基于鱼类完整性指数的瓯江干流(丽水段)水生态系统健康评价*

余根听 尤爱菊 周鑫妍 胡可可 许开平 滑 磊 唐文嘉

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院),浙江 杭州 310020)

河流作为生态系统的重要组成部分,能为各种生物的生存、觅食、繁殖等提供必须的活动空间、食物来源及栖息庇护等,是物质循环、能量流动、信息传递的重要通道。河流生态系统健康与否,影响着环境、社会和生活的诸多方面。20世纪80年代,欧洲、美国、南非、澳大利亚等国家开展了大规模的河流生态系统保护工作,从水量、水质、栖息地以及水生生物等角度出发,以维持河流生态系统完整性为目的,提出了多种河流生态健康评价方法,包括河流无脊椎动物预测和分类系统(RIVPACS)、河流评估系统(AUSRIVAS)、生物完整性指数(IBI)、澳大利亚溪流状况指数(ISC)、瑞典岸边与河道环境细则(RCE)、英国河流栖息地调查方法(RHS)以及快速生物监测协议(RHP)等[1-3]。硅藻和底栖无脊椎动物是用于评估河流生态系统健康的常用生物监测对象[4-7],然而在实际操作中,使用硅藻或无脊椎动物作为生物监测对象存在一定困难,如需要专门的分类学专业知识、采样分类和识别困难且耗时、物种和群体通常缺乏背景生活史信息等,导致监测结果很难转化为有价值的评价依据。

鱼类具有分布广泛、鉴定相对容易、生活史长序列、对生存环境存在应激行为、具有群聚效应以及公众熟知等特点[8],众多学者相继开展了大量的鱼类生物完整性评价。借鉴以往研究经验,本研究通过构建鱼类完整性指数(F-IBI)体系,对瓯江干流(丽水段)水生态系统健康状况进行评价,以期为瓯江干流水生态系统保护与修复提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域主要为瓯江干流(丽水段)的龙泉溪(25.23 km)、大溪(96.34 km)。瓯江位于浙江省南部,干流全长约384 km,流域面积18 100 km2,是浙江省第二大河流。瓯江属山溪型河流,生态环境多样,孕育着丰富的水生生物资源,其中鱼类资源尤为丰富,为中国溪流性鱼类分布的典型代表[9]。根据《瓯江水产资源初步调查报告》记载,1964—1972年调查瓯江流域有鱼类111种,其中瓯江干流(丽水段)调查发现81种。随着经济社会发展,瓯江流域水生态系统发生了较大变化,但后续并未针对整个瓯江流域鱼类进行系统调查研究,直至2008年后,才陆续有对瓯江流域丽水段[10]、温州段[11]溪流性鱼类和瓯江河口海域[12]等鱼类的调查和研究。

1.2 调查站点设置及样品采集

1.2.1 站点设置

根据《内陆水域渔业自然资源调查手册》和《淡水渔业资源调查规范 河流》(SC/T 9429—2019)要求,综合考虑瓯江干流(丽水段)地形地貌、支流汇入以及历史监测点布设情况等,将研究区划分为龙泉段、大港头段、莲都城区段和海口村段,龙泉段与大港头段之间的紧水滩水库、石塘水库、玉溪水库不纳入本次调查范围(见图1)。由于鱼类具有较强的活动能力,本次站点的设置以河段为准,不固定于某一特定断面。

图1 调查河段分布Fig.1 The distribution of surveyed river section

1.2.2 样品采集

样品采集共计4次,主要集中于2019年3月、5月、8月和10月。鱼类综合调查采用现场捕捞法、渔获物调查法和补充调查法。现场捕捞法根据采样河段的生境类型和调查种类的习性,选择相应的网具、钓具或其他捕鱼设备,在各河段鱼量较多的位置直接捕获鱼类样本(河流采样时间控制在60～120 min),新鲜称重和测量体长后,部分需要进一步鉴定种类的样品用8%(质量分数)的福尔马林溶液固定后带回实验室鉴定;渔获物调查法直接从渔民或垂钓者处购买收集其持有的所有渔获物;补充调查法通过访问相关部门及人士(当地渔业部门、水产协会、水务部门、当地渔民),获得该水域鱼类的基础资料。物种鉴定主要参考《中国鱼类系统检索》《中国动物志·硬骨鱼纲·鲤形目》《中国动物之·硬骨鱼纲·鲇形目》等。

1.3 F-IBI体系构建

1.3.1 候选指标

经过近20多年的研究,国内外众多学者已基本建立了适合于不同水域的F-IBI指标体系[13-15]。郑海涛[16]4通过对比了19个不同研究地区F-IBI指标体系的68个指标,发现鱼类的种类组成与丰度、营养结构、繁殖共位群、鱼类数量与健康状况、耐受性等对环境变化较为敏感。本研究借鉴以往研究成果,结合2019年瓯江干流(丽水段)鱼类数据监测情况,优化初选了25个F-IBI候选指标,各指标情况及对河流生态损害的响应详见表1。

表1 F-IBI候选指标及对河流生态损害的响应Table 1 The candidate indicators of F-IBI and their response to ecological damage

1.3.2 指标筛选原则

指标筛选时依据以下3个原则:(1)分布范围筛选[16]9。指标计算结果在采样断面间差异值(以两两比较差异的均值计)小于10%的排除,任一指标在90%以上采样断面均为0的排除。(2)判别能力筛选[17]。以瓯江干流2010年8月龙泉段、大港头段、莲都城区段、海口村段4个监测河段各项指标计算结果作为参照,比较各指标参照值与观测值间箱体25%～75%分位数范围的重叠情况并据此赋值(IQ),如2个箱体中位数都在对方箱体内,则IQ=0;如箱体部分重叠,其中一个中位数值在对方箱体之内,另一个在对方箱体之外,则IQ=1;如箱体部分重叠,但中位数值均在对方箱体之外,则IQ=2;如箱体没有重叠,则IQ=3。保留IQ≥2的指标进一步分析。(3)相关性分析筛选。对余下指标进行Pearson相关性分析,以检验候选指标的冗余。当相关系数绝对值>0.9时,2个指标间信息重叠度高,需删除一个,保留信息量大的指标[18]167。经上述原则筛选后,最终确定构成F-IBI的指标。

1.4 指标赋值与评价标准

以瓯江干流2010年8月龙泉段、大港头段、莲都城区段、海口村段各项指标计算结果的最大值作为期望值,采用1、3、5赋分法[19],对瓯江干流(丽水段)水生态健康状况进行评价。其中,指标计算值达到期望值75%以上的计5分,不及期望值50%的计1分,位于两者之间的计3分[18]167。考虑到在评价不同水体时选用的F-IBI体系指标数量可能存在不同引起总分差异,参考文献[3]对F-IBI的总得分进行标准化处理,计算公式见式(1):

(1)

式中:T为F-IBI总分值;Vi为第i个指标的分值;n为指标数量。

根据计算结果,将F-IBI总分值划分为6个健康等级,详见表2。

表2 F-IBI等级划分Table 2 The classification of F-IBI

2 结果与分析

2.1 瓯江干流(丽水段)鱼类种类组成

本次调查共采集到鱼类样本3 550尾,隶属于7目16科69种,其中鲱形目、鲑形目、鳗鲡目均有1种,分别为刀鲚、香鱼、日本鳗鲡;鲤形目有2科45种,其中鲤科共计41种,占总种数的59.42%,鳅科共计4种,占总种数的5.80%;鲇形目共计10种,占总种数的14.49%;合鳃目共计1种,占总种数的1.45%;鲈形目共计10种,占总种数的14.49%。从营养结构看,有23种肉食性鱼类、40种杂食性鱼类、2种植食性鱼类、2种滤食性鱼类、2种腐屑食性鱼类;从繁殖共位群看,有5种产沉性卵鱼类、11种产浮性卵鱼类、13种产漂流性卵鱼类、40种产黏性卵鱼类,其中包括10种特殊产卵行为鱼类;从栖息水层看,有28种栖息于底层、19种栖息于中下层、22种栖息于中上层;从耐受性看,有36种敏感性鱼类、27种耐污性鱼类、6种一般性鱼类[20-21];从鱼类数量及健康状况来看,共有3种外来物种,包括蓝鳃太阳鱼(北美引进)、奥利亚罗非鱼(喀麦隆、乍得、埃及等引进)、日本鳗鲡(日本引进),2种杂交物种(瓯江彩鲤×鲫、鲤×鲫)。

2.2 F-IBI指标的筛选

通过以上方法,计算本次25个F-IBI候选指标的结果,详见表3。经分布范围筛选,指标M21在各断面均为0,需排除;剩余候选指标只有M1、M5、M6、M8、M9、M16、M24、M25的箱体图满足判别能力需求(见图2),因此选择这8个指标进入下一轮Pearson相关性分析。

表3 瓯江干流(丽水段)不同水段F-IBI候选指标计算结果Table 3 The calculation results of F-IBI candidate indicators in monitoring sections of Oujiang River (Lishui section)

图2 瓯江干流(丽水段)F-IBI候选指标参照点与监测点箱体图Fig.2 The box diagram of reference value and monitored value of F-IBI candidate indicators in Oujiang River (Lishui section)

应用SPSS软件对上述8个指标进行Pearson相关分析,结果见表4。M1与M16、M16与M24之间相关系数绝对值>0.9,表明彼此之间重叠度较高,故而排除信息量较小的M16,保留信息量较大的M1和M24,最终确定7个指标构成评价瓯江干流(丽水段)水生态系统健康状况的F-IBI体系,各指标期望值及赋分标准详见表5。

表4 瓯江干流(丽水段)8个候选指标之间的Pearson相关系数Table 4 The Pearson correlation coefficient among 8 candidate indicators in Oujiang River (Lishui section)

表5 瓯江干流(丽水段)F-IBI指标的期望值及赋分标准Table 5 The expectation value and scoring standard of F-IBI indicators in Oujiang River (Lishui section)

2.3 F-IBI评价结果

7个指标经量化分析后,得到瓯江干流(丽水段)F-IBI指标评价结果,具体见表6。龙泉段、莲都城区段、海口村段F-IBI评价结果处于“极好”水平,大港头段处于“好”水平。

表6 瓯江干流(丽水段)F-IBI指标评价结果Table 6 The evaluation results of F-IBI indicators in Oujiang River (Lishui section)

通过对不同采样点渔获物种类分析及群落相似度比较,并综合考虑河流生境状况,认为造成4段水域F-IBI存在差异的原因如下:(1)上游龙泉段为溪流性河道,水量较小,适宜小型流水性鱼类栖息,物种较为丰富;(2)大港头为玉溪水库下游,经过南山工业区块,受玉溪水库的蓄泄水及南山工业区开发利用影响,水文情势及水质波动较大,会对鱼类的栖息产生一定负作用;(3)根据《瓯江水域生态系统生境保护与构建工程技术及应用研究》(2013年)专题报告,综合河岸基质、水流类型、水生植被、生境类型、人工护岸、水质污染等6个因素,发现莲都城区段河流生境质量比大港头段更好,为鱼类提供了良好的栖息条件,故而莲都城区段F-IBI总分值高于大港头段;(4)海口村段受开潭电站、五里亭电站、外雄电站及三溪口电站等影响,原有河流相水体正逐渐转变为湖库相水体,喜动水鱼类群落正逐渐向喜静水鱼类群落转变,导致现阶段鱼类丰富度相对较高。

3 结 论

(1) 从鱼类的种类组成与丰度、营养结构、繁殖共位群、鱼类数量与健康状况、耐受性等对环境变化较为敏感的项目中初选25个候选指标,根据样品采集情况计算各指标结果,并以2010年8月瓯江干流鱼类监测数据为参照值,根据分布范围筛选、判别能力筛选及相关性分析筛选原则,最终选取M1(总种数)、M5(鲈形目占总种数的比例)、M6(中上层鱼类占总种数的比例)、M8(底层鱼类占总种数的比例)、M9(Shannon-Wiener多样性指数)、M24(敏感性鱼类占总种数的比例)、M25(耐受性鱼类占总种数的比例)7项指标,构建瓯江干流(丽水段)F-IBI指标体系。

(2) 根据构建的F-IBI体系,对瓯江干流(丽水段)水生态健康状况进行了评估。结果显示,龙泉段、莲都城区段、海口村段水生态健康状况处于“极好”水平,大港头段处于“好”水平,鱼类物种分布主要受河段位置、流量、沿线工业分布及电站工程建设等影响。