较为明显的季节性洄游,主要原因是由于水深、水温、流速、溶解氧、pH和饵料生物等外部因子的变化而直接影响栖息地生境的变化,从而在不同的季节选择适宜度指数最高的栖息地生存繁衍。

本研究由于资助经费较低,研究范围仅涉及天山北坡诸小河乌鲁木齐河流域,研究结果的理论支撑和数据资料较为薄弱。新疆裸重唇鱼作为分布水域超过新疆地区50%以上天然水域的珍稀濒危物种,后续应扩大研究范围,将伊犁河流域、开都河流域以及天山北坡诸小河的新疆裸重唇鱼栖息地进行HSI模型对比研究,以期建立更加科学、客观的评价方法。

[1]李江风.乌鲁木齐河流域水文气候资源与区划[M].北京：气象出版社,2006.

[2]李龙姣,龚新蜀.天山北坡经济带城市群城市经济联动发展研究[J].市场论坛,2010(5)：10-11.

[3]赵 华.新疆水利水电建设的发展与探索[J].湖北水力发电,2008(增刊)：6-7.

[4]中国科学院动物研究所,等.新疆鱼类志[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社,1979.

[5]蔡林钢,牛建功,李 红,等.巩乃斯河新疆裸重唇鱼和斑重唇鱼产卵场微环境研究[J].干旱区研究,2013,30(1)：144-148.

[6]BUNN S E,ARTHINGTON A H.Basic Principles and Ecological Consequences of Altered Flow Regimes for Aquatic Biodiversity[J].Environmental Management,2002,30(4)：492-507.

[7]BOVEE K D,LAMB B L,BARTHOLOW J M,et al.Stream Habitat Analysis Using the Instream Flow Incremental Methodology[R].GEOLOGICAL SURVEY RESTON VA BIOLOGICALRESOURCES DIV,1998.

[8]WU Fuchun,WANG Chifang.Effect of flow-related substrate alteration on physical habitat：a case study of the endemic river loach Sinogastromyzon puliensis(Cypriniformes,Homalopteridae)downstream of Chi-Chi Diversion Weir,Chou-Shui Creek,Taiwan[J].River Research&Applications,2002,18(2)：155-169.

[9]杨 刚,张 涛,庄 平,等.长江口棘头梅童鱼幼鱼栖息地的初步评估[J].应用生态学报,2014,25(8)：2 418-2 424.

[10]姜跃良,孙大东,喻卫奇.雅砻江中下游鱼类栖息地评价与保护方案[J].水生态学杂志,2015,36(6)：80-85.

[11]MONAGHAN K A,SOARES A M V M.The bioassessment of fish and macroinvertebrates in a Mediterranean-Atlantic cli-mate：Habitat assessment and concordance between contrasting ecological samples[J].Ecological Indicators,2010,10(2)：184-191.

[12]谢 飞,顾继光,林彰文.基于主成分分析和熵权的水库生态系统健康评价——以海南省万宁水库为例[J].应用生态学报,2014,25(6)：1 773-1 779.

[13]龚彩霞,陈新军,高 峰,等.栖息地适宜性指数在渔业科学中的应用进展[J].上海海洋大学学报,2011,20(2)：260-269.

[14]冯 波,陈新军,许柳雄.应用栖息地指数对印度洋大眼金枪鱼分布模式的研究[J].水产学报,2007(6)：805-812.

[15]陈新军,冯 波,许柳雄.印度洋大眼金枪鱼栖息地指数研究及其比较[J].中国水产科学,2008,15(2)：269-278.

[16]USFWS.Standards for the development of habitat suitability index models for use with the habitat evaluation procedures[R].Report 103.Wahsington,DC：Dvision of Ecological Services,USFWS,1981.

[17]曹文宣,陈宜瑜,武云飞.裂腹鱼类的起源和演化及其与青藏高原的隆起关系[M].北京：科学出版社,1981.

[18]杨天燕,孟 玮,海 萨,等.新疆几种裂腹鱼类系统发育关系探讨[J].干旱区研究,2011(3)：555-561.

[19]何德奎,陈毅峰,陈宜瑜,等.特化等级裂腹鱼类的分子系统发育与青藏高原隆起[J].科学通报,2003(22)：2 354-2 362.

[20]HODSON A,TRANTER M,GURNELL A,et al.The hydrochemistry of Bayelva,a high Arctic proglacial stream in Svalbard[J].Journal of Hydrology,2002,257(1/4)：91-114.

[21]康 鑫,张 远,张 楠,等.太子河洛氏鱥幼鱼栖息地适宜度评估[J].生态毒理学报,2011,6(3)：310-320.

[22]蔡庆华,唐 涛,刘建康.河流生态学研究中的几个热点问题[J].应用生态学报,2003(9)：1 573-1 577.

[23]冯宪斌,朱永久,李 茜,等.试验条件下岩原鲤幼鱼栖息地适宜性模型及最小栖息面积估算[J].应用生态学报,2013,24(1)：227-234.

[24]韩添丁,高明杰,叶柏生,等.乌鲁木齐河源冰雪及多年冻土径流过程特征[J].冰川冻土,2010,32(3)：573-579.

[25]孙美平,李忠勤,姚晓军,等.近50a来乌鲁木齐河源区径流变化及其机理研究[J].干旱区地理,2012,35(3)：430-437.

[26]何大仁,蔡厚才.鱼类行为学[M].厦门：厦门大学出版社,1998.