牛建功，劉春池，劉 鴻，李 紅，張 濤，王 甜，蔡林鋼

(新疆維吾爾自治區(qū)水產科學研究所,農業(yè)部西北地區(qū)漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站,新疆烏魯木齊 830000)

烏魯木齊河發(fā)源于天山一號冰川,位于天山北坡中段,準噶爾盆地南緣,地理位置位于86°07′-88°10′E,43°02′-44°35′N,地形大致為東、南、西三面環(huán)山,北部為傾斜平原,東望可見天山主峰博格達峰,南依天山中段天格爾峰,西北向準噶爾盆地傾斜[1]。該河是烏魯木齊市的“母親河”,地處新疆絲綢之路經濟帶,是新疆現(xiàn)代工業(yè)、農業(yè)、交通信息、教育科技等最為發(fā)達的核心區(qū)域[2]。

近年來,隨著新疆天山北麓區(qū)域內社會經濟的迅速發(fā)展,尤其是新興工業(yè)、農業(yè)以及旅游業(yè)的快速發(fā)展,伴隨著大量的水利工程建設[3],極大的改變了該區(qū)域內原有河流生態(tài)環(huán)境,主要表現(xiàn)為：河流生態(tài)完整性受到破壞,天然河道消失、斷流或渠系化。由于上述水生生態(tài)環(huán)境的惡化,首當其沖的即是自治區(qū)I級重點保護水生野生動物——新疆裸重唇魚Gymnodiptychus dybowskii(Kessler)的天然棲息地生境受到致命影響,導致新疆裸重唇魚在烏魯木齊河中的種群數(shù)量急劇下降,棲息地面積迅速萎縮[4]。新疆裸重唇魚為鯉科裂腹魚亞科魚類,體延長,略側扁,頭后背部稍隆起。頭呈圓錐形。吻鈍,突出;口下位,馬蹄形;下頜有薄的角質,但不銳利;上、下唇十分發(fā)達,唇后溝中斷;分布海拔為600～2 000 m河段內,產卵場主要分布在河流中上游盆地散流區(qū),繁殖水深0.1～0.8 m,水溫8～14℃,流速0.2～0.6 m/s,底質主要為沙石基質。大體分布在我區(qū)天山北坡諸河流、伊犁河水系、額敏河水系、開都河水系,涵蓋我區(qū)約50%左右的的水域,是這些水域的關鍵種(key species)和旗艦種[5]。

魚類棲息地評價研究目前在國內外已非常之多,如美國漁業(yè)及野生動物署提出的河道內流量增量法IFIM(Instream Flow Incremental Methodology),美國地理調查局國家濕地研究中心魚類與野生生物署提出的棲息地適宜性指數(shù)(habitat suitability indes,HIS)[6-9]等,國內學者均已在長江流域、雅礱江流域等水域建立了魚類棲息地評價模型[10-11],但新疆水域目前并未開展相關研究,烏魯木齊河作為干旱半干旱地區(qū)的典型河流,建立該流域新疆裸重唇魚的棲息地適宜度指數(shù)評價模型將為該地區(qū)其他水域的魚類棲息地保護工作提供一定的理論基礎。

圖1 烏魯木齊河采樣點位設置Fig.1 Location of sampling sites in Urumqi River

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

在烏魯木齊河設置 6個采樣點,位于 86°07′-88°10′E,43°02′-44°35′N 之間,自上游至下游分設 W1(一號冰川)、W2(紅五月橋)、W3(舊礦廠上游)、W4(電石廠下游)、W5(英雄橋)、W6(青年渠首)六個斷面,烏魯木齊河自青年渠首開始進入明渠引水至烏魯木齊市烏拉泊水庫,青年渠首以下的原河道已改建他用(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

2016年3月至2016年11月,項目組對以上6個斷面逐月進行采樣,其中水深(D)用測深儀測量,流速(V)用美國德卡托SVR雷達測速儀測定,水溫(T)、溶氧(DO)、pH用哈希HQ40d多參數(shù)水質分析儀現(xiàn)場測定,底質卵石所占比例(BM)現(xiàn)場測量確定、其他參數(shù)鹽度(S)、重碳酸鹽(Bi)、硫酸鹽(Su)、總氮(N)、總磷(P)、總堿度(OH)、氟化物(Fl)、高錳酸鹽(MO)均由現(xiàn)場采集5 L樣品帶回水質水產品質量檢測中心24小時檢測獲得,由于3月份和11月份W1、W2點位為冰封期,故本研究所用數(shù)據(jù)為2016年4月-10月6個斷面的14個參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 選擇環(huán)境影響評價參數(shù)

本研究數(shù)據(jù)選擇參數(shù)為14個。其中D、V、T、BM是棲息地適宜度評估中最常使用的指標[12],因此上述四個參數(shù)直接納入考核指標。其他指標(S、pH等10個水質指標)的篩選參照文獻[13]。

具體篩選過程：

(1)利用主成分分析方法(PCA)對余下的指標進行統(tǒng)計分析,根據(jù)提取主成分個數(shù)累計方差超過60%的原則,通過最大方差旋轉法(varimax),經因子載荷矩陣旋轉后選擇載荷值大于0.6的指標作為下一步待篩選指標;

(2)對余下的候選指標進行相關性分析,最后根據(jù)顯著性水平確定各指標間信息重疊程度。結合專家經驗分析以及指標實際重要程度[14],選取其中相對獨立和重要的指標來表征魚類棲息地狀況。上述分析過程均在SPSS17.0統(tǒng)計軟件中完成。

1.3.2 棲息地適宜度曲線

棲息地適宜度曲線模型的建立目前主要有3種文獻：參考專家經驗和相關文獻、偏好模型和使用模型。根據(jù)目前國內外的研究現(xiàn)狀和烏魯木齊河實際情況,本研究選用棲息地使用模型[15]。

1.3.3 棲息地適宜度指數(shù)

棲息地適宜度指數(shù)計算方法有很多種,本次研究采用最常用的加權平均法依據(jù)。即：

式中,fi為第i個因子的適宜度,取值0～1,0為完全不適宜,1為最適宜,中間值表示物種對該因子的適宜程度;ki表示第i個因子的權重,總和為1,模型評價中結合實際調查結果,采用層次分析法進行評價賦予不同的權重。

2 結果與分析

2.1 魚類和指示物種調查結果

本次研究中實地采補有漁獲物分布的點位為W2至W3斷面。對當?shù)赝林用竦恼{訪結果顯示,歷史上烏魯木齊河流域新疆裸重唇魚主要分布于W4下游,但在本次調查中卻未在該河段捕獲樣本。隨著烏魯木齊市水源地供水工程,即大西溝水庫等的修建,W5斷面及其下游魚類資源銳減。在全年采樣過程中,W6斷面在3月、9月、10月均為干涸狀態(tài)。當?shù)貪O民走訪調查,該流域10 a前新疆裸重唇魚(地方名：白條)的生物量較為豐富,豐水期一網可以打撈幾十尾,部分個體可達500 g以上。對于烏魯木齊河自然環(huán)境的變化,新疆裸重唇魚具有較為明顯的群體組成變化,表現(xiàn)出對棲息地生境變化較高的敏感性和指示性,故而本次研究選取該魚種作為該流域棲息地評價的指示物種。

2.2 棲息地評價因子的選取

對新疆裸重唇魚在烏魯木齊河棲息地調查所獲取的14個參數(shù)進行主成分分析,得到KMO值為0.698,Bartlett球形度檢驗值492.773,相伴概率為0,因此認為適合展開主成分分析。根據(jù)特征值累計方差大于0.6的標準,提取出3個主成分,見表1。

表1 環(huán)境因子主成分分析Tab.1 Principal component analysis of environmental factors

表1分析結果顯示,第一主成分包括T、DO、pH、BM、Bi、Su、OH、Fi 8個指標,貢獻值較大的是水溫、pH、總堿度等,主要反映烏魯木齊河新疆裸重唇魚棲息地生境水體理化條件;第二主成分包括D、V、Su 3個指標,貢獻值較大的為流速,主要反映棲息地生境的水文特征狀況;第三主成分為Do,主要反映水體的溶解氧含量。

根據(jù)SPSS主成分分析,可以剔除N、P、S、Mo 4個參數(shù),剩余的D、T、DO等10個參數(shù)是對烏魯木齊河新疆裸重唇魚棲息地評價貢獻較為突出的參數(shù)。對這10個參數(shù)進行正態(tài)分布檢驗,結果表明,D、T、V三個參數(shù)符合正態(tài)分布(P＞0.05)。對D、T、V三個參數(shù)采用Pearson相關檢驗,其它參數(shù)采用Spearman秩相關檢驗,分析指標的相關性(表2)。結果顯示,10個參數(shù)之間表現(xiàn)出極相關的有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有極顯著相關,而且水體酸堿度對上述離子濃度的影響明顯,選擇OH一個影響因子分析即可。綜上所述,本次研究選取D、T、V、DO、pH和OH 6個環(huán)境因子來評價烏魯木齊河新疆裸重唇魚棲息地。

表2 新疆裸重唇魚主要環(huán)境因子Pearson相關分析和Spearman秩相關分析結果Tab.2 Pearson's and spearman correlation metrics of environmental factors

2.3 單因子適度性曲線

如何計算適宜度的圖2為新疆裸重唇魚在烏魯木齊河對上述6個評價因子的適宜度曲線。適宜度的高低主要通過野外調查所獲取的魚類樣本的豐度來評價。其中,D(深度)的測量范圍為0～2.3 m,最適適宜度為0.8 m左右;T(溫度)測量范圍為0～18.6℃,最適溫度為13℃左右;V(流速)測量范圍為0～3.5 m/s,最適流速為0.8 m/s;pH測量范圍為7.19～8.85,最適值為8.3;DO(溶解氧)測量范圍為6.79～10 mg/L;OH(總堿度)測量范圍為23.1～128.1 mg/L,最適堿度在70左右。

圖2 新疆裸重唇魚對水深、水溫、流速、pH、溶解氧和總堿度的適宜度曲線Fig.2 Suitability curves of depth,temperature,velocity,dissolved oxygen,pH and total alkalinity for G.dybowskii

2.4 棲息地適宜度指數(shù)的計算

按照加權平均法計算各個點位在不同季節(jié)的棲息地適宜度指數(shù)。我們對上述6個評價指標結合實際調查結果,采用層次分析法進行評價。新疆裸重唇魚為冷水性裂腹魚亞科魚類,所以溫度應作為首要評價指標,故溫度和溶解氧賦予的權重較大,烏魯木齊河中游水域建設有石灰礦開采場和電石冶煉廠,對水體中總堿度的影響較大,對新疆裸重唇魚分布具有較大影響,故賦予總堿度指標較大權重,其它指標按照棲息地評價經驗和專家建議[9,12-14],從大到小依次設置水深、流速和pH。對上述6個評價指標進行層次分析法,得出的 T、OH、DO、D、V、pH 的評價權重依次為 0.370 8、0.171 8、0.121 5、0.091 9、0.078 9、0.085 9,其中最大特征值為6.450 9,一致性比率CR為0.071 6小于0.1,說明該判斷矩陣具有較滿意的一致性。表3為各環(huán)境因子判斷矩陣。

表3 環(huán)境因子判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of environmental factors

圖3為新疆裸重唇魚不同棲息地在不同季節(jié)的HSI。HIS值最小的點位為0,是W1-3(W1點3月份的數(shù)據(jù))、W6-9和W6-10,HIS最大的值為W3-7,其中大于0.7的僅有W3-7和W3-8兩個點位;大于0.6的W1有3個月份,W2有5個月份,W3有7個月份,W4有1個月份,W5有2個月份。實際調查過程中捕撈到魚類樣本的僅有W2和W3兩個點位,而且W3點位是魚類豐度最大的點位。

圖3 烏魯木齊河不同點位不同季節(jié)新疆裸重唇魚棲息地適宜度指數(shù)Fig.3 HIS of G.dybowskii at different sites every month

3 討論

3.1 棲息地適宜度指數(shù)

新疆裸重唇魚為裂腹魚亞科魚類,屬于特化等級,具有極高的科研價值。其棲息地特征對環(huán)境影響變化具有重要的指示作用[18-20]。本研究基于主成分分析和AHP層次分析法兩部分內容建立烏魯木齊河新疆裸重唇魚的棲息地適宜度指數(shù)評價模型?；谥鞒煞址治?在所采集的14個環(huán)境因子篩選出6個科學合理的適宜度指數(shù)評價指標,然后對這6個主要評價指標進行AHP層次分析,獲得相對較為科學的權重值。在主成份分析中,總堿度和pH能夠表現(xiàn)出較高的相關性,主要由于本次調查范圍屬于天山北坡烏魯木齊河上游河源冰川區(qū),受冰川運動和融水高速沖刷等因素影響,其物理、化學風化速率高于大陸平均速率,對周圍區(qū)域的環(huán)境、生物、地球化學循環(huán)具有重要影響,尤其是Ca2+和HCO3-的含量相對較高[21],說明本模型的建立與烏魯木齊河魚類棲息地的評價具有較高的契合度。

3.2 棲息地適宜度指數(shù)的時空分布

棲息地評價研究目前已比較普遍,但多數(shù)集中空間指數(shù)評價上,尤其是在海洋、湖泊和長江等大水體上,能夠直觀的反應各個點位之間魚類棲息地環(huán)境的優(yōu)劣[22-23]。烏魯木齊河屬于天山北坡冰川河源水,受季節(jié)變化影響明顯,年內存在明顯的枯水期和豐水期,最大徑流量可為最小徑流量的6倍之多[24-25]。所以,結合國內外研究現(xiàn)狀,本研究引入季節(jié)性時間特征分析,有效地解決了西北地區(qū)冰川河源水體魚類棲息地評價的瓶頸問題。研究結果顯示,烏魯木齊河新疆裸重唇魚的棲息地適宜度指數(shù)具有明顯的空間、時間分布特征?？臻g上,棲息地適宜度指數(shù)具有中上游較高,下游較低的特征,尤其是W6點位,由于人工渠首引水的影響,全年存在斷流的情況,所以適宜度指數(shù)較上游5個點位要低的多,其它5個點位中較高的兩個點位為W2和W3,符合實際調查數(shù)據(jù),如圖4。時間上,棲息地適宜度指數(shù)表現(xiàn)為夏季較高,冬季較低的特征。尤其是11月至次年3月,棲息地適宜度指數(shù)小于0.3,表現(xiàn)出明顯的西北地區(qū)冰川雪源河流特征,而在夏季4-8月,棲息地評價指數(shù)均大于0.5,表現(xiàn)出魚類棲息生境選擇較好的適應性,如圖5。

圖4 烏魯木齊河新疆裸重唇魚棲息地適宜度指數(shù)空間分布Fig.4 Variables of HIS on spatial distribution

圖5 烏魯木齊河新疆裸重唇魚棲息地適宜度指數(shù)時間分布Fig.5 Variables of HIS on temporal distribution

3.3 新疆裸重唇魚棲息地選擇與洄游習性存在很大的相關性

魚類洄游是一種先天性的本能行為,并具有一定的生物學意義。不同的魚類或同一種魚類的不同種群,由于洄游遺傳特性的不同,各有其固定的洄游路線以及生殖、索餌和越冬場所。這是自然選擇的結果,有相當強的穩(wěn)定性,不會輕易改變[26]。本研究的適宜度指數(shù)評價中,由于W4處存在大型石灰礦和電石廠,W5為大西溝調度水庫下游,W6存在季節(jié)性斷流,對魚類洄游行為的研究存在較大的人類干擾,故僅對W3以上的上游河源區(qū)進行分析。對大于0.6的棲息地進行一定的排序,排序結果為W3-7＞W3-8＞W2-5＞W2-6＞W1-5＞W2-8＞W3-9＞W3-10＞W3-4。新疆裸重唇魚為鯉科裂腹魚亞科魚類,其產卵時間為每年的4-6月,并存在短距離的產卵繁殖洄游[4-5]。棲息地適宜度指數(shù)評價模型的排序結果說明,W3-W2河段應為新疆裸重唇魚的越冬場主要分布區(qū),W2-W1河段應為主要產卵場分布區(qū)。綜上所述,新疆裸重唇魚在烏魯木齊河上游水域存在較為明顯的季節(jié)性洄游,主要原因是由于水深、水溫、流速、溶解氧、pH和餌料生物等外部因子的變化而直接影響棲息地生境的變化,從而在不同的季節(jié)選擇適宜度指數(shù)最高的棲息地生存繁衍。

本研究由于資助經費較低,研究范圍僅涉及天山北坡諸小河烏魯木齊河流域,研究結果的理論支撐和數(shù)據(jù)資料較為薄弱。新疆裸重唇魚作為分布水域超過新疆地區(qū)50%以上天然水域的珍稀瀕危物種,后續(xù)應擴大研究范圍,將伊犁河流域、開都河流域以及天山北坡諸小河的新疆裸重唇魚棲息地進行HSI模型對比研究,以期建立更加科學、客觀的評價方法。

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