蔣孝燕,陳 超,馮志政,金葉飛,楊慶滿,任 崗,4①

(1.紹興文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.寧波市江南中學(xué),浙江 寧波 315800;3.紹興市水產(chǎn)技術(shù)推廣中心,浙江 紹興 312000;4.浙江紹興鑒湖國家濕地公園管理委員會(huì),浙江 紹興 312036)

河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)是河流生態(tài)系統(tǒng)性修復(fù)、保護(hù)和管理的重要工具之一,其代表方法包括指示物種法和指標(biāo)體系法[1]。目前國外已經(jīng)形成了多種較為成熟的河流健康評(píng)價(jià)方法,如澳大利亞溪流狀態(tài)指數(shù)法[2]、美國全國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)項(xiàng)目[3]、歐盟水框架指令[4]等。近年來,許多學(xué)者采用基于硅藻等浮游植物、大型無脊椎動(dòng)物、水生植物、魚類等物種的指示物種法和基于水質(zhì)、水文、水生生物、河流系統(tǒng)物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及社會(huì)服務(wù)功能等綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系法對(duì)我國松花江、渾太河、東江等河流的全流域或部分流域進(jìn)行了河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[5]。盡管通過數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的指標(biāo)體系法是近年來和未來河流健康評(píng)價(jià)的重要發(fā)展方向[1],但結(jié)合指示物種法將更加全面客觀地反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。

生物完整性是指在一個(gè)地區(qū)的天然棲息地中的群落所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征以及該群落所具有的自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力[6]。KARR[7]最早提出生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity, IBI),該指數(shù)綜合了多個(gè)較為敏感的生物指標(biāo)且可定量評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中單一理化監(jiān)測方式的不足,最初以魚類為研究對(duì)象構(gòu)建了魚類生物完整性指數(shù)(fish index of biotic integrity, F-IBI),經(jīng)過多年的發(fā)展已逐漸向底棲動(dòng)物[8]、藻類[9]、鳥類[10]以及高等維管束植物[11]等生物類群推廣,被廣泛應(yīng)用于全球不同國家和地區(qū)不同類型的生態(tài)系統(tǒng)健康研究和評(píng)價(jià)中。

魚類通常處于淡水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端,具有鑒定分類信息完善、生活史長、對(duì)水環(huán)境改變反應(yīng)靈敏、群落組成在不同水域呈特異性等特征,在水生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)中占有重要地位[7, 12]。魚類生物完整性指數(shù)目前已應(yīng)用于遼河[13]、長江[14]、黃河[15]、黑河[16]等眾多流域的水生生物資源及其棲息生境狀況的系統(tǒng)評(píng)價(jià)中。

曹娥江是錢塘江的主要支流,是中國東部中小河流的代表性河流之一,也是流域地區(qū)工農(nóng)業(yè)、飲用水源的主要河流和水資源來源。但近30 a來,由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水質(zhì)污染、過度捕撈、水利工程建設(shè)等人為因素極大干擾了曹娥江流域水生生物特別是魚類的棲息生境,魚類群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性降低、穩(wěn)定性下降[17],且與長江等大型河流相比,曹娥江魚類的整體遺傳多樣性處于中等偏下水平,生物多樣性較為脆弱[18]。近年來,曹娥江流域水域環(huán)境得到持續(xù)治理和明顯改善,但鮮有從生物學(xué)角度對(duì)其水生態(tài)環(huán)境健康狀況開展系統(tǒng)性評(píng)估的研究。該研究以曹娥江流域魚類為研究對(duì)象,旨在建立適合該流域的F-IBI評(píng)價(jià)體系,并對(duì)該流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行客觀描述和評(píng)價(jià),為曹娥江漁業(yè)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和管理、漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展及區(qū)域水域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

曹娥江發(fā)源于磐安縣尚湖鎮(zhèn)王村的大盤山脈長塢,自南向北流經(jīng)新昌縣、嵊州市、上虞區(qū)、柯橋區(qū),自2008年曹娥江大閘建成后成為內(nèi)陸型河流,干流全長197.2 km,流域面積6 080 km2,主河道平均坡降3.0%。曹娥江主要支流有澄潭江、長樂江、新昌江、黃澤江等,已建有長詔、南山2個(gè)大型水庫和坂頭、遼灣、剡源、巧英4個(gè)中型水庫。曹娥江大部分河道是沿岸地區(qū)重要的工農(nóng)業(yè)用水來源,建有上浦閘、曹娥江大閘、清風(fēng)船閘等水利樞紐工程。

1.2 樣品采集

此次調(diào)查共設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)：干流選取曹娥江入?？跒I海,上虞區(qū)上浦、瀝海,嵊州市三界、仙巖為采樣點(diǎn);支流選取新昌縣澄潭江鏡嶺、新昌江長詔水庫,嵊州市黃澤江黃澤、長樂江甘霖為采樣點(diǎn)(圖1)。2016年4月至2018年12月期間,每年的4、6、9和12月各開展1次樣品采集。魚類樣品采集主要在當(dāng)?shù)貪O民協(xié)助下進(jìn)行,在采樣點(diǎn)上下游0.5 km范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)采樣。干流利用拖網(wǎng)(規(guī)格為4 m寬、2 m高、20 m長,網(wǎng)目10 mm)、流刺網(wǎng)(規(guī)格為3層,1.5 m高、50 m長,外層和內(nèi)層網(wǎng)目分別為100和10 mm)、地籠(規(guī)格為20 節(jié),0.4 m寬、0.4 m高、0.5 m深,網(wǎng)目5 mm)等漁具,支流利用背負(fù)式電魚機(jī)(功率2 kW,6場管)、流刺網(wǎng)和地籠等漁具。網(wǎng)具作業(yè)時(shí)間2 h,地籠作業(yè)時(shí)間12 h,電魚機(jī)采樣按“之”字形路線前行采集1 h。

1.3 漁獲物保存及種類鑒定

漁獲物按采集時(shí)間、地點(diǎn)分袋包裝,用冰保存后帶回實(shí)驗(yàn)室。魚類的物種分類鑒定參照文獻(xiàn)[19-21]進(jìn)行,確定各種魚的目科屬種等分類地位。采自同一個(gè)采樣點(diǎn)的樣品按魚類種類統(tǒng)計(jì)其尾數(shù)和總質(zhì)量,同時(shí)統(tǒng)計(jì)該采樣點(diǎn)的總漁獲量。在稱重過程中,所有的樣品魚應(yīng)保持標(biāo)準(zhǔn)濕度,以免因失重而造成誤差。經(jīng)低溫保存的樣品魚質(zhì)量測定值按樣品魚保存期的失重率予以校正。

圖1 曹娥江魚類采樣點(diǎn)分布

1.4 F-IBI候選指標(biāo)體系構(gòu)建及篩選

1.4.1參考點(diǎn)和受損點(diǎn)選擇

參考點(diǎn)和受損點(diǎn)篩選是構(gòu)建IBI的基礎(chǔ)。按照未受到人為活動(dòng)干擾或受到輕度人為活動(dòng)干擾的采樣點(diǎn)要求,并根據(jù)前期曹娥江水質(zhì)和漁業(yè)資源調(diào)查結(jié)果[17],選擇干流上浦和支流鏡嶺為參考點(diǎn),選擇濱海、瀝海、三界、仙巖、長詔、甘霖、黃澤為受損點(diǎn)。

1.4.2候選指標(biāo)體系構(gòu)建

為體現(xiàn)曹娥江流域環(huán)境梯度上魚類群落結(jié)構(gòu)的變化,參考曹娥江魚類群落組成結(jié)構(gòu)[19]并結(jié)合文獻(xiàn)[13,22],選擇種類組成與豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、耐受性、繁殖共位群、魚類數(shù)量與健康狀況5個(gè)屬性的23個(gè)候選指標(biāo)構(gòu)建F-IBI評(píng)價(jià)體系(表1)。

1.4.3候選指標(biāo)分布范圍檢驗(yàn)

用Excel 2016軟件對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn),對(duì)采樣點(diǎn)中超過95%為零值的候選指標(biāo)視為不適用于構(gòu)建F-IBI,予以刪除。

1.4.4候選指標(biāo)敏感性分析

用GraphPad Prism v8.0.2.263軟件繪制候選指標(biāo)箱形圖,分析其在參考點(diǎn)與受損點(diǎn)的分布情況。參照郜星晨等[22]的方法,比較各候選指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱體IQ(interquartile ranges,25%～75%分位數(shù)范圍)的重疊情況,分別賦值,保留IQ值≥2的候選指標(biāo)進(jìn)行下一步分析。

1.4.5候選指標(biāo)間冗余檢驗(yàn)

用IBM SPSS Statistics 25.0軟件對(duì)經(jīng)敏感性分析篩選的候選指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,檢驗(yàn)候選指標(biāo)的冗余。以P<0.05為顯著水平,當(dāng)相關(guān)系數(shù)|r|>0.9時(shí),代表2個(gè)候選指標(biāo)間生物信息重疊度高,按候選指標(biāo)的重要性大小刪除次要候選指標(biāo)[23]。候選指標(biāo)經(jīng)冗余檢驗(yàn)后最終獲得構(gòu)建曹娥江流域F-IBI體系的指標(biāo)。

1.5 F-IBI指標(biāo)的計(jì)算及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

選用1、3、5賦值法對(duì)曹娥江流域魚類生物完整性進(jìn)行評(píng)分計(jì)算[13]。將所有指標(biāo)的分值累加,確定F-IBI分值。采用MOYLE等[24]的F-IBI總分計(jì)算方法計(jì)算各采樣點(diǎn)F-IBI總分(F-IBI總分=各指標(biāo)總分/指標(biāo)數(shù)量×12),并參照KARR等[25]的方法將曹娥江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況分為6個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),即極好(58～60)、好(48～52)、一般(40～44)、差(28～34)、極差(12～22)和無魚(0)。

表1 F-IBI評(píng)價(jià)體系候選指標(biāo)及其對(duì)干擾的響應(yīng)

2 結(jié)果與分析

2.1 魚類群落組成及生活習(xí)性特征

此次調(diào)查在曹娥江9個(gè)采樣點(diǎn)共采集到魚類標(biāo)本17 116尾,分屬于12目25科69屬107種。其中,鯉形目種2科40屬65種,占總種類數(shù)的60.75%;其次是鱸形目11科15屬20種,占總種類數(shù)的18.69%;鲇形目3科5屬11種,占總種類數(shù)的10.28%;鯡形目和鲀形目各1科1屬2種,各占總種類數(shù)的1.87%;仙女魚目、鯔形目、合鰓目、鱘形目、鰻鱺目、頜針魚目和鰈形目各1科1屬1種,各占總種類數(shù)的0.93%。

2.2 F-IBI參考指標(biāo)分析及篩選

各采樣點(diǎn)F-IBI參數(shù)指標(biāo)的調(diào)查分析結(jié)果見表2。所有23個(gè)F-IBI候選指標(biāo)都通過了分布范圍的篩選。候選指標(biāo)的敏感性分析發(fā)現(xiàn),鯉形目魚類種類數(shù)(M3)、中下層魚類物種數(shù)占比(M9)、無脊椎動(dòng)物食性魚類個(gè)體數(shù)占比(M12)、肉食性魚類個(gè)體數(shù)占比(M14)、敏感性魚類個(gè)體數(shù)占比(M15)、耐受性魚類個(gè)體數(shù)占比(M16)、借助貝類產(chǎn)卵魚類物種數(shù)占比(M19)7個(gè)候選指標(biāo)的IQ值≥2(圖2)。對(duì)上述7個(gè)候選指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),M12與M14、M15和M16呈顯著相關(guān),且|r|>0.9。

表2 曹娥江各采樣點(diǎn)F-IBI參數(shù)指標(biāo)的調(diào)查分析結(jié)果

采樣點(diǎn)各指標(biāo)代碼含義見表1;箱形圖中橫線從上到下依次表示上邊緣、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、下邊緣。

M15相比于M12、M14和M16更能從整體上反映曹娥江魚類受到水質(zhì)或生境退化等環(huán)境因子影響的變化特征。剔除M12、M14和M16,最終獲得用于計(jì)算曹娥江流域F-IBI的4個(gè)核心指標(biāo),即M3、M9、M15和M19,分屬于種類組成與豐度、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境耐受性、繁殖共位群4個(gè)屬性。

2.3 曹娥江流域F-IBI健康評(píng)價(jià)

曹娥江流域各采樣點(diǎn)F-IBI核心指標(biāo)的賦分標(biāo)準(zhǔn)見表3,各采樣點(diǎn)F-IBI總分及健康狀況等級(jí)見表4。結(jié)果表明,曹娥江流域干流采樣點(diǎn)的健康狀況等級(jí)為“極差～差”到“一般”水平,支流健康狀況等級(jí)為“一般”到“好”水平,干流健康狀況低于干流,顯示曹娥江干流中魚類相對(duì)于支流中魚類受到更多的外界干擾和生存壓力。此外,在支流中,長詔的健康狀況等級(jí)低于甘霖、黃澤和鏡嶺。

表3 曹娥江流域F-IBI核心指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)

表4 曹娥江流域各采樣點(diǎn)IBI總分及健康評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

3.1 曹娥江魚類特征

此次調(diào)查一共采集到魚類107種,與歷史數(shù)據(jù)[19]相比有很大差異,與何海生等[26]采集的魚類種數(shù)相比,采集種類更多,其原因可能是此次調(diào)查設(shè)置的采樣點(diǎn)更多且時(shí)間幅度更長,但兩者均以鯉科種類為優(yōu)勢魚類且魚類體型小型化現(xiàn)象突出,這與錢塘江等流域的漁業(yè)資源的狀況[27]相似。鯉科魚類為優(yōu)勢魚類符合我國淡水魚類資源的特點(diǎn),魚類體型小型化現(xiàn)象突出可能與過度捕撈、水利工程興建、水質(zhì)污染等因素有關(guān)。與錢塘江流域[28-30]相比,此次調(diào)查在曹娥江流域未采集到太湖新銀魚、松江鱸、鯔、矛尾復(fù)蝦虎魚等江海洄游性魚類及河口魚類,表明水利工程造成的魚類生境條件改變可能是導(dǎo)致魚類資源衰退的重要原因之一[31]。

3.2 F-IBI評(píng)價(jià)體系及其參考點(diǎn)的選擇

魚類作為水生食物鏈的頂層或近頂層生物,其生命周期較長、活動(dòng)能力強(qiáng)、分布廣泛、形態(tài)特征明顯,對(duì)水生態(tài)環(huán)境具有長期性、系統(tǒng)性和穩(wěn)定性的指示作用,因此魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)已成為水生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)的主要方法之一。魚類種類數(shù)等魚類狀況指數(shù)作為長江流域水生生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)必選指標(biāo),被列入農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制訂的《長江流域水生生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)辦法(試行)》(農(nóng)長漁發(fā)[2021]3號(hào)),可應(yīng)用于我國大多數(shù)量河流的健康評(píng)價(jià)。

參考點(diǎn)的選取對(duì)F-IBI評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建起著關(guān)鍵性作用。有魚類歷史調(diào)查數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)水域和無人類干擾的原始區(qū)域是理想的參考點(diǎn)[22]。研究表明,使用不同的標(biāo)準(zhǔn)化方法(歷史數(shù)據(jù)法、水質(zhì)法、棲境法、綜合法)篩選出不同的參考點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致河流健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果的差異[16, 22]。然而,該研究中曹娥江流域干流和支流均長期受到不同程度的人為活動(dòng)干擾,同時(shí)也缺少捕撈量等量化的魚類歷史調(diào)查數(shù)據(jù)。因此,選擇干流中棲息地生境和水質(zhì)條件較好的上浦和支流中無大型水利設(shè)施、棲息地生境相對(duì)較好的鏡嶺作為參考點(diǎn)。曹娥江F-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果也顯示干流中上浦的健康水平等于三界、仙巖,優(yōu)于濱海、瀝海;支流中鏡嶺的健康水平等于甘霖、黃澤,優(yōu)于長詔。然而,由于此次研究中采樣點(diǎn)的限制,選擇的參考點(diǎn)數(shù)量較少,在后續(xù)的研究中需要增加采樣點(diǎn),對(duì)干流和支流分別建立評(píng)價(jià)體系,以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的符合程度

評(píng)價(jià)結(jié)果表明,曹娥江流域干流采樣點(diǎn)的健康狀況處于“極差～差”到“一般”水平,總體低于支流采樣點(diǎn)“一般”到“好”的健康水平。這一評(píng)價(jià)結(jié)果與目前曹娥江干流和支流受到的不同程度干擾相一致。曹娥江干流先后建有上浦閘、曹娥江大閘、清風(fēng)船閘等多處水利工程,使得曹娥江流域的連通性下降,河流向湖泊型轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致干流采樣點(diǎn)鯉形目魚類種類數(shù)(M3)、鯉科魚類種類數(shù)(M5)和中上層魚類物種數(shù)占比(M8)等指數(shù)整體大于支流采樣點(diǎn)(表2),這一研究結(jié)果與李雪健等[32]的研究結(jié)果相一致。同時(shí),在支流采樣點(diǎn)中,位于新昌江上游的長詔水庫的健康水平低于未建有大型水利設(shè)施的長樂江甘霖、澄潭江鏡嶺和在建水庫的黃澤江黃澤的健康水平。這一結(jié)果進(jìn)一步說明了水利設(shè)施對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響。

此外,干流采樣點(diǎn)敏感性魚類個(gè)體數(shù)占比(M15)整體小于支流采樣點(diǎn),而干流采樣點(diǎn)耐受性魚類個(gè)體數(shù)占比(M16)整體大于支流采樣點(diǎn),也反映出干流比支流遭受更多的水質(zhì)污染、過渡捕撈和航運(yùn)等人為干擾壓力,水域生態(tài)環(huán)境處于較差的狀態(tài)。不過仍需注意的是,支流健康狀況等級(jí)較高并不代表其生態(tài)系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定。在前期研究中,鏡嶺群體的麥穗魚(Pseudorasboraparva)、光澤黃顙魚(Pelteobagrusnitidus)和刺鰍(Mastacembelusaculeatus)3種魚類的單倍型多樣性指數(shù)和核苷酸多樣性指數(shù)水平均低于中游仙巖群體的相應(yīng)指數(shù)水平[18],提示曹娥江支流水生態(tài)系統(tǒng)健康的脆弱性。因此,建議在曹娥江流域生態(tài)環(huán)境大力治理和修復(fù)的工作中進(jìn)一步加強(qiáng)休漁期的漁業(yè)資源保護(hù),修復(fù)魚類的天然棲息地和產(chǎn)卵場生境,利用水利工程合理調(diào)節(jié)生態(tài)流量提高各江段的水體流動(dòng)性,進(jìn)而加快曹娥江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康修復(fù)。