基于鱼类完整性指数评价倭肯河流域健康状况

金洪宇，李雷，张泽鹏，马波

（1.国家农业科学渔业资源环境抚远观测试验站，黑龙江 哈尔滨 150070；2.农业农村部黑龙江流域渔业资源环境科学观测实验站，黑龙江 哈尔滨 150070；3.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070；4.中国水产科学研究院营口增殖实验站，辽宁 营口 115000）

生物完整性是生物集合群落所需的一种稳定能力，具体是指与自身生境区域相适应的生物群落具有维持自身平衡、保持结构完整和适应环境变化的能力[1,2]。鱼类作为水生态系统的重要组成部分，具有生命周期较长、活动范围广等特点，能准确反映长时间序列下大尺度范围内生态系统的环境变化特征[3-5]。1981 年，Karr[6]将“完善的生物群落结构是构建良好生态环境的必要条件”作为中心思想，提出了生物完整性指数（index of biotic integrity，IBI）概念，并将鱼类作为指示生物，评价了美国中西部河流健康状况。目前，世界各地对IBI 评价方法不断探究、完善，在底栖生物[7]、藻类[8]及水生植物[9]等不同生物类群中得到了广泛应用。我国专家学者们也利用F-IBI 评价方法评估了长江[10,11]、黄河[12]及太湖[13]等流域的健康状况。研究发现，由于自然状况及周边人类活动干扰的差异性，F-IBI 评价方法并不适用于所有类型的水域。本研究依据倭肯河流域内生物群落组成及自然环境特点，构建了其独有的IBI 体系，以解决IBI 体系在不同类型水域中适用性的难题。

倭肯河属于松花江右岸的一级支流，全长450.0 km，流经七台河市、勃利县、桦南县、依兰县等市县，流经区域为北方高纬度寒冷地区，属于寒温带大陆性湿润季风气候区，夏季燠热多雨、冬季寒冷干燥[14]。近年来，随着人类生产活动的日益加剧，生活污水和工农业废水的不合理排放，导致倭肯河流域生态环境逐渐恶化[15]。本研究于2021 年调查了倭肯河流域鱼类资源现状，构建了鱼类生物完整性指数评价体系，评价了河流健康状况，为丰富北方寒冷地区河流生物完整性指数评价体系的研究，为制定倭肯河流域渔业资源保护及水域生态环境修复措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域及调查站位

研究区域为北纬45°46'49"～46°23'41"，东经129°34'32"～131°30'51"。参照《内陆水域渔业自然资源调查手册》[16]，依据倭肯河的地形地貌及水文状况，设10 个调查位点，包括上游江段：龙庆（S1）、半拉山（S2）、桃山湖上（S3）、桃山湖下（S4）；中游江段：大山头（S5）、小八浪村（S6）、先锋村（S7）；下游江段：团山子（S8）、孙家亮子（S9）、依兰县（S10）（图1）。

图1 倭肯河调查采样站位分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in the Woken River

1.2 样品采集及种类鉴定

2021 年5 月、10 月，根据倭肯河流域鱼类的种类、生活习性及季节分布规律等特点，采用三层流刺网（中上层鱼类）和地笼（底层鱼类）相结合的采捕方法调查了鱼类种类和数量。每个采样点设置4 组三层刺网（长50.0 m，高1.0 m，网目1.0～4.0 cm）和2 个地笼（20.0 m，网目5 mm，30.0 cm×30.0 cm），白天采样12 h。根据《东北地区淡水鱼类》[17]、《黑龙江省鱼类》[18]及《黑龙江流域（中国）鱼类识别手册》[19]等，分类鉴定各位点的鱼类，统计渔获物。测量全部采样鱼类的体长（1 mm）、体质量（0.1 g）。现场未能鉴别的鱼类，用福尔马林溶液保存，到实验室后鉴定物种。

1.3 鱼类生物多样性评价

本研究采用相对重要指数（Index of relative importance，IRI）评价倭肯河流域鱼类优势种组成；采用丰富度指数（Margalef，D）、Shannon-Wiener 多样性指数（Shannon-Wiener，H）和均匀度指数（Pielou，J）评价鱼类多样性。具体计算公式如下：

式中，N 为数量百分比，W 为重量百分比，F 为出现频率。IRI＞100 的物种为优势种。S 为鱼类种类数，T 为鱼类总尾数，Pi=ni/T 为采样点中第i 种鱼的尾数占采样点鱼类总尾数的比例。

1.4 鱼类完整性评价

1.4.1 参考点选取

在进行生物完整性研究中，通常将流域内生物、理化环境较好及未受人为活动干扰的采样点作为参考点，或者将河流的历史调查结果作为参考点。但本研究缺少倭肯河流域的历史调查数据，选取受人为干扰较少的S1、S4 及S9 采样点作为参考点。

1.4.2 参数指标及筛选原则

依据倭肯河流域特有的鱼类组成及生态系统特征，并综合国内外最新的相关研究[20-22]，将鱼类组成和丰度、营养结构、耐受性、繁殖共位群及鱼类数量与健康状况等5 大类31 个参数指标用于构建倭肯河流域的鱼类完整性指数评价体系（表1）。

表1 鱼类完整性候选指标列表Tab.1 List of the index of biotic integrity candidate metrics in fish

倭肯河流域鱼类完整性指数参数指标筛选：（1）分布范围筛选：统计各采样位点的种类数指标，若小于3，则删除该指标；统计各采样位点的百分比指标，若均小于10%，则删除该指标；各观测点的任意指标结果，若90%以上为0，则删除该指标。（2）箱体判别分析：运用箱体图，对观测点与受损点不同指标的25%～75%分位数范围进行判读，将不存在重叠显现或各自中位数未在对方箱体之内的部分重叠现象的指标进行保留。（3）相关性分析筛选：分析通过判别分析筛选保留后的指标的相关性，剔除其余高度相关的指标（|R|＞0.9），仅保留对结果反映最为明显的指标。

1.4.3 指标赋值及评价标准

本研究采用比值法统一指标量纲[23]，受外界干扰影响下降的参数指标，其最佳期望值为5%分位数，参数分值等于实际值/最佳期望值；反之，其最佳期望值为95%分位数，参数分值等于（最大值-实际值）/（最大值-最佳期望值）。计算结果大于1的参数分值，计为1。

根据F-IBI 的计算结果，将F-IBI 值大于等于参考点25%分位数的采样位点，设为“健康”状态。同时，按照四分法进行“亚健康”、“一般”、“差”、“极差”的等级划分。

1.5 数据分析

数据使用EXCEL2016、R 进行统计分析，图片使用Adobe Photoshop CS6 进行处理。

2 结果与分析

2.1 鱼类种类组成

本次调查共采集鱼类1 637 尾，总重量31.1 kg，4 目6 科20 属28 种（表2）。其中，鲤形目有2科15 属22 种，种类数最多；其次为鲇形目，有2 科3 属4 种；鲑形目和鲈形目种类最少，仅有1 科1 属1 种。渔获物统计结果表明，数量最多的为鲫，占总数的28.59%，其次为（Hemiculter leucisculus）和麦穗鱼，而湖（Rhynchocypris percnurus）和北方花鳅（Cobitis granoei Rendahl）数量最少，仅为0.06%；同时，鲫的重量占比最大，为34.36%，其次为鲤（Cyprinus carpio haematopterus）和鲇，而北方花鳅重量占比最少，仅为0.01%。

表2 倭肯河流域鱼类名录及分布表Tab.2 The list and distribution of fishes in the Woken River

鲫分布范围最广，在10 个采样点中均出现，其次为黑龙江鳑鲏（Rhodeus sericeus）在8 个采样点中出现，、麦穗鱼和犬首（Gobio gobio cynocephalus），均在7 个采样点中出现。分布较广的鱼类还有鲇、兴凯（Hmiculter lucidus）、黑龙江花鳅（Cobitis lutheri）等。而湖、大鳍（Acheilognathus macropterus）、高体（Gobio soldatovi）、克氏鳈（Sarcocheilichthysczerski）i、马口鱼（Opsariichthys bidens）、平口（Ladislavia taczanowskii）、北方花鳅、北方泥鳅（Misgurnus bipartitus）和乌苏里拟鲿（Pseudobagrus ussuriensis）等仅在1 个采样点发现，属于倭肯河流域中的少见种（表2）。

2.2 鱼类多样性

统计结果表明，倭肯河流域IRI 大于100 的鱼类有9 种，分别为鲫、鲇、、鲤、麦穗鱼、犬首、兴凯、黑龙江鳑鲏及葛氏鲈塘鳢。其中，鲫的IRI 值最大，为5 674.24；IRI 介于1 000 与2 000 之间的鱼类有麦穗鱼；IRI 介于200 与500 之间的鱼类有鲇、、鲤、犬首、兴凯及黑龙江鳑鲏；其余优势鱼类IRI 均介于200 与100 之间（图2）。多样性指数分析发现，倭肯河流域的鱼类上游江段采样点的鱼类物种数、Shannon-Wiener 多样性指数及Pielou 丰富度指数多高于中、下游江段;Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 丰富度指数与物种数呈明显的正相关关系（r＞0，P＜0.05）（图3）。

图2 倭肯河优势鱼类尾数、重量占比统计图Fig.2 The proportion of amount and weight of dominant fishes in the Woken River

图3 倭肯河流域鱼类多样性指数Fig.3 Diversity index of fish in the Woken River

2.3 鱼类完整性评价

2.3.1 生物参数指标筛选

根据上述参考点及受损点选取标准，将S1、S4及S9 选为参考点，S2、S3、S5、S6、S7、S8 及S10 作为受损点，候选参数在参考点的分布情况见表3。参照筛选标准对31 个指标进行初步筛选，将M5、M6、M7、M8、M9、M11、M12、M13、M17、M20、M22、M26 及M27 从初选指标中剔除，选取其余指标进行判别能力分析。

2.3.2 判别能力分析

对初步筛选的18 个指标进行箱体判别能力分析，其中等M1、M2、M3、M4、M14、M15、M16、M25 及M29 等9 个候选指标的IQ 值＞2（图4），可用于进行后续分析。

图4 9 个候选参数参考点与受损点的箱体图判别Fig.4 Box-plots of nine accepted candidate metrics between reference and disturbed sites

2.3.3 相关性分析

判别能力筛选后的9 个参数的Pearson 相关分析表明（图5），候选参数M1、M2 及M16 之间具有显著相关，M1 为鱼类总物种数，M2 为丰富度指数，M16 为肉食性鱼类种类数百分比，M2 所包含的信息量更多，因此只保留M2。候选参数M15 和M29间具有显著相关，M15 为杂食性鱼类数量百分比，M29 为特殊产卵方式鱼类数量百分比。M14 与M15包含的信息重叠，因此保留信息量较大的M29。最终选取M2、M3、M4、M14、M25 及M29 作为生物参数指标评价倭肯河健康状况。

图5 9 个候选参数相关性分析Fig.5 Pearson correlation coefficient matrix for nine candidate metrics

2.3.4 健康分级构建及评价

通过对31 个候选参数进行筛选，最终确定M2、M3、M4、M14、M25 及M29 共6 个参数构建倭肯河鱼类生物完整性指数（F-IBI）。其参数计算公式见表4。

表4 倭肯河鱼类生物完整性指数参数赋分计算公式Tab.4 Formula for calculation of metrics scores using the ratio method in the Woken River

按照参考点F-IBI 的计算结果，将参考点的25%分位数作为界线划分，F-IBI 值大于或等于25%分位数值为健康（F-IBI≥3.45），将25%分位数以下的数值按4 分法分级，分别代表亚健康（3.45＞F-IBI≥2.59）、一般（2.59＞F-IBI≥1.73）、差（1.73＞F-IBI≥0.86）和极差（F-IBI＜0.86）。

参照评价等级对倭肯河河流健康状况的评价结果显示（表5），1、2、3 和4 号点河段河流健康状况为“健康”，6、7 和9 号点河段河流健康状况为“亚健康”，5 号和10 号点河段河流健康状况为“一般”，8 号点河段河流健康状况为“差”。整体来看倭肯河河流健康状况处于健康-亚健康状态。

表5 倭肯河F-IBI 评价结果Tab.5 Results of F-IBI evaluation in the Woken River

3 讨论

3.1 倭肯河F-IBI 评价体系的建立与应用

参考点的选取是构建F-IBI 评价体系的关键。目前，大多数研究选取历史调查数据或者受人类活动干扰较小的原始河段作为参考点，但尚未达成明确、统一的标准[24]。查阅资料发现，倭肯河流域渔业资源数据存在空白，本研究为历史上首次对其进行系统调查，因此选取环境良好、人为干扰较小的S1、S4 及S9 江段作为参考点，构建倭肯河流域F-IBI评价体系。该方法也应用于拒马河[25]、滦河[26]等河流健康评价的研究。设置F-IBI 评价体系候选指标时，需全面分析河流的整体情况，避免遗漏能够体现河流健康程度的关键性指标。Karr[6]首次采用12项候选指标构建评价体系，但不同类型河流的地域环境、生态系统存在差异性，候选指标的类型选择逐渐多元化。郑海涛[27]在总结不同国家和地区F-IBI 体系评价指标的基础上，设置五大类指标。本研究结合倭肯河流域水生态环境现状及其鱼类结构特征，设置5 大类31 个候选指标，用于构建倭肯河流域F-IBI 评价体系。

目前评价指标的筛选方法主要有两种，一种是根据指标属性分类筛选适合的IBI 评价体系，另一种是对候选指标进行分布范围、判别能力和Pearson相关性分析。本研究根据判别能力分析及相关性分析结果可知，丰富度指数（M2）、Shannon-Wiener 多样性指数（M3）、均匀度指数（M4）、杂食性鱼类种类数百分比（M14）、产粘性卵鱼类数量百分比（M25）及特殊产卵方式鱼类数量百分比（M29）对F-IBI 评价结果有较大影响，用于构建倭肯河流域F-IBI 评价体系。鱼类生物多样性是衡量群落结构和水体功能的重要指标，丰富度指数、Shannon-Wiener 多样性指数及均匀度指数涉及了生物量、物种数、丰度等参数，能够较好地反映流域健康状况，在构建F-IBI 体系中有较高的应用价值[28,29]。鲫、鲇、鲤、黑龙江鳑鲏等鲤科鱼类及沙塘鳢科的葛氏鲈塘鳢等底层鱼类，均为倭肯河流域的重要组成鱼类，且在调查过程中发现，流域内杂食性鱼类种类数占总种类数的75%，远高于肉食性鱼类及植食性鱼类。因此，基于这6 个指标构建的倭肯河水域F-IBI 评价体系具有可靠性。

3.2 鱼类生物多样性变化

鱼类生物多样性是水体健康程度的直观表达形式之一，与其生存的水体环境存在紧密关系，并与可利用的生态位及生态环境优劣呈正向关系[30]。Shannon-Wiener 多样性指数以群落内物种数量的变化作为依据，直观反映群落结构的稳定性。Magurran 等提出其范围一般为1.5～3.5[31]。本研究发现，倭肯河流域鱼类群落的Shannon-Wiener 多样性指数范围为1.45～3.00，多数江段处于合理范围之内，说明流域内的鱼类群落能够维持结构稳定。调查发现，倭肯河流域Shannon-Wiener 多样性指数最高的为处于上游的S1 江段，而处于下游的S8、S10江段Shannon-Wiener 多样性指数较其他位点低。总体来说，上游江段的Margalef 丰富度指数、Shannon-Wiener 多样性指数及Pielou 均匀度指数水平比中下游江段高。Margalef 丰富度指数和Pielou 均匀度指数作为反映群落结构稳定性的重要量化指标，两者与群落结构的复杂度和稳定性呈正相关[32]，说明倭肯河上游江段的鱼类群落结构更为合理，自我调节的生物学功能更加优异。而处于桃山水库下的中下游江段，受水库生活、农业供水的影响，部分江段范围狭窄，容易出现断流现象，鱼类可利用的生态位及生境缩小，使其生物多样性指数下降。其次，生物多样性与饵料生物丰度显著相关，而倭肯河流域中下流江段易出现断流现象，饵料生物丰度远低于上流江段，使流域内鱼类的摄食、生长及繁衍受限制[15]。

3.3 倭肯河流域生态环境现状分析

F-IBI 评价结果表明，倭肯河流域整体健康状况处于健康-亚健康水平，流域内部分江段的鱼类群落承受着严重的环境压力，与王天亮[15]、曾雯禹[33]等的研究结果相似。研究发现，倭肯河流经七台河市、桦南县、依兰县及勃利县等市县，但大多数市县存在排水体系不够完善、污水处理设备滞后、污水管网覆盖率低、雨污分流不健全等现象，致使工业、畜牧业及生活废水被排入河流中，导致倭肯河流域水体污染，河流生境被破坏[33]。倭肯河流域中、下游以农业生产为主，流域内农作物种植业每年化肥施用量大，其所处区域为温带大陆性湿润季风气候，丰水期的降雨量占到全年的70%，使流域内每年农业、畜牧业产生的大量污染物随雨水流入河中，破坏了鱼类生境[34]。桃山水库为七台河市的水源地，承载着整个城镇的生活用水的重任。桃山水库也为周边城镇提供农业用水，而倭肯河流域勃利段、依兰段的农业类型大部分为水田，每年农耕时期用水量的迅速增加，导致水库坝下河段的生态用水需求得不到保障，河流多处出现河心滩地和断面过窄导致断流，鱼类的生存环境遭到破坏[26、35]。近年来，倭肯河流域桃山水库等江段旅游业发展迅速，已建造了桃山湖国家湿地公园等旅游景点，造成该江段渠化，破坏了产粘性鱼卵鱼类的生境。综上所述，污水排放、农业面源污染及水电工程建设等人类活动是造成倭肯河流域部分江段的健康状况评价等级较低的主要原因，其评价结果与人类活动干扰的实际情况相符合。

3.4 结论

（1）调查发现，倭肯河上游江段的Shannon-Wiener 多样性指数高于中下游江段。该结果与完整性指数评价结果一致。

（2）鱼类完整性指数评价结果显示，倭肯河流域整体处于健康-亚健康状态。在10 个采样位点中，“健康”状态的位点，为40%；“亚健康”状态的位点，为30%；“一般”状态的位点，为20%；“差”状态的位点，为10%。上游江段河流健康状态明显优于中、下游江段。

（3）根据研究结果及流域现状，提出以下生态修复和保护倭肯河流域的建议：（1）加强对倭肯河流域周边城镇污水排放的管理，对未建设污水厂的地区，监督其建设污水处理设施后进行排放，并定期检测排放污水，判断是否满足处理要求，使流域的生态环境恢复健康。倭肯河中、下游农田面积大，每年作业残留的农药、化肥经地表排入水体，需加强农业作业中影响水体水质农药、化肥的管理，禁止超标使用，完善相关条例规定。

（4）合理制定倭肯河流域上游桃山水库等农业灌溉期间的水量分配方案，保证灌溉期河流的纵向连通性和环境流量，满足敏感性鱼类生存需求，避免鱼类产卵场所在江段出现断流。