不同流速下氣泡幕和閃光對(duì)光倒刺鲃趨避行為的影響

羅 佳白艷勤林晨宇王 濤劉國(guó)勇劉德富石小濤,

(1. 三峽大學(xué), 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 宜昌 443002； 2. 水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430079； 3. 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650091)

不同流速下氣泡幕和閃光對(duì)光倒刺鲃趨避行為的影響

羅 佳1白艷勤1林晨宇1王 濤1劉國(guó)勇1劉德富1石小濤1,2,3

(1. 三峽大學(xué), 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 宜昌 443002； 2. 水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430079； 3. 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650091)

魚類運(yùn)動(dòng)的定向誘導(dǎo)技術(shù)具備重要應(yīng)用前景, 如海洋捕撈和過(guò)魚設(shè)施魚類誘集。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者建議通過(guò)魚類對(duì)外界環(huán)境因子如氣泡、光照、聲音、水流等響應(yīng)行為的研究, 來(lái)探討魚類的誘趨技術(shù)。其中氣泡幕和閃光誘驅(qū)魚技術(shù)被認(rèn)為是魚類潛在無(wú)損傷定向驅(qū)導(dǎo)技術(shù)之一[1,2]。氣泡幕通過(guò)管中釋放壓縮空氣產(chǎn)生, 閃光則是由光源在短時(shí)間內(nèi)的間歇性變化(包含顏色或光強(qiáng))形成。魚類對(duì)氣泡幕和光既可能產(chǎn)生趨性行為, 也可能產(chǎn)生避讓行為[3]。然而, 目前的研究多是在靜水實(shí)驗(yàn)條件下開展[1], 與自然情況的流水狀態(tài)有所不同。相關(guān)研究表明流速對(duì)于魚類行為有重要影響, 魚類在不同流速下對(duì)氣泡幕和閃光的響應(yīng)行為有待深入研究。

光倒刺 鲃(Spinibarbus hollandi)屬 鯉形目、鯉科、鲃亞科、倒刺 鲃屬, 主要分布于長(zhǎng)江以南各水系, 在北盤江流域有廣泛的分布[4]。北盤江流域梯級(jí)水電站開發(fā)后, 該流域光倒刺 鲃的數(shù)量明顯減少, 光倒刺 鲃已經(jīng)成為該流域的保護(hù)魚類[5]。在減緩北盤江流域水電工程生態(tài)負(fù)面影響的工程措施中, 涉及需要進(jìn)行光倒刺 鲃的定向趨避。因此, 本研究以光倒刺 鲃為研究對(duì)象, 在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下研究了其在不同流速下對(duì)氣泡幕和閃光的趨避行為。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用魚為貴州北盤江增殖放流站提供的光倒刺鲃[體長(zhǎng)(20.36±1.71) cm, 體重(124.60±33.28) g], 暫養(yǎng)于三峽大學(xué)生態(tài)水工實(shí)驗(yàn)室, 暫養(yǎng)水槽規(guī)格為長(zhǎng)4.0 m, 寬4.0 m,高1.2 m。暫養(yǎng)7d, 待其生活狀況穩(wěn)定, 正常進(jìn)食和游動(dòng)后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用水為曝氣72h以上的自來(lái)水, 暫養(yǎng)期間, 持續(xù)曝氣, 每天換水 1/4左右。暫養(yǎng)期間水溫(20.2±0.5)℃ ,自然光照周期。共獲得實(shí)驗(yàn)魚的樣本為200尾, 實(shí)驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取5尾大小均等健康的實(shí)驗(yàn)魚。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 將實(shí)驗(yàn)魚放入另一個(gè)直徑 2.0 m、高0.5 m、水深0.3 m的圓形水槽暫養(yǎng)。根據(jù)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)要求, 同一實(shí)驗(yàn)魚不重復(fù)實(shí)驗(yàn), 以防止實(shí)驗(yàn)用魚對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng), 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)水槽為自行設(shè)計(jì)制作的魚類游泳水槽(圖 1), 水槽建在全封閉室內(nèi), 便于控制光照、水溫。水槽上方用日光燈照明, 水溫(20.2±0.5)℃。實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)g的旋轉(zhuǎn)速度, 改變螺旋槳f的旋轉(zhuǎn)頻率, 通過(guò)兩個(gè)多孔整流器 e使游泳槽截面各處水流速度近似均勻。實(shí)驗(yàn)魚游泳區(qū)長(zhǎng)5.0 m, 寬0.34 m, 高0.7 m, 上游有一個(gè)整流篩 e2用于制造相對(duì)均勻的流場(chǎng), 同時(shí)作為攔網(wǎng)將實(shí)驗(yàn)魚阻攔在游泳區(qū), 下游設(shè)置攔網(wǎng) b以避免實(shí)驗(yàn)魚被沖走。在距整流篩e2下游1.5 m處鋪設(shè)一根內(nèi)徑為2cm的PVC管i和閃光燈帶j, 底部PVC管的上側(cè)鉆有一排小孔, 閃光燈帶固定在水槽兩側(cè)和底部, 由控制器控制閃光頻率； 氣泡幕由HG-750旋渦式充氣增氧機(jī)h(最大風(fēng)量72 m3/h)產(chǎn)生的壓縮空氣, 通過(guò) PVC管從水底 PVC管 i上的一排氣孔噴出產(chǎn)生。在距后攔網(wǎng)b上游1.5 m處設(shè)置擋板c, b和c之間為實(shí)驗(yàn)魚的適應(yīng)區(qū)。實(shí)驗(yàn)采用視頻監(jiān)控,在水槽側(cè)面安置四個(gè)數(shù)字?jǐn)z像儀(SL-6320AK), 用以觀測(cè)記錄實(shí)驗(yàn)魚的游泳行為并通過(guò)視頻統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置俯視示意圖Fig. 1 Plan view of the experimental channel

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)前, 將實(shí)驗(yàn)水槽中的水溫保持到與暫養(yǎng)槽中的水溫基本一致, 即(20.2±0.5)℃。實(shí)驗(yàn)用水為曝氣72h后的水, 實(shí)驗(yàn)開始后停止曝氣。實(shí)驗(yàn)水深40 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí), 設(shè)置4種不同的水流速速, 即v為0、0.11、0.24和0.42 m/s。

氣泡幕實(shí)驗(yàn) 在靜水(v=0 m/s)條件下, 根據(jù)產(chǎn)生不同的氣泡幕所需要的孔徑和孔距的大小設(shè)置 9種不同的氣泡幕密度(表 1), 在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)魚阻攔最好的一種密度用于其他3種水流速度下的實(shí)驗(yàn)。靜水實(shí)驗(yàn)中, 開啟增氧機(jī)后, 從底部 PVC管上的小孔沖出一排連續(xù)獨(dú)立的不規(guī)則球形氣泡, 形成“氣泡柵”, 氣泡在上升過(guò)程中, 隨著外部壓強(qiáng)的不斷減小, 體積隨之不斷膨脹,氣泡間相互連接、混合, 形成“氣泡墻”(圖 2)。不同孔距所產(chǎn)生的氣泡幕視覺(jué)效果不一樣, 孔距越大, 氣泡越稀疏, 氣泡墻越小, 水面波動(dòng)也越小。在靜水條件下, 氣泡幕垂直于底部, 流水條件下氣泡幕與底部形成一定的夾角, 且流速越大, 夾角越小(圖3)。

圖2 “氣泡柵”和“氣泡墻”示意圖Fig. 2 Schematic diagram of “Bubble grid” and “Bubble wall”

圖3 在不同流速下的氣泡幕形態(tài)示意圖Fig. 3 The bubble grid under different water velocity

表1 九種氣泡幕的密度Tab.1 The parameter of bubble curtains with 9 kinds of density

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)魚在空白1h內(nèi)通過(guò)PVC管(閃光燈帶)的次數(shù), 氣泡(閃光)開啟后1h內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)氣泡幕的次數(shù)。氣泡幕(閃光)對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)魚的阻攔或誘使效果主要由通過(guò)率(PR)和阻攔率(OR)的大小判斷, 氣泡幕(閃光)的阻攔率越大, 通過(guò)率越小, 說(shuō)明氣泡幕(閃光)對(duì)實(shí)驗(yàn)魚的阻攔效果越好[5]。通過(guò)率和阻攔率的計(jì)算公式如下:

PR(%)=NPA/NPC×100%, OR(%)=(1–PR)×100%

PR為通過(guò)率； OR為阻攔率； NPC為無(wú)氣泡(閃光)時(shí)1h內(nèi)實(shí)驗(yàn)魚通過(guò)PVC管(或水池中線)的尾次數(shù)； NPA為開啟氣泡幕后1h內(nèi)實(shí)驗(yàn)魚通過(guò)氣泡幕的尾次數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進(jìn)行分析, originlab8.1制圖,統(tǒng)計(jì)值使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示, 用單因素方差分析法分析差異性, P＜0.05表示差異顯著； P＜0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果

2.1 氣泡幕對(duì)光倒刺 鲃?dòng)斡拘袨榈挠绊?/p>

在水流速度為 0時(shí), 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 9種密度氣泡幕對(duì)光倒刺 鲃均有較好的阻攔效果, 且阻攔效果之間不存在顯著性差異(P＞0.05)(表 2)。每種阻攔率都已達(dá)到 90%以上, 并且在密度為I、II、III、V和IX時(shí), 阻攔率已接近100%。因此, 在水流速度為0、0.10、0.24和0.4 m/s時(shí), 氣泡幕攔魚實(shí)驗(yàn)都選擇在密度I下進(jìn)行。

在產(chǎn)生水流后, 在開啟氣泡幕前后實(shí)驗(yàn)魚主要聚集在適應(yīng)區(qū)頂流, 穿過(guò) PVC管的次數(shù)相對(duì)靜水條件下減少(表3)。與靜水中空白實(shí)驗(yàn)時(shí)相比, 產(chǎn)生水流后的空白實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)魚在流水中穿過(guò)PVC管的次數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜水中。

2.2 閃光對(duì)光倒刺 鲃?dòng)斡拘袨榈挠绊?/p>

在實(shí)驗(yàn)時(shí), 從距閃光燈帶0.15 m處開始對(duì)閃光燈強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試, 然后每隔0.3 m處測(cè)試一次(圖4), 距閃光燈0.15 m處強(qiáng)度為134.2 lx (lx為光照強(qiáng)度單位勒克斯), 然后距離燈帶越遠(yuǎn)強(qiáng)度越小, 距離燈帶 2.85 m處時(shí), 強(qiáng)度只有3.8 lx, 已接近黑暗。

如圖5所示, 在靜水下(v=0 m/s), 光倒刺 鲃在無(wú)光和閃光條件下穿越燈帶的次數(shù)都比較頻繁, 二者之間沒(méi)有差異(P＞0.05)； 在流速為0.11 m/s時(shí), 在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中穿越燈帶的次數(shù)也沒(méi)有差異性； 在流速為 0.24 m/s時(shí)存在極顯著差異(P＜0.01)。在水流速度為0.42 m/s時(shí), 光倒刺鲃在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中穿越燈帶的次數(shù)均較少, 且沒(méi)有差異性(P＞0.05)。通過(guò)開啟水流前后, 光倒刺 鲃穿越燈帶上方的次數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 在特定的水流條件下, 閃光對(duì)魚產(chǎn)生了吸引作用。

表2 靜水下不同密度氣泡幕對(duì)光倒刺鲃的阻攔率Tab. 2 The blocking rate of different bubble curtains under still water (%)

表3 氣泡幕開啟前后實(shí)驗(yàn)魚穿過(guò)PVC管次數(shù)Tab. 3 The traversing times of test fish before and after opening the bubble curtains

3 討論

3.1 在不同水流速度下氣泡幕對(duì)光倒刺鲃造成阻攔效應(yīng)

氣泡幕是通過(guò)管中釋放壓縮空氣產(chǎn)生, 從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及感覺(jué)上來(lái)阻攔魚類[3]。現(xiàn)有針對(duì)氣泡幕的研究主要是在靜水條件下進(jìn)行, 陳勇等[6]通過(guò)觀察紅鰭東方(Fugu rubripes)在8種不同密度的氣泡幕的行為反應(yīng)發(fā)現(xiàn), 8種氣泡幕對(duì)兩種魚的阻攔率存在明顯的差異性； Kiyama等[7]研究發(fā)現(xiàn), 氣泡幕對(duì)日本 鳀(Wngraulis japomicus)和真燕鰩(Prognichthys agooz)能產(chǎn)生聚集作用, 而趙錫光等[8]的研究發(fā)現(xiàn), 氣泡幕對(duì)黑鯛有阻攔作用； 白艷勤等[1]通過(guò)觀察氣泡幕對(duì)光倒刺 鲃和白甲魚的影響研究發(fā)現(xiàn), 同一密度的氣泡幕對(duì)兩種魚的阻攔率也不一樣。而本研究中發(fā)現(xiàn),在靜水條件下, 所設(shè)9 種密度氣泡幕對(duì)光倒刺 鲃的阻攔效果都超過(guò)了 93%, 而在 3組流水實(shí)驗(yàn)下, 空白實(shí)驗(yàn)時(shí),光倒刺 鲃大都聚集在后攔網(wǎng)處頂流, 幾乎不向前游動(dòng),穿越 PVC管的次數(shù)也很少, 與靜水條件下差異顯著(P＜0.05), 產(chǎn)生氣泡幕后, 發(fā)現(xiàn)在特定的水流條件下, 氣泡幕具有更好的定向?qū)~效果。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因, 可能與水流有關(guān), 在水流條件下, 氣泡幕與底部之間形成了一定的夾角(圖3), 并且流速越大, 夾角越小。而在靜水條件下, 氣泡幕與底面夾角為 90°, 這與白艷勤等[1]研究結(jié)果相同。同時(shí), 不同流速下的氣泡幕對(duì)光倒刺 鲃的阻攔效果存在一定的差異性, 說(shuō)明水流速度也是影響氣泡幕效果的主要因素之一, 因此后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合水流速度和氣泡幕密度來(lái)進(jìn)行研究, 進(jìn)一步探討不同的水流條件下,氣泡幕的誘驅(qū)作用。

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)閃光燈強(qiáng)度Fig. 4 Flash intensity of the test area

圖5 閃光燈開啟前后實(shí)驗(yàn)魚穿越燈帶次數(shù)比較Fig. 5 Compare of the traversing times before and after light up

3.2 在不同水流速度下光倒刺鲃對(duì)閃光的趨避行為

閃光燈是一種典型的突發(fā)光刺激, 通過(guò)光強(qiáng)或光色短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化而對(duì)魚類產(chǎn)生視覺(jué)沖擊, 從而阻止或者吸引魚群[2]?，F(xiàn)有針對(duì)閃光的研究發(fā)現(xiàn), 魚類對(duì)閃光一般會(huì)產(chǎn)生回避行為。Nemeth等[9]指出, 銀大馬哈魚(Oncorhynchus keta)和大鱗大馬哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)會(huì)對(duì)閃光燈產(chǎn)生明顯的逃避行為。Patrick等[10]指出, 閃光燈對(duì)灰西鯡(Alosa pseudoharengus)、黃魚(Pseudosciaena crocea)和香魚(Plecoglossus altivelis)會(huì)有明顯的驅(qū)趕效果, 因此可用于水電站的入口處定向?qū)~。在本研究中卻發(fā)現(xiàn), 在特定水流條件下, 閃光對(duì)光倒刺鲃產(chǎn)生了吸引作用, 這可能是由于物種差異性引起的,也可能是特定的水流條件影響了閃光燈的誘驅(qū)魚特性。從視頻觀察也發(fā)現(xiàn), 在流速為0.11和0.24 m/s的空白實(shí)驗(yàn)中,光倒刺 鲃很少穿越燈帶, 大都聚集在后攔網(wǎng)處游動(dòng)； 但是開啟閃光后, 光倒刺 鲃就開始頻繁穿越燈帶, 且喜歡聚集在燈帶附近游動(dòng)。這與很多研究者的研究結(jié)果相反[2,9],可能是由于閃光燈的強(qiáng)度、頻率及顏色所造成的, 且在本實(shí)驗(yàn)中所設(shè)閃光強(qiáng)度(閃光燈附近為130 lx)和背景光的顏色(白)有 可能是光倒刺 鲃所偏好的強(qiáng)度和顏色。因此, 在下一步的研究中, 有必要進(jìn)一步開展光倒刺 鲃對(duì)光照強(qiáng)度和光照顏色的偏好實(shí)驗(yàn)。

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THE INFLUENCE OF BUBBLE CURTAIN AND STROBE LIGHT TO APPROACH-AVOIDANCE BEHAVIOR OF SPINIBARBUS HOLLANDI OSHIMA IN DIFFERENT FLOW VELOVITY

LUO Jia1, BAI Yan-Qin1, Lin Chen-Yu1, WANG Tao1, LIU Guo-Yong1, LIU De-Fu1and SHI Xiao-Tao1,2,3
(1. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, China Three Gorges University, Yichang 443002, China； 2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources, Wuhan 430079, China； 3. Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650091, China)

流速； 氣泡幕； 閃光燈； 光倒刺鲃

Flow rate； Bubble curtain； Strobe light； Spinibarbus hollandi Oshima

Q142.8

A

1000-3207(2015)05-1065-04

10.7541/2015.140

2015-01-12；

2015-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51009082)； 水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2013002)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育工程研究中心開放基金(No. KF2013-03)資助

羅佳(1988—), 女, 湖北荊門人； 碩士； 主要從事魚類行為學(xué)研究。E-mail: jiajiadebaiyangshu@126.com

石小濤(1981—), 男, 湖北紅安人； 博士； 主要從事水生動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究。E-mail: sxtshanghai@163.com