天然河道中魚類對水深、流速選擇特性的初步觀測
——以長江江口至腳市段為例

杜 浩，班 璇，張 輝，危起偉，陳大慶

（1．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，江蘇無錫 214081；2．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護與利用重點開放實驗室，湖北荊州 434000；3．中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077）

天然河道中魚類對水深、流速選擇特性的初步觀測
——以長江江口至腳市段為例

杜 浩1，2，班 璇3，張 輝1，2，危起偉1，2，陳大慶1，2

（1．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，江蘇無錫 214081；2．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護與利用重點開放實驗室，湖北荊州 434000；3．中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077）

將長江江口至腳市天然河道的魚類水聲學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)和水文學(xué)觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，在對流速和水深空間插值基礎(chǔ)上，提取不同魚類規(guī)格和密度對應(yīng)水深和流速的特征值，從而研究魚類對天然河道中水層平均流速、水深2個環(huán)境因子的選擇特性。研究結(jié)果表明：①不同規(guī)格的魚對流速和水深的選擇存在差異，規(guī)格小的魚選擇了較低的流速和較寬的流速范圍，規(guī)格大的魚選擇了較高的流速和較窄的流速范圍；規(guī)格小的魚選擇的水深明顯高于規(guī)格大的魚，喜好的水深范圍也寬于規(guī)格大的魚。②魚類密度對流速的選擇性不明顯，但對水深的選擇性明顯，即深水區(qū)魚類密度較高。③研究江段范圍內(nèi)江口鎮(zhèn)附近江心洲兩側(cè)流速變幅范圍較其上、下游江段寬，并且江心洲兩側(cè)魚類的分布密度也高于其鄰近上、下游段魚類密度?？梢?，江心洲的存在提供了流速多樣性格局，豐富了魚類生境的多樣性。本研究方法可為評價河流棲息地適宜性及生態(tài)功能提供借鑒。

天然河道；流速；水深；棲息地；江心洲

1 概 述

隨著全球水生生物多樣性下降的趨勢日益明顯，水生生物對河流棲息地生境需求研究（產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場等的自然生態(tài)條件需求），河流棲息地的生境特點研究（流速、水深、河床形態(tài)、河床質(zhì)等特點）以及兩者相結(jié)合在魚類棲息地保護與恢復(fù)和河流健康評價中的應(yīng)用研究逐漸受到關(guān)注［1－3］。河流生物棲息地的相關(guān)研究是河流生態(tài)修復(fù)和流域環(huán)境管理的重要基礎(chǔ)［4］。魚類作為河流水生生物的主體之一，不僅代表了水生生物物種的多樣性，它們對河流的生境需求還體現(xiàn)了河流生境復(fù)合體的多樣性。人們在研究生物對環(huán)境因子喜好參數(shù)時常常是通過實驗室內(nèi)模擬獲得，再應(yīng)用于天然河流棲息地的評估中［5，6］，然而直接獲取魚類在天然河道中的選擇特性更有實踐意義［7，8］。天然河道在魚類遷移、棲息、覓食和繁殖等生活史過程中或多或少扮演著通道、走廊或關(guān)鍵棲息地的作用［9］。因此，了解天然河道中魚類對其自然形成環(huán)境的利用程度和選擇特性，是合理評估該江段河流生態(tài)功能的關(guān)鍵［4，10］。天然河道中自然存在著高水位、低水位（高流速、底流速），魚類會很自然地選擇或逃避所處環(huán)境。我們認(rèn)為，魚類對所處環(huán)境的選擇是魚類在當(dāng)時條件下的最佳選擇或過渡性選擇，并非一定是最適合的選擇，如果從魚類對流速和水深方面選擇特性考慮，在河段的不同位置由于水深和流速的分布不同，對魚類來說其生態(tài)功能也有所不同，因而一些地方是適宜魚類的棲息地，另一些地方則是不適宜的。因此，了解魚類在自然條件下的選擇特性對于魚類自身生態(tài)習(xí)性及河流棲息地評估都有重要的意義。目前國內(nèi)外逐漸注重收集自然河流魚類棲息分布情況，并作為棲息地保護恢復(fù)的重要依據(jù)［1，7，11］?？紤]到長江江段多為深水河流，且江水渾濁，國外所采用的潛水法和定位觀測法不太適合于我國的長江河道。本研究利用水聲學(xué)探測法來觀測自然河段不同位置的魚類密度和魚類全長規(guī)格，結(jié)合同步測量的水文學(xué)數(shù)據(jù)來研究魚類對水深和流速的選擇特性。同時，由于該天然河道具有江心洲，我們想了解江心洲是否會對河流流速及魚類分布產(chǎn)生影響。

2 研究區(qū)域與研究方法

2．1 研究區(qū)域

本研究涉及的天然河道范圍為長江中游江口至腳市江段，全長2 200 m左右，平均河寬1 600 m，平均水深為8 m，是典型的寬淺平原河流；且該江段有多處江心洲，形成分支。該江段根據(jù)四大家魚卵苗發(fā)生情況推算為四大家魚的潛在產(chǎn)卵場，因此，在2006－2008年期間，項目組在該江段同期開展了水聲學(xué)探測和水文學(xué)測量工作（圖1）。

圖1 長江江口至腳市江段流速監(jiān)測斷面Fig．1 The transects ofmeasured velocity in the reach from Jiangkou Town to Yuanshi Town in the Yangtze River

2．2 河流水文學(xué)數(shù)據(jù)采集與提取

2008年6月、7月期間，對全江段采用Nevcom公司SF2050型高精度差分GPS導(dǎo)航儀和RDIADCP進行各監(jiān)測斷面的走航式測量（控制各斷面流量誤差范圍＜3%），其中布線斷面為1＃－9＃（圖1），實際采集中，在1＃－9＃之間等間距加密測量（測量斷面間距500～600 m）。全江段測流時間一般在6～8 h內(nèi)完成。測流數(shù)據(jù)通過WinRiver軟件導(dǎo)出為ASCII文件后編程提取水層平均流速值、垂向平均流速和流速方向。

2．3 水聲學(xué)數(shù)據(jù)采集與提取

2008年6月、7月期間，對全江段采用Biosonics DT－X科學(xué)回聲儀進行魚類水聲學(xué)數(shù)據(jù)采集，采集時間和水文數(shù)據(jù)同期進行，在相同流量下對全江段進行“Z”字形探測。通過多次探測魚探數(shù)據(jù)疊加形成全江段水深數(shù)據(jù)。參考張惠杰等對長江主要經(jīng)濟魚類的水聲學(xué)測量［12］結(jié)果通過Visual Analyzer軟件對魚類回聲信號和魚類密度數(shù)據(jù)進行分析，采用經(jīng)典有膘魚類的全長與水聲學(xué)目標(biāo)強度關(guān)系式（TS＝201gTL－72．5）獲取魚類的全長分布數(shù)據(jù)［13］。根據(jù)該江段的漁獲物采樣，該江段主要分布魚類有草魚、鰱魚、銅魚、黃顙魚、鱖魚、餐條等，漁獲物體集中分布在10～50 cm范圍內(nèi)，據(jù)此對該水聲學(xué)數(shù)據(jù)進行了篩選，獲得采樣點對應(yīng)的魚類密度和魚類全長規(guī)格數(shù)據(jù)。

2．4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析和繪圖在Arcgis 9．2地理信息系統(tǒng)中完成。對流速和地形進行空間插值，獲得全河段流速和水深空間分布圖。將水聲學(xué)數(shù)據(jù)提取的魚類TS值對應(yīng)的魚體規(guī)格分布點和魚類密度分布點導(dǎo)入ArcGIS中，利用重分類工具（Reclassify）對魚類密度和魚類規(guī)格進行不同等級的空間分類，提取出不同等級區(qū)域中對應(yīng)的流速和水深值，然后在SPSS13．0下進行不同等級下流速和水深統(tǒng)計分析。

3 結(jié) 果

3．1 長江江口至腳市段水深和流速分布特征

研究期間，長江江口至腳市段水深特征：上游河段的水深較淺，水深范圍基本在2．5～10 m的范圍內(nèi)，中游河段左岸的水深在10～15 m范圍內(nèi)，右岸水深在0～10 m范圍內(nèi)，左岸的水深比右岸的深；下游河段，從第2個江心洲開始，左岸的水深范圍都在0～10 m范圍內(nèi)，右岸的水深在10～15 m范圍內(nèi)，左岸的水深比右岸淺，且在第3個江心洲兩側(cè)水深差別明顯，江心洲右岸的水深明顯比左岸深（圖2）。

圖2 研究江段的水深分布圖Fig．2 The distribution of water depth of the studying area

研究期間，長江江口至腳市江段水層平均流速分布特征：上游河段的流速較小，流速范圍基本在1．31～1．37 m／s的范圍內(nèi)，而從第1個江心洲開始，左岸流速開始變大，流速范圍在1．53～1．69 m／s，右岸流速小于左岸，大多在1．37～1．53 m／s范圍內(nèi)；中游河段左岸的流速在1．53～1．69 m／s范圍內(nèi)，右岸流速稍小，在1．37～1．53 m／s范圍內(nèi)，左岸的流速比右岸的大；下游河段，從第2個江心洲開始，左岸的流速范圍在1．37～1．53 m／s范圍內(nèi)，右岸的流速在1．53～1．69 m／s范圍內(nèi)，左岸的流速比右岸小，且在第3個江心洲兩側(cè)流速差別明顯，江心洲右岸的流速明顯比左岸大（圖3）。

圖3 研究江段水層平均流速分布圖Fig．3 The distribution of depth-averaged water velocities of the studying area

3．2 不同規(guī)格魚對流速、水深選擇特性

根據(jù)該江段漁獲物數(shù)據(jù)，我們對水聲學(xué)數(shù)據(jù)進行了篩選，選擇了估算全長在10～50cm魚類的分布數(shù)據(jù)，并把該全長范圍內(nèi)的魚類規(guī)格分為4個等級（表1）。水聲學(xué)數(shù)據(jù)顯示，研究河段內(nèi)探測的魚類全長規(guī)格以10～20 cm居多；20～50 cm較大規(guī)格主要分布于第3個江心洲左岸（圖4）。統(tǒng)計分析表明，全長30～50 cm魚所處環(huán)境的平均流速要高于10～20 cm魚所處環(huán)境的平均流速（p＜0．05），并且隨著魚類全長的增加，魚類所處流速范圍的幅寬比呈減少趨勢（表1），即魚類選擇流速范圍的幅寬比隨著魚類全長的增加而減少。這說明，隨著魚體規(guī)格的增加，魚類控制自身的能力增強，選擇自己偏好的流速能力增強，這同時也說明了較大規(guī)格的魚對流速的敏感性更強。在水深選擇方面，10～20 cm魚所處的水深范圍明顯大于20～50 cm魚所處的水深范圍（p＜0．05），且隨著魚類全長的增加，魚類所處的水深范圍寬幅比呈減少趨勢（表1），這也許與流速選擇有關(guān)。因為水深較深的地方，流速從底層到表層的變化范圍也較大，提供了多樣的流速選擇環(huán)境。

3．3 魚類分布密度與流速和水深的關(guān)系

根據(jù)該江段的魚類密度大小，以10的冪次方為數(shù)量級將密度分成3個等級（表2，圖5）。通過提取各魚類密度分布點所在處的水深和流速值，來分析不同密度魚類對水流的選擇特性。統(tǒng)計結(jié)果表明，3個梯度的密度對流速選擇沒有顯著的差異，較高密度魚所處的平均流速幅寬比較大，但不同密度魚對水深選擇有明顯的差異（p＜0．05）；表現(xiàn)為較高魚類密度區(qū)（0．01～0．1）的水深范圍要明顯寬于較低魚類密度區(qū)（0～0．01），這說明水越深，分布的魚類數(shù)量就越多。由于本研究江段主要是10～20 cm小規(guī)格魚，這與上文分析的較深的水深具有較寬的流速范圍，而10～20 cm小規(guī)格喜歡這樣的環(huán)境，從而導(dǎo)致魚類分布密度增高的結(jié)果是一致的。

3．4 江心洲兩側(cè)流速及魚類密度的差異

本研究范圍內(nèi)的河段上游江口鎮(zhèn)處有一江心洲，我們在江心洲兩側(cè)同時測量了魚類密度和水流流速，期望了解江心洲是否對流速和魚類分布產(chǎn)生影響。

從江心洲兩側(cè)的流速大小分布圖上可以看出，江心洲左岸的流速范圍大多在1．53～1．69 m／s范圍內(nèi)，右岸的流速范圍大多在1．37～1．53 m／s范圍內(nèi)，江心洲的上游和下游段流速較為一致，而兩側(cè)流速變化較大，江心洲的存在改變了河段流速分布，江心洲兩側(cè)的流速范圍也比其臨近下游段的流速范圍廣。同樣，江心洲兩側(cè)的魚類密度也高于其臨近下游段的魚類密度，這與兩側(cè)的流速分布及水深應(yīng)該有緊密的聯(lián)系。江心洲在改變河流流速分布方面起到重要作用，可以豐富河流生境多樣性，從而為魚類提供更多的棲息環(huán)境。

表1 不同規(guī)格魚類對自然河段流速、水深的選擇特性Table 1 The preference of different sized fishes to water velocity and depth

表2 魚類分布密度和流速、水深的關(guān)系Table 2 The relationship of fish density to water velocity and depth

圖4 基于水聲學(xué)的魚類全長分布Fig．4 The distribution of total length of fish from hyd ro-acoustic data

圖5 基于水聲學(xué)的魚類密度分布Fig．5 The distribution of fish density from hydro-acoustic data

圖6 江心洲周圍流速分布及魚類密度分布圖Fig．6 The distribution of water velocity and fish density around island

4 討論與小結(jié)

本研究試圖將天然河道的魚類自然分布數(shù)據(jù)、生物學(xué)數(shù)據(jù)（來源于水聲學(xué)）和該時期內(nèi)天然河道所提供的自然環(huán)境要素（水層平均流速、水深，來源于水文學(xué)）相結(jié)合，來獲得魚類在天然河道內(nèi)對環(huán)境因素的選擇利用特性，從而了解自然河流魚類的分布棲息規(guī)律，以期為評價天然河流的生態(tài)功能提供一種新的嘗試。它在不擾動水生生物和天然河道的情況下獲得魚類的自然選擇的數(shù)據(jù)，較實驗生物學(xué)獲得的數(shù)據(jù)更有生態(tài)學(xué)意義。本研究受水聲學(xué)數(shù)據(jù)的分析局限，目前尚不能將目標(biāo)魚群按種類區(qū)分［12］，隨著今后技術(shù)的突破及高精度聲納成像儀等儀器的結(jié)合使用，可精確了解目標(biāo)魚類的自然選擇特性。魚類的生境需求涉及天然河道的流速、水深、河床形態(tài)、河床質(zhì)等多方面的環(huán)境因子，本研究也僅對水深和水層平均流速進行了初步嘗試，這也限制了本研究數(shù)據(jù)分析深度，對于揭示魚類對流速和水深的選擇來說顯得不夠充足，若采樣三維流速場模擬及魚類精確定位相結(jié)合將可揭示更豐富的內(nèi)容。另外，由于本研究江段范圍及時間跨度內(nèi)的流速變幅較小，同時魚類個體規(guī)格和密度較為均一，影響了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的顯著性。

根據(jù)本研究結(jié)果，在該江段內(nèi)，較小規(guī)格的魚喜好選擇較小的流速、較寬的流速范圍和水深范圍；較大規(guī)格的魚趨向于選擇較高的流速、較窄的流速范圍和水深范圍，可見隨著魚體規(guī)格的變大，魚類自身選擇環(huán)境的能力增強，能夠主動選擇喜好的水深和流速范圍。從魚類分布情況來看，魚類分布密度較高的區(qū)域往往是在深水區(qū)，這應(yīng)該與深水區(qū)能夠提供自底部到表面更豐富的流速范圍有關(guān)。深水區(qū)不僅提供了不同規(guī)格魚喜好的環(huán)境，同時也提供了更多的容納空間，因此密度較高。由于本研究所采用的是水層平均流速，導(dǎo)致魚類對流速選擇特性的數(shù)據(jù)結(jié)果顯著性不強。對本研究江段范圍內(nèi)江心洲兩側(cè)及其鄰近上下游段的流速分布和魚類密度比較分析表明，江心洲兩側(cè)流速變幅范圍較其上、下游江段寬，并且江心洲兩側(cè)魚類的分布密度也高于其鄰近上、下游段魚類密度。天然河道所具有的江心洲、支流入?yún)R、河灣淺灘等很自然地豐富了天然河道的生境多樣性，對于生物多樣性的維持有積極的意義［1，10］。因此，江心洲的存在提供了流速多樣性格局，為魚類提供了多樣的棲息環(huán)境，豐富了魚類生境的多樣性，在河流棲息地保護決策中應(yīng)該引起足夠的重視。

致謝：感謝李艷華博士生、劉志剛老師在野外數(shù)據(jù)采集的幫助。

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（編輯：劉運飛）

Prelim inary Observation on Preference of Fish in Natural Channel to W ater Velocity and Depth：Case Study in Reach of

Yangtze River from Jiangkou Town to Yuanshi Town DU Hao1，2，BAN Xuan3，ZHANG Hui1，2，WEIQi-wei1，2，CHEN Da-qing1，2
（1．Freshwater Fisheries Research Center，Chinese Academy of Fisheries Science，Wuxi 214081，China；2．Key Laboratory of Freshwater Biodiversity Conservation and Utilization of Ministry of Agriculture of China，Yangtze River Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Jingzhou 434000，China；3．Institute of Geodesy and Geophysics．Chinese Academy of Science，Wuhan 430077，China）

On the basis of the hydrology observed data and hydro-acoustically surveyed data in the reach of Yangtze River from Jiangkou Town to Yuanshi Town，the preference of the fish in the natural channel to the water velocity and depth is analyzed by themethod of interpolation in air space of water depth and velocity corresponding to the fish density and fish size．The results show as follows：Different sized fishes have different preferences to the water velocity and depth．Smaller fishes prefer lower velocities and wider range of velocity，while larger fishes prefer higher relocities and narrower range of velocity．The depths smaller fishes enjoy are higher than those larger ones do；the range of the depths smaller fishes enjoy ismore than that larger ones do．The fish density is not directly re-lated to the water velocity，but to the depth，fish density is higher in the deeper water．The distribution features of the water velocity and fish density are different around the island in the reach of Jiangkou Town，which shows due to the diversity existence of velocity near the island may supplymore suitable environments for fish．This prelimina-ry study could provide some references to the assessment of the habitat suitability and ecology function of a river．

natural channel；water velocity；water depth；habitat；island

X826

A

1001－5485（2010）10－0070－05

2010-08-19

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心）資助；水利部公益行業(yè)科研專項經(jīng)費資助（200701029），國家自然科學(xué)基金資助項目（30490231）

杜 浩（1981-），男，湖北襄陽人，助研，碩士，主要從事瀕危魚類保護研究，（電話）0716-8121896；（電子信箱）duhao＠yfi．a(chǎn)c．cn。

危起偉（1960-），男，江西德安人，二級研究員，博士，主要從事魚類生態(tài)和資源保護研究，（電話）0716-8128881，（電子信箱）weiqw＠yfi．a(chǎn)c．cn。