連玉喜葉少文黃 耿Ma?gorzata Godlewska王靜雅劉家壽李鐘杰

(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 波蘭科學(xué)院國際研究所生態(tài)水文學(xué)歐洲區(qū)研究中心, 羅茲 90364, 波蘭)

三峽庫區(qū)香溪河魚類資源水聲學(xué)探測效果的晝夜差異研究

連玉喜1,2葉少文1黃 耿1,2Ma?gorzata Godlewska3王靜雅1,2劉家壽1李鐘杰1

(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 波蘭科學(xué)院國際研究所生態(tài)水文學(xué)歐洲區(qū)研究中心, 羅茲 90364, 波蘭)

三峽大壩的建設(shè)和運行很大程度上改變了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境, 如水文特征、水生生物等, 勢必影響到魚類群落結(jié)構(gòu)及分布。由于受到空間范圍和生境復(fù)雜性等因素的制約, 傳統(tǒng)的魚類資源調(diào)查方法在大型深水水庫實施時存在費時費力、誤差大等問題, 而水聲學(xué)探測法作為一種新型評估方法具有高效快捷、不損傷調(diào)查對象等優(yōu)點, 在國內(nèi)外大水面魚類資源調(diào)查中得到廣泛的應(yīng)用[1—3], 在三峽庫區(qū)的魚類資源評估中也有過成功嘗試[4,5], 主要用于研究魚類資源現(xiàn)狀及其與環(huán)境因素和漁業(yè)活動的關(guān)系。

水聲學(xué)評估的可靠性通常受水域環(huán)境、天氣、調(diào)查路線和時間等諸多因素的影響[1,2,6], 由于魚類行為節(jié)律的變化, 不同探測時間的評估結(jié)果也會存在差異。已有研究表明魚類存在晝夜垂直遷移現(xiàn)象[7—9], 白晝期間多數(shù)魚類喜歡在水底集群, 夜晚則向表層的溫暖水域遷移[10,11],加之回聲探測儀存在水底探測盲區(qū), 因而造成白晝探測的魚類密度偏低[11—14]。同時也有研究指出, 盡管某些水域夜間探測的魚類密度較高, 但由于白晝探測的魚類平均個體更大, 反映的生物量反而更高[15]。因此, 我們選擇在三峽庫區(qū)典型支流香溪河開展研究, 比較魚探儀探測的魚類密度和個體大小分布晝夜差異, 在此基礎(chǔ)上確定適宜的探測時間, 以提高三峽水庫魚類資源水聲學(xué)探測方法的標(biāo)準(zhǔn)化程度和評估結(jié)果的可靠性。

1 材料與方法

1.1 研究地點

選擇三峽水庫在湖北省境內(nèi)的最大支流香溪河作為實驗地點。香溪河發(fā)源于神農(nóng)架山脈南麓, 自然落差1540 m, 為峽谷型河流, 擁有九沖河、古夫河、高嵐河三條主要支流, 由北向南貫穿興山縣全境, 于秭歸縣香溪鎮(zhèn)匯入長江, 干流全長94 km, 流域面積3099 km2[16]。香溪河為峽谷型河流, 河面平均寬度約為400 m, 地形起伏變化較大, 三峽水位高程160 m時平均水深約為30 m, 適合開展水聲學(xué)探測。

1.2 實驗設(shè)計

儀器設(shè)備 水聲學(xué)探測設(shè)備為Simrad EY60型分裂波束回聲探測儀, 換能器頻率為120 kHz, –3 dB波束寬為7°。調(diào)查時功率設(shè)定為100 w, 脈沖寬度選擇128 μs, 以最快的頻率發(fā)射脈沖(約為 10 pings/S)。GPS導(dǎo)航儀為Garmin GPSmap 60CSx型, 數(shù)據(jù)采集采用EY60的配套軟件ER60, 實時采集GPS導(dǎo)航儀中的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù), 與回聲探測儀數(shù)據(jù)一起儲存。調(diào)查船只為鐵質(zhì)漁船, 全長13 m,寬2.1 m, 功率14.7 kw, 實驗期間航速為8—10 km/h。

探測路線和時間 探測區(qū)域(N 30.960745°-N 31.122706°, E 110.746355°-E 110.800157°)為高嵐河匯入香溪河前的河段以及香溪河從峽口鎮(zhèn)至入庫河口的河段(圖1)。白晝和夜晚的探測時間分別為2013年5月22日12:40-16:00和20:20-24:00。探測時采用“Z”形航線(圖1), 每次的探測航程約為25 km。超聲波換能器固定于船體右側(cè), 距離船首約 1/3船長, 位于水面以下約 0.5 m,調(diào)整角度使得聲波主軸垂直向下。探測前對設(shè)備進(jìn)行校正[17], ER60數(shù)據(jù)采集程序的水溫數(shù)據(jù)通過YSI 6600V2測得。

圖1 香溪河水聲學(xué)探測區(qū)域及路線Fig. 1 Detection area and routes of hydroacoustic survey in the Xiangxi River

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

使用Echoview軟件處理ER60程序采集到的水聲學(xué)原始數(shù)據(jù)。首先對回聲映像進(jìn)行水底自動識別, 后經(jīng)人工修正, 提取換能器前方1米至水底的數(shù)據(jù)。根據(jù)聲學(xué)映像中信號目標(biāo)強度(Target Strength, TS, 單位dB)的分布將背景噪聲閾值設(shè)置為–70 dB。根據(jù)此次探測時回聲映像中噪聲較多, 魚類集群信號極少的特點, 采用軌跡追蹤的方法對魚體信號進(jìn)行判別。Echoview中集成了多種判別單個目標(biāo)的方法, 分裂波束單體目標(biāo)判別方法 2適合判別 EY60分裂波束回聲探測儀所探測數(shù)據(jù)中的單個目標(biāo)。分裂波束單體目標(biāo)判別方法2和魚體軌跡追蹤參數(shù)設(shè)置如下(表1、表2)。

將聲學(xué)映像劃分為多個探測單元, 每個單元航程200 m,根據(jù)軌跡追蹤計數(shù)和探測水體計算各單元魚類密度[18]:

式中, ρ為單位水體魚類數(shù)量, 即魚類體積密度； N為探測到的魚類總數(shù)量； P為分析數(shù)據(jù)的ping數(shù)量； V為每個ping探測的水體體積； θ和φ分別為換能器的橫向和縱向方向的有效檢測角度； R2為探測位置水深； R1為換能器前方1 m以外的水深。

根據(jù)河流匯入情況和距離河口的遠(yuǎn)近將香溪河調(diào)查區(qū)域劃分為高嵐河、上游、中游、下游和河口5個區(qū)域(圖1), 參照唐啟升等[19]對北太平洋狹鱈資源量及凌建忠等[20]對東海頭足類資源量的估算方法, 計算各區(qū)域的魚類平均密度。

表1 分裂波束單體目標(biāo)判別方法2參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Parameter used in single target detection split beam method 2

表2 軌跡追蹤參數(shù)設(shè)置Tab. 2 Parameters for fish tracking

2 結(jié)果

2.1 魚類密度晝夜差異評估

圖2為2013年5月22日白晝和夜晚水聲學(xué)探測到的香溪河魚類密度分布情況(–68 dB≤TS≤–30 dB)。分析全河流情況, 白晝和夜晚魚類密度變動區(qū)間分別為 11.4—377.3 ind./1000 m3和58.4—391.2 ind./1000 m3； 運用加權(quán)平均法計算香溪河魚類總體密度, 夜晚值(53.4 ind./1000 m3)高于白晝(25.5 ind./1000 m3)； 從局部水域來看, 相同水域夜晚的探測結(jié)果也要高于白晝, 成對樣本 T檢驗分析結(jié)果表明各水域魚類密度晝夜差異顯著(df=4, P=0.019), 夜晚水聲學(xué)探測的魚類密度是白晝的1.0—4.2倍。

2.2 魚類大小組成晝夜差異評估

圖 3為白晝和夜晚水聲學(xué)探測香溪河魚類目標(biāo)強度(–68 dB≤TS≤–30 dB)的分布特征。水聲學(xué)探測的魚類個體大小通過目標(biāo)強度TS來表示, TS越大對應(yīng)的魚類個體越大, 反之亦然。從白晝和夜晚水聲學(xué)探測的魚類信號TS分布來看, 晝夜 TS峰值均在–61— –59dB附近, 但白晝探測結(jié)果中高 TS所占的比例較夜晚稍大, 換言之, 白晝較夜晚探測到更高比例的大個體魚類信號。運用卡方檢驗分析魚類TS晝夜分布的差異, 結(jié)果表明兩者存在顯著性差異(df=18, P＜0.001)。經(jīng)過計算, 夜晚魚類的平均 TS為(–54.2±3.6) dB, 白晝魚類的平均TS為(–52.8±2.7) dB,采用公式(3)和(4)計算香溪河魚類的生物量:

TS=20lgTL–71.9 (3)

其中, (3)為Foote 建立的有鰾魚類TS-TL的換算公式[21], (4)為鯉科魚類中的常見魚類鰱的全長-體重經(jīng)驗公式[22]。據(jù)此, 香溪河魚類生物量白晝的評估結(jié)果為 436.8 g/1000 m3,夜晚為 567.9 g/1000 m3, 由此可見, 盡管白晝探測魚類個體較夜晚探測個體大, 但由于夜晚魚類密度遠(yuǎn)高于白晝,因此, 夜晚探測魚類的生物量仍要高于白晝。

3 討論

本研究表明水聲學(xué)方法對香溪河魚類夜間的探測密度要高于白晝, 國內(nèi)外的許多研究也證實夜晚水聲學(xué)探測的魚類密度會高于白晝[14,15], Lyons等對特倫托河魚類密度的探測表明夜晚探測結(jié)果是白晝的 2.4—11.0倍[13],其原因可能在于魚類晝夜行為節(jié)律的差異, 而魚類晝夜行為節(jié)律差異的成因主要包括以下幾個方面。首先是晝夜環(huán)境對對餌料生物資源分布的影響, 光照和溫度促使浮游生物出現(xiàn)晝夜垂直遷移行為, 間接影響到以浮游生物為餌料的魚類的活動[23,24], 白晝大多數(shù)魚類傾向于向水底移動, 并且貼近水底, 以至于水聲學(xué)難以探測到。其次是晝夜條件對魚類捕食和反捕食關(guān)系的影響, 大多數(shù)肉食性魚類的捕食活動很大程度上依賴于視覺, 因此小型餌料魚降低白晝的活動頻率有助于逃避敵害[25,26]。另一方面, 個體較大的魚類具有較強的反捕食能力, 其所受的被捕食壓力遠(yuǎn)小于小個體魚類[27,28], 因此大個體魚類在白晝的活動頻率較小個體高, 這可能是造成白晝探測的魚類目標(biāo)強度更大的原因。

圖2 水聲學(xué)方法探測的香溪河不同水域魚類晝夜密度Fig. 2 Daytime and night-time fish densities in different sections of the Xiangxi River assessed by hydroacoustic method

圖3 水聲學(xué)方法探測的香溪河魚類晝夜目標(biāo)強度分布Fig. 3 Daytime and night-time Target Strength distributions of fish in the Xiangxi River detected by hydroacoustic method

提高運用水聲學(xué)評估魚類資源的準(zhǔn)確性, 需要保證探測到的魚類密度和個體大小的代表性。根據(jù)本研究的結(jié)果, 水聲學(xué)方法評估魚類密度晝夜差異顯著, 夜晚探測密度是白晝的 1.0—4.2倍； 盡管魚類大小組成存在晝夜顯著性差異, 但夜晚評估的魚類生物量仍要遠(yuǎn)高于白晝。因此, 從加強魚類資源水聲學(xué)評估方法的標(biāo)準(zhǔn)化和評估可靠性來考慮, 在保證安全的前提下, 三峽水庫魚類資源的水聲學(xué)評估宜在夜間進(jìn)行。

本研究尚存在一些不足, 在實驗時間方面, 只在春季開展了實驗, 鑒于魚類活動隨季節(jié)的變化, 有必要在其他季節(jié)也開展類似實驗； 在實驗地點方面, 本次選擇三峽庫區(qū)典型支流香溪河, 庫區(qū)干流魚類晝夜行為節(jié)律對水聲學(xué)評估的影響也有待進(jìn)一步研究。

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DIURNAL VARIATION OF FISH RESOURCE ESTIMATED BY HYDROACOUSTICAL METHOD OF XIANGXI RIVER IN THE THREE GORGES RESERVOIR

LIAN Yu-Xi1,2, YE Shao-Wen1, HUANG Geng1,2, GODLEWSKA Ma?gorzata3, WANG Jing-Ya1,2, LIU Jia-Shou1and LI Zhong-Jie1
(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, 430072, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China； 3. International Institute of Polish Academy of Sciences, European Regional Centre for Ecohydrology under the Auspices of UNESCO, ul. Tylna 3, ?ód? 90364, Poland)

香溪河； 漁業(yè)水聲學(xué)； 魚類資源量評估； 晝夜差異

Xiangxi River； Fisheries acoustics； Fish resource assessment； Diurnal variation

S931.1

A

1000-3207(2015)05-1041-05

10.7541/2015.136

2015-02-16；

2015-03-09

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201303056-1)； 中國長江三峽集團(tuán)公司科研項目(CT-12-08-01)； 農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護(hù)重點實驗室課題(LFBC0806)資助

連玉喜(1986—), 男, 湖北隨州人； 博士研究生； 研究方向為漁業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: lianyx177@163.com

葉少文, E-mail: yeshw@ihb.ac.cn