劉 楊，陳 凱，蔡永久，尹洪斌，嚴云志

1.安徽師范大學生命科學學院，安徽 蕪湖 241000 2.南京農(nóng)業(yè)大學昆蟲學系，江蘇 南京 210095 3.中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008

河流和湖泊作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有休閑娛樂、農(nóng)業(yè)灌溉以及提供飲用水等重要功能[1]。然而，諸如水壩建設、城鎮(zhèn)化發(fā)展等人類活動的加劇嚴重影響了河流和湖泊的生物完整性，導致棲息地破碎化、河岸侵蝕以及化學有機污染等[2-3]。為了更好地監(jiān)測和管理河流健康狀況，研究人員逐漸將一些物理指標、化學指標和生物指標等作為評價河流健康程度的有效手段[4-5]。由于生物指標更能體現(xiàn)多種生態(tài)脅迫的累積效應，并且包括群落結構和功能等高層次信息，因而應用最為廣泛[6]。由于魚類在自然界中分布廣泛、易于鑒定且對水質敏感性高[7-8]，KARR[9]首先在河流健康狀況的評價中，對魚類建立和使用生物完整性指標(Fish-Index of Biotic Integrity,F-IBI)，并逐漸改善和應用于其他生物類群[10-11]。

在已有的F-IBI應用中，已對黃河[12]、長江[13]以及一些小型河流和湖泊[14-15]進行了有效的健康狀況評價。然而，巢湖作為中國五大淡水湖泊之一，其水系的健康程度卻較少受到關注。目前，巢湖流域河流健康的相關報道大多聚焦于浮游植物以及大型底棲動物。龍健[16]研究巢湖流域浮游植物的結果顯示，其河流水體生態(tài)健康狀況總體呈中等狀態(tài)，且不同地區(qū)的健康狀況存在差異；寧怡等[17]以大型底棲動物作為研究對象，評價了巢湖水體及其主要的水系健康程度。但是，鮮見將魚類作為指示物種來研究巢湖流域河流健康的報道。近年來，由于人類活動的干擾，巢湖水質以及水生生物數(shù)量逐漸下降，甚至發(fā)生不同程度的富營養(yǎng)化[18]。因此，有必要對巢湖水系進行生物完整性評價，可為其生態(tài)系統(tǒng)及其物種多樣性的恢復、保護和管理提供重要科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域

巢湖地處長江下游的安徽省境內(nèi)(地理坐標為117°16′54″～117°51′46″E，31°43′28″～31°25′28″N)，是中國五大淡水湖之一[19]。巢湖流域處于中國亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫為16 ℃，年降水量較為充沛(約為1 200 mm)，年平均徑流量可達5.92×109m3，汛期主要集中在5—8月[20]。該流域水系較多，主要的入湖河流包括杭埠河-豐樂河、南淝河、十五里河、雙橋河、白石天河、柘皋河、派河、兆河等以及唯一的出湖河流裕溪河[21-23]。自20 世紀80年代以來，巢湖流域內(nèi)大力發(fā)展城鎮(zhèn)化，其富營養(yǎng)化情況日益加劇，水體生態(tài)功能有所下降，漁業(yè)資源和魚類多樣性受到極大的影響[24]。

1.2 采樣點設置與魚類調查

在野外調查過程中，具體調查樣點的選取既考慮樣點對特定河段的代表性，又根據(jù)可抵達性和可操作性來確定。此次調查樣點共53個，分別散布于7個單獨入巢湖河流，包括杭埠河(11個)、豐樂河(9個)、派河(5個)、南淝河(6個)、柘皋河(4個)、白石天河(5個)、兆河(6個)和出巢湖河流裕溪河(7個),見圖1。此外，考慮到人為干擾因素，每條河流的調查樣點盡可能包括人為活動壓力相對較小的樣點。

圖1 巢湖水系及采樣點設置Fig.1 Location of sampling sites in the Chaohu basin

2013年10月，對上述采樣點進行取樣。視水深選擇漁具(已經(jīng)過相關部門許可)：可涉水水域(水深不足1 m)，采用背式電魚器(電瓶參數(shù)為20 A 12 V，電魚器為4 000 W)直接涉水取樣；不可涉水水域(水深超過1 m)，采用船運電捕器(電瓶參數(shù)為100 A 12 V，電魚器為30 000 W)并借助皮筏艇進行取樣。每個采樣點取樣時間約為30 min，采樣河長約為100 m，以盡可能確保不同采樣點數(shù)據(jù)間的可比性。采集后的標本在新鮮狀態(tài)下鑒定，對物種數(shù)與個體數(shù)進行計數(shù)。疑難種以甲醛固定，帶回實驗室進一步鑒定。其余活體標本釋放至采集地。

1.3 環(huán)境變量

運用ArcGIS Desktop 10.0軟件，在精度為30 m的矢量圖上，提取每個采樣點的三大類陸地景觀因子，包括林地面積占比、農(nóng)業(yè)用地面積占比、建設用地面積占比。由于采樣點上游的土地利用會對水生生物造成影響，因此研究針對采樣點上游的土地類型進行面積計算。

若水層較深，則采用2.5 L采水器分別于水體上、中、下3層采水，并混合取1.5 L水樣；若水層較淺，則取表層水樣，黑暗環(huán)境下冷藏保存。帶回實驗室內(nèi)測定總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chla)，分別使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[25]、鉬酸銨分光光度法[26]和丙酮-紫外分光光度法[27]進行測定。

1.4 F-IBI指數(shù)構建

參照文獻[28]，選取對干擾反應較敏感的29個候選參數(shù)，包括種類組成和豐度、營養(yǎng)結構、繁殖共位群、耐受性及魚類數(shù)量等5種屬性(表1)，按照候選參數(shù)與土地利用間的相關性分析、參數(shù)間的相關性分析以及參數(shù)的分布范圍篩選。對于參數(shù)的分布范圍，其值過小會導致參數(shù)不能完全區(qū)分河流狀況[29]。如果某一參數(shù)超過70%的數(shù)值為0，則刪除該參數(shù)[30]。

表1 候選參數(shù)及其對干擾的響應Table 1 Candidate metrics and its responses to disturbance

1.4.1 參照條件的建立

HUGHES[31]總結了參照條件建立的方法(包括參照點的采用、歷史數(shù)據(jù)應用、考古學研究應用等)。由于工業(yè)化程度的日益提高，很難選取合適的參照點，同時也缺少古生物學知識背景，因此HUGHES提出以觀測值作為“假設參照”的方法來建立參照條件[32-33]。該研究以王岐山[34]的歷史調查結果作為參考，但其僅是巢湖水域整體的物種組成數(shù)據(jù)。為了更好地聯(lián)系歷史數(shù)據(jù)，筆者將涉及物種數(shù)的參數(shù)以歷史物種數(shù)作為最佳期望值，而涉及數(shù)量的參數(shù)則以該參數(shù)的5%或95%分位數(shù)值作為最佳期望值。

1.4.2 分值計算

對各參數(shù)進行計分的目的是統(tǒng)一評價量綱。參考王備新等[10]的建議，相對于三分法和四分法而言，在沒有或參照點很少的情況下，比值法更合理，因此該研究采用比值法統(tǒng)一各指數(shù)量綱。隨干擾增加而降低的參數(shù)，以其95%分位數(shù)值作為最佳期望值，計算方法為參數(shù)實際值/最佳期望值；隨干擾增加而上升的參數(shù)，則以5%分位數(shù)值作為最佳期望值，計算方法為(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。規(guī)定計算后分值的分布范圍為0 ～ 1，若大于1，則均記為1[35]。

1.4.3 健康評價標準確定

對構成的F-IBI值進行百分制轉換，劃分為5個等級，規(guī)定大于80為健康；[60～80)為亞健康；[40～60)為一般；[20～40)為差；小于20為極差。

2 結果

2.1 環(huán)境因子

表2展示了巢湖流域河流水體土地利用和理化因子。

表2 巢湖流域河流水體土地利用和理化因子Table 2 Landuse types and physicochemical factors of sampling segments in the Chaohu basin

如表2所示，在三大類土地利用類型中，農(nóng)業(yè)用地面積百分比的均值相對較高，而林地面積百分比和建設用地面積百分比的均值較為相近；就理化因子而言，按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)對水質的劃分，其均值水平主要處于劣Ⅴ類～Ⅲ類水平。

2.2 魚類組成及生態(tài)類型

綜合王岐山[34]的巢湖調查結果和筆者研究結果：鯉科魚類是巢湖水系的主要物種，所占的比例為54.12%～62.5%。按魚類的垂直分布位置看，底層魚類均占有最高的比例(歷史比例約為41.18%，2013年比例約為47.5%)，如鯉(Cyprinuscarpio)、鯽(Carassiusauratus)、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)等；按其食性看，肉食性魚類1987年的比例較高，如紅鰭原鲌(Cultrichthyserythropterus)、食蚊魚(Gambusiaaffinis)等，而2013年僅雜食性魚類的比例最高，如寬鰭鱲(Zaccoplatypus)、切尾擬鲿(Pseudobagrustruncatus)等；從產(chǎn)卵類型看，產(chǎn)粘性卵魚類比例較高(歷史比例約為43.53%，2013年比例約為47.5%)，如麥穗魚(Pseudorasboraparva)、棒花魚(Abbottinarivularis)等；從耐受性看，耐受物種中草魚(Ctenopharyngodonidellus)等比例較高，而敏感物種如尖頭鱥(Phoxinusoxycephalus)等的比例較低(附錄A)。

2.3 參數(shù)篩選

候選參數(shù)與土地利用相關性分析表明，M3、M4、M7、M12、M15、M17、M18、M21、M22、M19、M20、M25、M26、M27和M28至少與一種土地利用類型顯著相關(表3)。

表3 同土地利用類型顯著相關的候選參數(shù)Table 3 Candidate metrices that had significantly correlation with land-use types

根據(jù)相關性大小，綜合考慮參數(shù)反映信息的不同，就與食性相關的參數(shù)而言，M12同農(nóng)業(yè)面積的相關系數(shù)比M15更高，因此保留參數(shù)M12。類似的，同M17相比，M18與農(nóng)業(yè)面積的相關系數(shù)更高，因而僅保留參數(shù)M18。在反映耐受性屬性時，4個參數(shù)間彼此均高度相關(M25、M26、M27和M28)，且相對于M25和M27而言，M26和M28與土地利用面積的相關系數(shù)更高，故不考慮參數(shù)M25和M27。余下的9個參數(shù)進行下一步篩選。

其次，對上述篩選后的參數(shù)進行Pearson相關性分析，如果2個參數(shù)的相關系數(shù)大于0.75，則保留生物學信息較多或同環(huán)境指標相關性更高的參數(shù)[36]。結果顯示，盡管M4與M3高度相關，但由于參照的歷史數(shù)據(jù)僅有物種組成，相對于參數(shù)M4而言，參數(shù)M3能夠更好地聯(lián)系歷史狀況；同時M4和M26、M28也高度相關，因此，不保留參數(shù)M4。此外，M26和M28的相關系數(shù)為1，而耐受性魚類的數(shù)量較多，可能包含更多的信息，故僅保留M26(表4)。余下參數(shù)進行下一步分析。

表4 9個候選參數(shù)間的相關性分析Table 4 Pearson correlation analysis among nine candidate metrics

注：M3、M4、M21、M22、M19、M20、M26、M28、M7所代表的候選參數(shù)指標參照表1。

最后，考慮剩余參數(shù)的分布范圍。盡管M19和M20的相關性較高，但兩者的50%分位數(shù)值均為0，隨污染的增強，其值幾乎無可變動范圍，故均刪除。同樣的，M21和M22的25%分位數(shù)值也均為0，均刪除。此外，M1在研究魚類生物完整性評價時，應用較為廣泛，予以保留。綜合考慮，F(xiàn)-IBI指數(shù)的構成包括M1、M3、M7、M12、M18和M26等6個參數(shù)。

2.4 分值計算

根據(jù)篩選后的參數(shù)5%和95%分位數(shù)值，確定比值法計算公式，并依此計算各采樣點的F-IBI值(表5)。

2.5 健康評價

F-IBI總體得分范圍為9 ～ 71分，其中杭阜河、兆河、柘皋河和派河健康狀況整體一般；白石

天河上游健康狀況為亞健康，但靠近巢湖的采樣點健康狀況差；裕溪河和南淝河整體健康狀況偏差；豐樂河的不同河段，其健康狀況有亞健康、一般和差3種標準(圖2)。

表5 比值法計算6個生物參數(shù)分值的公式Table 5 Formulas for calculation of six metrics scores using the ratio method

注：M3的5%分位數(shù)值和M7的95%分位數(shù)值均是以歷史數(shù)據(jù)為最佳期望值。

圖2 巢湖水系健康狀況Fig.2 Condition of health in the Chaohu basin

2.6 F-IBI值與水體指標的關系

F-IBI與log轉化后的水體指標(TN、TP和Chla)的Pearson相關性分析見圖3。由圖3可見，F(xiàn)-IBI與三類指標均顯著負相關(P<0.05),但是同Chla的相關系數(shù)最高(r=0.52),同TN的相關系數(shù)最低(r=0.34)。表明巢湖河流的富營養(yǎng)化是影響河流健康的不可忽視因素。

圖3 F-IBI分值與TN、TP和Chla的散點圖Fig.3 The scatter plot between the F-IBI and TN, TP, chlorophyll a, respectively

3 討論

運用生物指標進行河流生態(tài)健康評價，選取合適的參照點尤其重要。目前關于參照點選取的常用方法有4種，包括“極少受干擾樣點”“受干擾程度最小樣點”“最容易實現(xiàn)樣點”以及“歷史樣點”[37]，但在實際研究中仍無統(tǒng)一的標準。如BAROBOUR等[38]在無人為干擾的溪流中設置參照樣點；MAXTED等[36]通過理化指標、生境質量來確定參照樣點；BOZZETTI等[6]和LI等[12]則采用“假設對照值”的方法。該研究采用的“假設對照值”法，可能會高估最終的F-IBI值，但是在一定程度上也反映了巢湖水系的健康程度。在后期的研究中，需要通過遙感分析采樣點附近的土地利用情況，并結合多種理化指標來綜合確定采樣點的受干擾程度，以增加參照點選取的準確性。

部分生態(tài)學家認為，至少需要結構和功能兩大指標體系，才能構成較為完整的生態(tài)健康評價系統(tǒng)[39]。一方面，就維持水生生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能而言，魚類的作用明顯較強[40]。此外，該研究采用的魚類生物完整性指數(shù)法綜合了魚類群落組成、數(shù)量以及性狀特征等多個指標，能夠體現(xiàn)多種生態(tài)脅迫效應，可以更有效地反映巢湖水系的生態(tài)健康程度。研究表明，該體系的評價結果與巢湖水系的實際情況較為吻合，但是由于數(shù)據(jù)數(shù)量和來源的限制，該評價標準目前適用于研究區(qū)域內(nèi)的水體健康，對于其他水體只能作為參照。另一方面，生物指標作為結構指標體系之一，僅用某一類生物評價生態(tài)健康程度，其結果可能是片面的。因此，有必要考慮以多種生物作為指示物種，以期全面評價水體健康狀況。

從20世紀80年代開始，巢湖流域出現(xiàn)水華藍藻現(xiàn)象并逐漸擴散至全湖，該水系的健康程度在空間上主要表現(xiàn)為西低東高的趨勢[41]。該研究也發(fā)現(xiàn)相對于東巢湖而言，西巢湖的主要河流(南淝河、派河和杭阜河-豐樂河)受到了大量來自城鎮(zhèn)的生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)面源污染，其水質明顯較差[42]。盡管杭阜河-豐樂河也輸入大量污染物，但其同時輸入的水量遠超污染物，導致流入巢湖的污染物濃度較低，對巢湖富營養(yǎng)化的影響有限。該研究表明，杭阜河-豐樂河的健康程度整體一般，甚至上游呈現(xiàn)亞健康的狀態(tài)，和事實情況接近；但同時也發(fā)現(xiàn)派河整體狀況一般，可能由于采樣點調查過少，與以往的調查研究結果不太一致[42]。此外，南淝河的健康狀況整體偏差，是巢湖流域主要的污染源。因此，西巢湖是生態(tài)系統(tǒng)修復及環(huán)境保護的重點區(qū)域，尤其是南淝河和派河。因大量營養(yǎng)鹽排放導致水體環(huán)境惡化，也造成巢湖流域部分食性專一(如肉食性)的魚類種類和數(shù)量減少，如翹嘴鲌(Erythroculterilishaeformis)、鲇(Silurusasotus)、鱖(Sinipercachuatsi)等魚類食性生態(tài)位較窄，對惡性水環(huán)境條件較為敏感。因此，在巢湖流域未來的管理和發(fā)展中，有必要控源截污、提高污水排放標準以及增加打撈力度等，從而減少浮游植物的數(shù)量，增加水體透明度，營造適合這些魚類生存的良好環(huán)境。此外，需要建立生態(tài)保護區(qū)，恢復濕地生態(tài)系統(tǒng)、在重點區(qū)域實施以水生植物為主的生態(tài)修復，以期恢復巢湖流域的生態(tài)健康。

4 結論

1)構建的由魚類總物種數(shù)、鯉科魚類物種數(shù)百分比、中下層魚類物種數(shù)百分比、肉食性魚類數(shù)量百分比、產(chǎn)粘性卵魚類數(shù)量百分比和耐受性魚類數(shù)量百分比等6個參數(shù)構成的F-IBI值及評價體系，是可以應用于巢湖流域水生態(tài)健康評價的。

2)巢湖流域的河流健康狀況在空間分布上主要呈現(xiàn)為西低東高的趨勢。目前巢湖水系的健康管理需要采取綜合治理策略，開展控源工作，削減入湖污染負荷，恢復濕地生態(tài)系統(tǒng)等。

致謝：感謝南京農(nóng)業(yè)大學王備新老師的悉心指導。