基于河口生物完整性指數評價上海周邊海域健康狀況的初步研究

劉守海 ，張昊飛 ，何彥龍 ，彭小家 ，秦玉濤 ，季曉 ，楊志

1. 國家海洋局東海環境監測中心，上海 201206；2. 海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室，上海 201206；

3. 上海海洋大學，上海 201306；4. 哈爾濱理工大學榮成學院，山東264300

近些年來由于水域污染、過度捕撈以及棲息地破壞等原因，使得河口生態系統的健康狀態不斷惡化，這一問題引起社會的廣泛關注。隨著“水污染防治行動計劃”、“藍色海灣”等管理修復措施的出臺，開展河口修復成效后評估、河口生態系統健康評估是亟待開展的工作。魚類作為生態系統的重要組成部分，特別是其在食物網中的位置以及對水質的高度敏感性，魚類群落結構變化反映了河口生態系統的健康情況（Karr，1981），因此魚類被認為是評價河口生態系統健康的理想物種。

國內外學者積極探究人類干擾與生物特性之間的定量關系，找尋對干擾反應敏感的生物指數。Karr（1981）最早提出了生物完整性指數（index of biotic integrity，IBI）。Deegan et al.（1997）進一步提出了基于河口生境魚類群落變化的河口生物完整性指數（estuarine biotic integrity index，EBI）的概念，從15個指標中篩選出了8個指標，并利用指數評價了美國馬薩諸塞州東南一系列河口、海灣魚類棲息環境的功能。隨后，Hughes et al.（2002）利用河口生物完整性指數對美國馬薩諸塞州的科德角（Cape Cod）和巴澤茲灣（Buzzards Bay）的健康狀況作了整體性評價。Breine et al.（2007）基于魚類群落的河口生物完整性指數，評價了比利時法蘭德斯的須耳德河（Schelde river）河口的生態質量。在中國，基于河口生境魚類群落變化的生物完整性指數研究有一些研究（毛成責等，2011；張芮等，2017），但有關河口生物完整性指數的應用研究尚未見報道。

上海地處長江入海口，南瀕杭州灣，其周邊海域是多種魚類的產卵場和育幼場（莊平等，2006）。有關這一海域的魚類浮游生物群落結構已有較多研究（楊東萊等，1990；朱鑫華等，2002；王金輝等，2007；劉守海等，2015）。本研究利用上海周邊海域2016年春季仔、稚魚DNA條形碼鑒定結果，運用河口生物完整性指數（EBI），對上海周邊海域的健康狀況進行評價，對河口魚類棲息環境功能進行初步探討，以期為河口生態修復后評估提供技術支持。

1材料與方法

1.1調查區域

2016年5月9日—5月29日，在上海周邊海域（121°20′～123°E，30°30′～32°N）設置 13 個站位點（圖 1），按照《海洋調查規范》（GB/T12763.6—2007）使用大型浮游生物網（網長280 cm，網口內徑80 cm，網口面積0.5 m2，網目0.505 mm）在站點進行水平拖網。用無水乙醇保存標本。根據所處地理位置的不同，將調查海域分為4個區域，長江口口內海域1～3號站，長江口口外海域4～8站，舟山附近海域9～10站，杭州灣北部11～13站。

在實驗室內將不同站位采集的仔、稚魚樣品置于體視顯微鏡（Nikon SMZ 1500）下進行形態觀察，測量體長，并進行初步的類群和種類鑒別，然后利用基于線粒體COI序列的DNA條形碼技術對仔、稚魚進行種類鑒定（劉守海等，2017）。根據相關文獻（小泉清明，1987；張世義等，2005；莊平等，2006；倪勇等，2006；伍漢霖等，2008）、臺灣魚類資料庫及Fishbase網站的信息，確定每種魚的棲息環境、營養類型、耐受性以及是否為外來或天然雜交種。

1.2 EBI 指標體系

Karr et al.（1986，1991）將評價的指標分為物種豐度和組成、營養類型組成及物種多度和健康狀況3大類，總共有12項屬性（表1）。每項屬性根據魚類群落的情況分別給予5分、3分、1分的評價，各項得分的總和即為該站點的EBI值。各項屬性可隨著不同生境類型以及魚類對環境變化的敏感程度進行適當的修改或增減（Deegan et al.，1997；Hughes et al.，2002）。

EBI計算公式為：

EBI=M1+M2+M3+??+M12（1）

Karr（1991）根據不同分數段劃分了9等級（表2）：極好 57～60；極好-好 53～56；好 48～52；好-一般 45～47；一般 40～44；一般-差 35～39；差 28～34；差-極差 23～27；極差 12～22。Karr沒有對未采集到魚這一情況給出評分標準，本研究將該情況定義為0分。

圖1 采樣站位圖Fig. 1 Locations of sampling sites

表1 Karr et al.（1986）修訂的EBI評價指標體系Table 1 EBI metric system modified by Karr et al. (1986)

表2 EBI等級劃分和特征Table 2 Classification of EBI and the characteristic corresponding to EBI level

2結果

2.1種類組成及屬性類型

通過DNA條形碼的分析，本次調查獲得的仔、稚魚樣品隸屬于7目10科，鑒定到種的有18個種，鑒定到屬有1個屬（表3）。根據生態類型可分為淡水種、河口種和近海種（表3）。按棲息地劃分，底棲種8種，占42.1%；棲水層種11種，占57.9%。按耐污性劃分，低耐污種15種，占78.9%；高耐污種4種，占21.1%。按食性劃分，雜食性6種，肉食性12種，蟲食性1種，分別占總體的31.6%，63.1%和5.3%。調查海域的仔、稚魚未發現外來或天然雜交種（表4）。

2.2長江口及其鄰近海域的EBI指標體系

本研究的水域為受徑流及潮汐影響劇烈的大河口，綜合 Deegan et al.（1997），Hughes et al.（2002）及毛成責等（2011）的研究方法，選取了適合評價河口EBI的10個指標（表5），其中屬性M1涵蓋了河口育肥種及河口產卵種2個指標，所以賦予此項屬性3個權重。結合文獻（楊東萊等，1990；朱鑫華等，2002；王金輝等，2007）以及本研究結果，確定了種類結構中各指標（M1～M5）的值。EBI分數越高，說明仔、稚魚群落及其生境的健康狀況越好。

2.3仔稚魚EBI值及其空間分布

所有站點 EBI均值為 27.6，變化范圍在 0～41之間（表6）；最大值出現在杭州灣北部的13號站位。從EBI值的區域分布來看，杭州灣北部（站位12和站位13）EBI值等級為一般，舟山附近海域（站位9和站位10）以及杭州灣北部的部分區域（站位11）EBI值等級為差，而長江口海域（站位1～4和站位 6～8）（口內和口外）EBI值等級為差-極差。這種分布狀況（圖 2）反映了人類干擾程度的不同導致了水域生物完整性的差異。

表3 上海周邊海域魚類浮游生物名錄Table 3 Species categories of ichthyoplankton in Shanghai adjacent waters

表4 仔、稚魚種類組成及屬性類型Table 4 The metrics and species composition of fish larvae and juveniles

3討論

3.1 DNA條形碼在魚類浮游生物的應用

魚卵和仔、稚魚的種類分布和數量變化是評估海域魚類產卵場最直接、有效的數據資料，同時也是作為水域評價污染狀況的指標（張仁齋等，1985），準確地鑒定魚類浮游生物是魚類浮游生物研究的基本前提。而魚類早期發育階段時間較短，其形態變化復雜，可用于鑒別的形態特征較少。中國已知海洋魚類已超過3000種，但是有資料可查的魚卵與仔、稚魚種類不超過300種（卞曉東等，2008）。從報道來看，魚卵和仔、稚魚的研究中，存在部分樣品鑒定到科級或未鑒定（朱鑫華等，2002；蔣玫等，2006；王金輝等，2007；劉淑德等，2009；閆欣等，2014；劉守海等，2015）。

表5 EBI評價指標體系和評分標準Table 5 Adapted EBI metric system

表6 各站位仔、稚魚EBI值Table 6 EBI values of fish larvae and juveniles at research area

DNA條形碼技術通過一段短的DNA序列作為標記，建立條形碼和生物實體之間的對應關系（Hebert et al.，2003a，2003b），從而實現對物種的快速鑒定。基于BOLD等數據庫的魚類DNA條形碼信息不斷豐富，為開展仔、稚魚鑒定工作奠定了堅實的基礎（Lakra et al.，2009；王中鐸等，2009；柳淑芳等，2010；程寶國等，2012；宋超等，2014；于亞男等，2014）。周美玉等（2015）將形態學特征分為2種類型魚卵和3種類型仔、稚魚的樣品，應用DNA條形碼技術分析鑒定得到3個魚卵種類和4個仔、稚魚種類。劉守海等（2017）通過DNA條形碼技術鑒定調查所獲得的7目10科樣品，鑒定到種的比例高達94.7%。其中，鑒定出矛尾蝦虎魚（Chaeturichthys stigmatias）、睛尾蝌蚪蝦虎魚（Lophiogobius ocellicauda）、褐吻蝦虎魚（Rhinogobius brunneus）、斑尾刺蝦虎魚（Acanthogobius ommaturus）、斑點竿蝦虎魚（Luciogobius guttatus）等5個蝦虎魚科種類，青魚（Mylopharyngodon piceus）、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）和鳊（Parabramis peknensis）等3個鯉科種類。以上結果說明DNA條形碼可對形態學較難鑒定的科類或相似種類進行有效的物種鑒定，從而提高魚類浮游生物鑒定的準確性。

3.2上海周邊海域的健康狀況

一方面，上海因地理位置特殊，長江和錢塘江攜帶了大量氨氮、磷酸鹽等入海，導致其周邊海域海水質量較低。另一方面，徑流帶來豐富的營養物質，為親魚的產卵提供餌料基礎，也為仔、稚魚的索餌提供條件；同時，河口區域適合的鹽度以及較高的渾濁度，制約著捕食者到此追捕仔、稚魚的能力，因此河口成為了魚類產卵、育幼的理想場所。

本研究中，由EBI值空間分布（表6和圖2）結果可知，調查區域各站點中健康狀況較好的為杭州灣北部水域的站位13和站位12，最差的為長江口航道及錨地的站位1～4和站位6～8。浮游動物調查也驗證了上述結果，即上海周邊海域浮游動物個體總數分布特征呈現出長江口門內低、杭州灣北部和舟山附近水域較高的特征（紀煥紅等，2006）。站位13和站位12位于杭州灣北部金山三島附近，該區域較豐富的餌料為仔、稚魚生長提供了條件（劉建國等，2015）。站位 1～4和站位 6～8水域為長江口航道及錨地，繁忙的長江航道不利于對棲息環境變化敏感的仔、稚魚生存。河口生物完整性指數客觀地反映了魚類浮游生物群落對生境變化的響應。

3.3河口生物完整性指數在河口健康評價的應用前景

健康的河口生態系統是指在特定的自然邊界范圍內，可維系其正常的結構（現存物種類別、種群大小和組成）和功能（食物網物質和能量流動）的河口生態系統。由于海洋物理性質特殊（流動性、邊界和尺度的難確定性），對河口生態系統的研究變得十分困難，與其他生態系統相比，其結構和功能更加復雜，穩定性也較低（Vandermeulen，1998）。生態系統健康評價主要有兩種方法，一是指示物種評價，二是結構功能指標評價。指示物種評價主要依據生態系統的關鍵物種、特有物種等的數量、生產力及一些生理生態指標描述生態系統的健康狀況；而結構功能指標評價主要是綜合生態系統的多項指標，反映生態系統的結構、功能（祁帆等，2007）。

在長江口及其鄰近海域的生態系統健康評價研究中，指示物種評價方法中有運用棲息密度和生物 量 計 算 AMBI（BAMBI） 和 M-AMBI（M-BAMBI），對長江口海域進行底棲生態質量評價，受干擾最嚴重的區域集中在杭州灣、舟山及長江口門區附近海域（蔡文倩等，2013）。結構功能指標評價方法中有河口生態系統健康模糊評價模型（周曉蔚等，2011）和長江河口生態系統整合健康指數（葉屬峰等，2007）。前者借鑒壓力-狀態-響應指標結構模型，構建了長江口及毗鄰海域的由年徑流量波動比、入海段面 CODMn、DO超標率、底棲動物多樣性指數、浮游植物甲藻種類比例、類大腸菌群超標率等22個敏感指標組成的評價指標體系，建立了基于最大熵的河口生態系統健康模糊評價模型。運用該模型對長江口生態系統健康的現狀為亞健康狀態（周曉蔚等，2011）。后者通過物理化學指標、生態學指標和社會經濟學指標三大類30個指標來建立長江河口生態系統健康評價指標體系，評價認為長江河口生態系統總體上處于亞健康（葉屬峰等，2007）。以上評價結果認為長江口及其鄰近海域的生態系統健康處于亞健康。在本研究中，作為指示物種評價的河口生物完整性指數，通過EBI指數將上海周邊水域分為 3個不同區域：EBI值等級為一般的杭州灣北岸水域，EBI值等級為差的舟山附近海域，而長江口海域（口內和口外）EBI值等級為差-極差。本結果是對長江口及其鄰近海域的亞健康海域內生境的進一步細分。

河口生物完整性指數強調從生態學角度反映河口生態系統健康與否，定量描述環境狀況特別是人為干擾與生物特性之間的關系。同步分析關鍵理化指標評價水環境，可與河口生物完整性共同評價河口生態系統的健康狀況。河口生物完整性指數選擇魚類浮游生物群落變化作為研究對象，通過分析魚類浮游生物群落變化與河口環境問題之間的關系，評估生態系統健康狀況，為從生態系統水平上評價河口生態健康提供了有效的生物監測手段。

4結論

通過DNA條形碼的分析，本次調查獲得仔、稚魚樣品有18個種，鑒定到屬有1個屬。根據生態類型可分為淡水種、河口種和近海種（表3）。按棲息地劃分，底棲種8種，占42.1%；棲水層種11種，占57.9%。按耐污性劃分，低耐污種15種，占78.9%；高耐污種4種，占21.1%。按食性劃分，雜食性6種，肉食性12種，蟲食性1種，分別占總體的31.6%，63.1%和5.3%。

通過河口生物完整性指數（EBI）評價上海周邊海域的健康狀況。所有站點EBI均值為27.6，變化范圍在0～41之間。杭州灣北岸EBI值等級為一般，舟山附近海域EBI值等級為差，而長江口海域EBI值等級為差-極差。研究表明，EBI方法在海洋生態系統健康評價過程中表現出良好的效果。