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(chǎn)科學(xué)研究所,農(nóng)業(yè)部西北地區(qū)漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,新疆烏魯木齊 830000)

烏魯木齊河發(fā)源于天山一號(hào)冰川,位于天山北坡中段,準(zhǔn)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(jiàn)天山主峰博格達(dá)峰,南依天山中段天格爾峰,西北向準(zhǔn)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(jīng)濟(jì)帶,是新疆現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通信息、教育科技等最為發(fā)達(dá)的核心區(qū)域[2]。

近年來(lái),隨著新疆天山北麓區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,尤其是新興工業(yè)、農(nóng)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(shè)[3],極大的改變了該區(qū)域內(nèi)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(dāng)其沖的即是自治區(qū)I級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水生野生動(dòng)物——新疆裸重唇魚(yú)Gymnodiptychus dybowskii(Kessler)的天然棲息地生境受到致命影響,導(dǎo)致新疆裸重唇魚(yú)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(yú)為鯉科裂腹魚(yú)亞科魚(yú)類,體延長(zhǎng),略側(cè)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(zhì),但不銳利;上、下唇十分發(fā)達(dá),唇后溝中斷;分布海拔為600～2 000 m河段內(nèi),產(chǎn)卵場(chǎng)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(zhì)主要為沙石基質(zhì)。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(kāi)都河水系,涵蓋我區(qū)約50%左右的的水域,是這些水域的關(guān)鍵種(key species)和旗艦種[5]。

魚(yú)類棲息地評(píng)價(jià)研究目前在國(guó)內(nèi)外已非常之多,如美國(guó)漁業(yè)及野生動(dòng)物署提出的河道內(nèi)流量增量法IFIM(Instream Flow Incremental Methodology),美國(guó)地理調(diào)查局國(guó)家濕地研究中心魚(yú)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(guó)內(nèi)學(xué)者均已在長(zhǎng)江流域、雅礱江流域等水域建立了魚(yú)類棲息地評(píng)價(jià)模型[10-11],但新疆水域目前并未開(kāi)展相關(guān)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(yú)的棲息地適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)模型將為該地區(qū)其他水域的魚(yú)類棲息地保護(hù)工作提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖1 烏魯木齊河采樣點(diǎn)位設(shè)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(shè)置 6個(gè)采樣點(diǎn),位于 86°07′-88°10′E,43°02′-44°35′N 之間,自上游至下游分設(shè) W1(一號(hào)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(gè)斷面,烏魯木齊河自青年渠首開(kāi)始進(jìn)入明渠引水至烏魯木齊市烏拉泊水庫(kù),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(xiàng)目組對(duì)以上6個(gè)斷面逐月進(jìn)行采樣,其中水深(D)用測(cè)深儀測(cè)量,流速(V)用美國(guó)德卡托SVR雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)定,水溫(T)、溶氧(DO)、pH用哈希HQ40d多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,底質(zhì)卵石所占比例(BM)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)采集5 L樣品帶回水質(zhì)水產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心24小時(shí)檢測(cè)獲得,由于3月份和11月份W1、W2點(diǎn)位為冰封期,故本研究所用數(shù)據(jù)為2016年4月-10月6個(gè)斷面的14個(gè)參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 選擇環(huán)境影響評(píng)價(jià)參數(shù)

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

具體篩選過(guò)程：

(1)利用主成分分析方法(PCA)對(duì)余下的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)提取主成分個(gè)數(shù)累計(jì)方差超過(guò)60%的原則,通過(guò)最大方差旋轉(zhuǎn)法(varimax),經(jīng)因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后選擇載荷值大于0.6的指標(biāo)作為下一步待篩選指標(biāo);

(2)對(duì)余下的候選指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,最后根據(jù)顯著性水平確定各指標(biāo)間信息重疊程度。結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)分析以及指標(biāo)實(shí)際重要程度[14],選取其中相對(duì)獨(dú)立和重要的指標(biāo)來(lái)表征魚(yú)類棲息地狀況。上述分析過(guò)程均在SPSS17.0統(tǒng)計(jì)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(xiàn)：參考專家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)、偏好模型和使用模型。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和烏魯木齊河實(shí)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(jì)算方法有很多種,本次研究采用最常用的加權(quán)平均法依據(jù)。即：

式中,fi為第i個(gè)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(duì)該因子的適宜程度;ki表示第i個(gè)因子的權(quán)重,總和為1,模型評(píng)價(jià)中結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果,采用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)賦予不同的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚(yú)類和指示物種調(diào)查結(jié)果

本次研究中實(shí)地采補(bǔ)有漁獲物分布的點(diǎn)位為W2至W3斷面。對(duì)當(dāng)?shù)赝林用竦恼{(diào)訪結(jié)果顯示,歷史上烏魯木齊河流域新疆裸重唇魚(yú)主要分布于W4下游,但在本次調(diào)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(kù)等的修建,W5斷面及其下游魚(yú)類資源銳減。在全年采樣過(guò)程中,W6斷面在3月、9月、10月均為干涸狀態(tài)。當(dāng)?shù)貪O民走訪調(diào)查,該流域10 a前新疆裸重唇魚(yú)(地方名：白條)的生物量較為豐富,豐水期一網(wǎng)可以打撈幾十尾,部分個(gè)體可達(dá)500 g以上。對(duì)于烏魯木齊河自然環(huán)境的變化,新疆裸重唇魚(yú)具有較為明顯的群體組成變化,表現(xiàn)出對(duì)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(yú)種作為該流域棲息地評(píng)價(jià)的指示物種。

2.2 棲息地評(píng)價(jià)因子的選取

對(duì)新疆裸重唇魚(yú)在烏魯木齊河棲息地調(diào)查所獲取的14個(gè)參數(shù)進(jìn)行主成分分析,得到KMO值為0.698,Bartlett球形度檢驗(yàn)值492.773,相伴概率為0,因此認(rèn)為適合展開(kāi)主成分分析。根據(jù)特征值累計(jì)方差大于0.6的標(biāo)準(zhǔn),提取出3個(gè)主成分,見(jiàn)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(jié)果顯示,第一主成分包括T、DO、pH、BM、Bi、Su、OH、Fi 8個(gè)指標(biāo),貢獻(xiàn)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(yú)棲息地生境水體理化條件;第二主成分包括D、V、Su 3個(gè)指標(biāo),貢獻(xiàn)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(gè)參數(shù),剩余的D、T、DO等10個(gè)參數(shù)是對(duì)烏魯木齊河新疆裸重唇魚(yú)棲息地評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)較為突出的參數(shù)。對(duì)這10個(gè)參數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),結(jié)果表明,D、T、V三個(gè)參數(shù)符合正態(tài)分布(P＞0.05)。對(duì)D、T、V三個(gè)參數(shù)采用Pearson相關(guān)檢驗(yàn),其它參數(shù)采用Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn),分析指標(biāo)的相關(guān)性(表2)。結(jié)果顯示,10個(gè)參數(shù)之間表現(xiàn)出極相關(guān)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(guān),而且水體酸堿度對(duì)上述離子濃度的影響明顯,選擇OH一個(gè)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(gè)環(huán)境因子來(lái)評(píng)價(jià)烏魯木齊河新疆裸重唇魚(yú)棲息地。

表2 新疆裸重唇魚(yú)主要環(huán)境因子Pearson相關(guān)分析和Spearman秩相關(guān)分析結(jié)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(jì)算適宜度的圖2為新疆裸重唇魚(yú)在烏魯木齊河對(duì)上述6個(gè)評(píng)價(jià)因子的適宜度曲線。適宜度的高低主要通過(guò)野外調(diào)查所獲取的魚(yú)類樣本的豐度來(lái)評(píng)價(jià)。其中,D(深度)的測(cè)量范圍為0～2.3 m,最適適宜度為0.8 m左右;T(溫度)測(cè)量范圍為0～18.6℃,最適溫度為13℃左右;V(流速)測(cè)量范圍為0～3.5 m/s,最適流速為0.8 m/s;pH測(cè)量范圍為7.19～8.85,最適值為8.3;DO(溶解氧)測(cè)量范圍為6.79～10 mg/L;OH(總堿度)測(cè)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(yú)對(duì)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(jì)算

按照加權(quán)平均法計(jì)算各個(gè)點(diǎn)位在不同季節(jié)的棲息地適宜度指數(shù)。我們對(duì)上述6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果,采用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。新疆裸重唇魚(yú)為冷水性裂腹魚(yú)亞科魚(yú)類,所以溫度應(yīng)作為首要評(píng)價(jià)指標(biāo),故溫度和溶解氧賦予的權(quán)重較大,烏魯木齊河中游水域建設(shè)有石灰礦開(kāi)采場(chǎng)和電石冶煉廠,對(duì)水體中總堿度的影響較大,對(duì)新疆裸重唇魚(yú)分布具有較大影響,故賦予總堿度指標(biāo)較大權(quán)重,其它指標(biāo)按照棲息地評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)和專家建議[9,12-14],從大到小依次設(shè)置水深、流速和pH。對(duì)上述6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次分析法,得出的 T、OH、DO、D、V、pH 的評(píng)價(jià)權(quán)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(shuō)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(yú)不同棲息地在不同季節(jié)的HSI。HIS值最小的點(diǎn)位為0,是W1-3(W1點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位;大于0.6的W1有3個(gè)月份,W2有5個(gè)月份,W3有7個(gè)月份,W4有1個(gè)月份,W5有2個(gè)月份。實(shí)際調(diào)查過(guò)程中捕撈到魚(yú)類樣本的僅有W2和W3兩個(gè)點(diǎn)位,而且W3點(diǎn)位是魚(yú)類豐度最大的點(diǎn)位。

圖3 烏魯木齊河不同點(diǎn)位不同季節(jié)新疆裸重唇魚(yú)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(yú)為裂腹魚(yú)亞科魚(yú)類,屬于特化等級(jí),具有極高的科研價(jià)值。其棲息地特征對(duì)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(nèi)容建立烏魯木齊河新疆裸重唇魚(yú)的棲息地適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)模型。基于主成分分析,在所采集的14個(gè)環(huán)境因子篩選出6個(gè)科學(xué)合理的適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo),然后對(duì)這6個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行AHP層次分析,獲得相對(duì)較為科學(xué)的權(quán)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(guān)性,主要由于本次調(diào)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(yùn)動(dòng)和融水高速?zèng)_刷等因素影響,其物理、化學(xué)風(fēng)化速率高于大陸平均速率,對(duì)周圍區(qū)域的環(huán)境、生物、地球化學(xué)循環(huán)具有重要影響,尤其是Ca2+和HCO3-的含量相對(duì)較高[21],說(shuō)明本模型的建立與烏魯木齊河魚(yú)類棲息地的評(píng)價(jià)具有較高的契合度。

3.2 棲息地適宜度指數(shù)的時(shí)空分布

棲息地評(píng)價(jià)研究目前已比較普遍,但多數(shù)集中空間指數(shù)評(píng)價(jià)上,尤其是在海洋、湖泊和長(zhǎng)江等大水體上,能夠直觀的反應(yīng)各個(gè)點(diǎn)位之間魚(yú)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(nèi)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(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,本研究引入季節(jié)性時(shí)間特征分析,有效地解決了西北地區(qū)冰川河源水體魚(yú)類棲息地評(píng)價(jià)的瓶頸問(wèn)題。研究結(jié)果顯示,烏魯木齊河新疆裸重唇魚(yú)的棲息地適宜度指數(shù)具有明顯的空間、時(shí)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)位要低的多,其它5個(gè)點(diǎn)位中較高的兩個(gè)點(diǎn)位為W2和W3,符合實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù),如圖4。時(shí)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(píng)價(jià)指數(shù)均大于0.5,表現(xiàn)出魚(yú)類棲息生境選擇較好的適應(yīng)性,如圖5。

圖4 烏魯木齊河新疆裸重唇魚(yú)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(yú)棲息地適宜度指數(shù)時(shí)間分布Fig.5 Variables of HIS on temporal distribution

3.3 新疆裸重唇魚(yú)棲息地選擇與洄游習(xí)性存在很大的相關(guān)性

魚(yú)類洄游是一種先天性的本能行為,并具有一定的生物學(xué)意義。不同的魚(yú)類或同一種魚(yú)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(chǎng)所。這是自然選擇的結(jié)果,有相當(dāng)強(qiáng)的穩(wěn)定性,不會(huì)輕易改變[26]。本研究的適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)中,由于W4處存在大型石灰礦和電石廠,W5為大西溝調(diào)度水庫(kù)下游,W6存在季節(jié)性斷流,對(duì)魚(yú)類洄游行為的研究存在較大的人類干擾,故僅對(duì)W3以上的上游河源區(qū)進(jìn)行分析。對(duì)大于0.6的棲息地進(jìn)行一定的排序,排序結(jié)果為W3-7＞W(wǎng)3-8＞W(wǎng)2-5＞W(wǎng)2-6＞W(wǎng)1-5＞W(wǎng)2-8＞W(wǎng)3-9＞W(wǎng)3-10＞W(wǎng)3-4。新疆裸重唇魚(yú)為鯉科裂腹魚(yú)亞科魚(yú)類,其產(chǎn)卵時(shí)間為每年的4-6月,并存在短距離的產(chǎn)卵繁殖洄游[4-5]。棲息地適宜度指數(shù)評(píng)價(jià)模型的排序結(jié)果說(shuō)明,W3-W2河段應(yīng)為新疆裸重唇魚(yú)的越冬場(chǎng)主要分布區(qū),W2-W1河段應(yīng)為主要產(chǎn)卵場(chǎng)分布區(qū)。綜上所述,新疆裸重唇魚(yú)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(jīng)費(fèi)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(jié)果的理論支撐和數(shù)據(jù)資料較為薄弱。新疆裸重唇魚(yú)作為分布水域超過(guò)新疆地區(qū)50%以上天然水域的珍稀瀕危物種,后續(xù)應(yīng)擴(kuò)大研究范圍,將伊犁河流域、開(kāi)都河流域以及天山北坡諸小河的新疆裸重唇魚(yú)棲息地進(jìn)行HSI模型對(duì)比研究,以期建立更加科學(xué)、客觀的評(píng)價(jià)方法。

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