应用鱼类生物完整性指数评价荔浦河河流健康

邓明星，黄亮亮，莫苑敏，黄健，王倩，宋晓红,，高明慧，邹琦，吴志强,4

1. 桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 541004 2. 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，桂林 541004 3. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，桂林541004 4. 广西壮族自治区海洋和渔业厅，南宁530022

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维持自身平衡、保持结构完整和适应环境变化的能力[1]。1981年，Karr[2]和Barbour等[3]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。生物完整性指数因其操作简单易行，且能很好地评价河流长期的累积效应，目前被世界各地的科学家和河流管理者应用，而且评价生物也由最开始的鱼类发展为底栖无脊椎动物、周丛生物、底栖藻类、浮游生物、高等维管束植物和鸟类等[4-9]。我国自21世纪初开始应用鱼类生物完整性指数来评价河流健康，截止目前在我国的长江、黄河、珠江、辽河、伊犁河、鉴江等水系均有利用[10-21]。

2004年，珠江水利委员会提出了“当好河流代言人，维护河流健康，建设绿色珠江”的治水工作思路，并初步构建了从河流的自然属性和社会属性综合评价河流健康的评价指标体系[22]。近年，利用鱼类生物完整性指数评价河流健康也陆续在珠江水系展开，如东江、红水河、漓江等[12, 23-28]，然而广西境内其他河流健康评价研究相对匮乏。因此，本文以广西桂林市荔浦河为研究区域，构建鱼类生物完整性指标体系评价荔浦河河流健康状况，为荔浦河的河流管理和保护提供理论依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区域

荔浦河位于广西壮族自治区东北部，桂林市南缘荔浦县，属珠江流域西江水系。荔浦河为县境内主要河流，发源于金秀瑶族自治县大瑶山的老山北麓，从西南流向东北贯穿全境，途经修仁镇、青山镇、荔浦县、新坪镇、东昌镇等地，后于思贡村梅子洲流入平乐注入桂江(图1)。县境内河长94.7 km，其流域面积1 602.65 km2，占全县总面积的91%。年均径流量15.56亿m3。荔浦河位于北回归线北侧，属亚热带湿润气候区，四季分明，夏长冬短，春秋为过渡性季节。境内热量丰度，年平均日照时间为1 306.9 h，平均气温19.8 ℃，年平均降水量为1 458.4 mm。

1.2 采样方法

2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)对荔浦河进行4次鱼类样本采集，共设置了11个采样点，分别为修仁镇(S1)、青山镇(S2)、荔浦县(S3)、东昌镇(S4)、龙怀乡(S5)、茶城乡(S6)、蒲芦乡(S7)、杜莫镇(S8)、新坪镇(S9)、马岭镇(S10)、双江镇(S11)(如图1)。以背负式捕鱼器(功率2 kW，6场管)电鱼、刺网(网目10 mm)网捕、竹筒陷阱对采样点进行采样，每个采样点的采样距离约500 m。采样点选取急流区、缓流区、水草覆盖区、深潭等能满足大部分鱼类生存的栖息生境。鱼类样本现场用10%的福尔马林固定，带回实验室进行鉴定和测量，对采集到的鱼类鉴定到种[29-31]，最后用5%的福尔马林保存。

1.3 参考位点的选取

目前，国内外还没有明确的参考点的选取标准，相关研究对于参考点的选取大致分为2类[32-35]：① 研究区域内受人为干扰小的河段；② 使用历史数据作为期望值。因荔浦河缺乏鱼类历史数据，本研究选取上游河段受人为干扰小的S1(修仁镇)、S10(马岭镇)和S11(双江镇)作为参考点。

1.4 指标设置及筛选原则

综合目前国内外的相关研究，结合荔浦河的鱼类组成的实际情况，共设置了25个初选指标(表1)，主要包含物种组成和丰度、营养结构、耐受性、繁殖共位群、鱼类数量与健康状况这五大类参数。

图1 荔浦河采样点分布图Fig. 1 Map of sampling sites in Lipu River

属性Attributes指标(缩写)Metrics (Abbreviation)属性Attributes指标(缩写)Metrics (Abbreviation)种类组成与丰度Species richness and composition鱼类总物种数(M1)Shannon-Wiener多样性指数(M2)鲤科鱼类占总物种数的百分比(M3)鳅科鱼类占总物种数的百分比(M4)虾虎鱼科鱼类占总物种数的百分比(M5)鲇形目占总物种数的百分比(M6)鲌亚科鱼类种类数(M7)野鲮亚科鱼类种类数(M8)鲃亚科鱼类种类数(M9)鮈亚科鱼类种类数(M10)鱊亚科鱼类种类数(M11)中上层鱼类百分比(M12)底层鱼类百分比(M13)中下层鱼类百分比(M14)上层鱼类百分比(M15)营养结构Trophic guilds耐受性Intolerance and tolerance繁殖共位群Reproductive guilds鱼类数量与健康状况Species abundance and condition肉食性鱼类数量百分比(M16)植食性鱼类数量百分比(M17)杂食性鱼类数量百分比(M18)无脊椎动物食性鱼类数量百分比(M19)耐受性鱼类数量百分比(M20)敏感性鱼类数量百分比(M21)产漂浮型卵鱼类数量百分比(M22)产粘性卵鱼类数量百分比(M23)鱼类总个体数(M24)外来鱼类物种个体数百分比(M25)

表2 荔浦河鱼类名录Table 2 List of fish in Lipu River

荔浦河鱼类生物完整性指标筛选原则[4-15, 32, 36]：①分布范围筛选：种类数指标，若各采样点的指标结果均小于5，则移除该指标；百分比指标，若各采样点的指标结果差异均小于10%，则移除该指标；任何一个指标，若90%以上采样点指标结果均为0，则移除该指标。②判别能力筛选：根据Barbour方法[32]，比较参照位点和观测位点在25%～75%分位数范围即箱体IQ(interquartile ranges)内的重叠情况，分别赋予不同的值：没有重叠，IQ=3；部分重叠，但各自中位数都在对方箱体之外，IQ=2；仅一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ=1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，IQ=0。保留IQ≥2的参数进一步分析。③相关性分析筛选：对余下的指标进行相关性分析，移除高度相关的指标(|R|>0.9)，只保留信息量大的指标。

1.5 指标赋值及评价标准

将各指标按1、3、5分3个层次赋值，最理想的等级记5分，最差的等级记1分，中间的记3分[37]。以参考点IBI总分值的25%分位数为健康标准进行划分，对小于25%分位数进行3等分，对未采集到鱼的采样点记为“无鱼”，最终将河流健康状况分为“健康”、“一般”、“较好”、“极差”和“无鱼”5个等级。为消除指标数量造成IBI总分的差异，采用公式IBI总分值=(各指标总分/指标个数)×12[38]。

2 结果(Results)

2.1 鱼类物种组成

共采集到鱼类21 192尾，经鉴定共计鱼类94种，隶属于6目17科62属(表2)。其中，鲤形目3科61种(17 177尾)，占总物种数的64.89%；鲇形目3科10种(1 055尾)，占总物种数的10.65%；鲈形目7科18种(1 348尾)，占总物种数的19.15%；合鳃鱼目2科3种(98尾)，占总物种数的3.19%；鲑形目(1 500尾)和鳉形目(14尾)均1科1种，分别占总物种数的1.06%。

2.2 指标筛选

本研究将适应缓流或者静水的鲌亚科、鲤亚科、黄鳝、斗鱼、食蚊鱼、鲇形目、鳢科、沙塘鳢科鱼类定为耐受性鱼类；将野鲮亚科、鲃亚科、鮈亚科、平鳍鳅科等急流性鱼类定为敏感性鱼类[14,26]。通过分布范围的筛选，指标M5、M6、M7、M8、M25从初选指标中删除。其余指标进行判别能力筛选，仅M1、M2、M10、M14、M16、M21、M22满足筛选要求(图2)，进入下一步筛选；然后对M1、M2、M10、M14、M16、M21、M22进行Pearson相关性分析(表3)，筛选出|R|<0.9，最终确定M1、M2、M16、M21、M22等5个指标为荔浦河河流健康评级体系的评价指标。

图2 荔浦河7个鱼类生物完整性指数候选指标箱体图Fig. 2 Box-plots of seven candidate metrics for index of biotic integrity based on fish in Lipu River

2.3 评分与评价

据初选指标的筛选结果，最终确定了5个IBI指标(表4)。荔浦河参照点IBI总分的25%分位数为48，荔浦河鱼类完整性评价标准见表5。根据2017年的鱼类数据，用表4的评分计算方法，荔浦河8个样点的河流健康状况评价结果如表6所示。

鱼类生物完整性指数评价荔浦河的健康状况结果表明，青山镇、荔浦县和蒲芦乡3个河段为“一般”水平，东昌镇、龙怀乡、杜莫镇和新坪镇4个河段为“较差”水平，而茶城乡河段为“极差”水平。纵观荔浦河河流健康状况，荔浦河干流河段(青山镇、荔浦县及东昌镇)的健康状况大多处于“一般”水平，而支流河段的健康状况相对较差，仅蒲芦乡河段为“一般”水平，其余支流河段均为“较差”或“极差”水平。

表3 荔浦河7个鱼类生物完整性指数候选指标相关性分析Table 3 Correlation analysis among seven metric candidates for index of biotic integrity based on fish in Lipu River

表4 荔浦河鱼类生物完整指标及赋值标准Table 4 IBI metrics and scoring criteria in Lipu River

表5 荔浦河鱼类生物完整性评价标准Table 5 Assessment criteria for index of biotic integrity based on fishes in Lipu River

表6 荔浦河各采样点IBI评价结果Table 6 IBI results for sampling sites in Lipu River

3 讨论(Discussion)

荔浦河与漓江、恭城河在平乐汇聚后始称桂江。邻近的漓江河流健康状况显示漓江上游支流多数处于“健康”水平，中下游河段也处于“一般”或“一般”以上水平[26-27]。相比之下，荔浦河上游支流河段的健康状况相对较差，仅蒲芦乡河段为“一般”水平，其余支流河段均为“较差”或“极差”水平。荔浦河的河流健康状况令人堪忧，地方政府应马上采取相关措施对荔浦河进行生态保护与恢复。

荔浦河支流上人类活动剧烈，如筑坝工程、架桥工程、修路工程等引起的水文变化或水体理化性质变化是导致这些河段鱼类多样性下降的主要原因。如茶城乡(S6)和龙怀乡(S5)位于水库下游，其鱼类物种组成分别只有20种和23种，其鱼类物种组成主要以鲤亚科、鲇形目、鳢科、沙塘鳢科鱼类等耐受性鱼类为主，且研究期间茶城乡(S6)有架桥工程，采样期间水体浊度较高，这也是导致茶城乡(S6)河段河流健康水平下降的原因之一。另外，杜莫镇(S8)沿河的修路工程引起河流水体浊度急剧增加，导致该河段的鱼类物种下降至18种，且其鱼类物种组成也以耐污型鱼类为主。众多研究结果表明，水体浊度增加会导致鱼类的生理功能急剧下降，且悬浮物可直接堵塞或损坏鱼类鳃组织，进而抑制鱼类或软体动物的生长，甚至导致其死亡，尤其对幼鱼和小型鱼类危害更大[39-41]。

致谢：感谢捷克布拉格生命科学大学(Czech University of Life Sciences Prague)陈中兵博士在文章修改中给予的帮助。