河流魚(yú)類棲息地水環(huán)境條件研究進(jìn)展

鄔 鑫

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

1 魚(yú)類棲息地研究進(jìn)展

魚(yú)類在河流生態(tài)系統(tǒng)中指示著河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，魚(yú)類棲息地是魚(yú)類長(zhǎng)期生存并完成全部生活史的水域范圍，也叫作魚(yú)類生境，是組成河流系統(tǒng)的重要部分。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到一定程度的破壞，2008年我國(guó)針對(duì)內(nèi)河航道生態(tài)建設(shè)與保護(hù)理念開(kāi)始形成，正式提出了“生態(tài)航道”的概念，內(nèi)河航道的生態(tài)建設(shè)與保護(hù)得到重視。生態(tài)航道建設(shè)成為發(fā)展需要的新方向，提倡魚(yú)類生境保護(hù)和魚(yú)類生境重建得到大力弘揚(yáng)，在生態(tài)航道領(lǐng)域國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量研究。河流為魚(yú)類提供生存、生長(zhǎng)和繁殖的一切環(huán)境要素，魚(yú)類的環(huán)境選擇偏好與魚(yú)的類別和所處時(shí)期有關(guān)，同一尾魚(yú)在其個(gè)體生活史中通常會(huì)有不同的棲息場(chǎng)所，如產(chǎn)卵場(chǎng)、越冬場(chǎng)、索餌場(chǎng)以及休息的棲息地等。探究魚(yú)類與棲息地間的關(guān)系是生態(tài)河道的重要研究領(lǐng)域，水溫、地形地貌、水深、流速、水質(zhì)等因素是魚(yú)類對(duì)棲息地選擇的重要參數(shù)，也是魚(yú)類生境評(píng)價(jià)體系中的關(guān)鍵指標(biāo)。為了綜合考慮率多因素對(duì)棲息地共同作用的影響，不少研究利用棲息地適宜性分析以及魚(yú)類生境評(píng)價(jià)模型分析了國(guó)內(nèi)外各類棲息地。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚(yú)類棲息地開(kāi)展了大量研究，隨著新技術(shù)的蓬勃興起，魚(yú)類棲息地研究從20世紀(jì)的定性分析到現(xiàn)階段主要利用數(shù)值模擬以及物理模型等手段研究，魚(yú)類棲息地研究主要集中于微觀尺度的定量分析棲息地水流特性以及棲息地適宜性評(píng)價(jià)等。國(guó)外對(duì)魚(yú)類棲息地研究較早，實(shí)踐應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)豐富[1]并形成了較為成熟的應(yīng)用體系。早在20世紀(jì)40年代美國(guó)就開(kāi)始注意到河流生物減少的問(wèn)題，20世紀(jì)中期國(guó)外就開(kāi)始對(duì)魚(yú)類棲息地進(jìn)行定性研究?，F(xiàn)階段宏觀尺度的河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)已逐漸成熟，棲息地的小尺度環(huán)境因子研究是當(dāng)前河流生態(tài)建設(shè)研究的重要方向。法國(guó)Marzina[2]認(rèn)為，探究河流生物群落分布特征與棲息地小尺度環(huán)境因子之間的聯(lián)系，有利于河流生物多樣性的恢復(fù)。近年來(lái)魚(yú)類棲息地的評(píng)價(jià)體系日趨完善，并在世界各國(guó)得到應(yīng)用。建立棲息地模型是當(dāng)前棲息地分析的常見(jiàn)手段，應(yīng)用于大型水庫(kù)的多元分析法對(duì)魚(yú)類棲息地狀況進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估分析，利用物種分布模型(SDMs)可以生成非常精細(xì)的近岸信息，模擬近岸魚(yú)類棲息地。

我國(guó)對(duì)魚(yú)類棲息地的研究較晚，初期大多研究集中在理論層面，而近年來(lái)實(shí)際應(yīng)用方面得到迅速發(fā)展。我國(guó)20世紀(jì)80—90年代開(kāi)始對(duì)魚(yú)類的數(shù)量、形態(tài)和分布等給予關(guān)注并進(jìn)行調(diào)查研究，21世紀(jì)初研究者的關(guān)注點(diǎn)開(kāi)始從魚(yú)類本身轉(zhuǎn)移到棲息地。早期研究了生態(tài)系統(tǒng)中魚(yú)類種群特點(diǎn)，隨著基礎(chǔ)研究的逐步深入，魚(yú)類棲息的適宜性與環(huán)境變量成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。朱瑤[3]認(rèn)為，大壩建設(shè)造成水流狀態(tài)、水溫、水質(zhì)、底質(zhì)和地形等因素的變化，因此多方面因素對(duì)魚(yú)類棲息地造成間接影響或直接破壞；楊宇等[4]詳細(xì)說(shuō)明了如何用水力學(xué)特征量方法來(lái)綜合評(píng)價(jià)棲息地復(fù)雜水流的流動(dòng)過(guò)程，其中流速、流量、含沙量、水深、底質(zhì)類型、弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)是用于表征棲息地水動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)；郝增超和尚松浩[5]提出采用理想點(diǎn)法求解的多目標(biāo)評(píng)價(jià)法，并以魚(yú)類為指示物種模擬河道生態(tài)需水量；諸葛亦斯等[6]建立了幼魚(yú)期鯽魚(yú)生長(zhǎng)對(duì)流速響應(yīng)的關(guān)系，獲取流速適宜性曲線；黨莉等[7]耦合平面二維水動(dòng)力模擬構(gòu)建棲息地適宜性模型，計(jì)算并分析水庫(kù)調(diào)節(jié)作用下對(duì)自然河流棲息地適宜性的改變；張俊等[8]基于CFD三維數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，研究了人工壩體對(duì)瀘州市江段人工修復(fù)魚(yú)類棲息地水動(dòng)力特性的改變及影響機(jī)制；徐觀兵等[9]系統(tǒng)地構(gòu)建了人工采砂坑深潭魚(yú)類棲息地的水動(dòng)力評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)結(jié)果反映了采砂前后采砂坑內(nèi)的環(huán)境演變和生境狀況。

2 魚(yú)類生境影響指標(biāo)分析

所有的河流條件都會(huì)對(duì)魚(yú)類棲息地有一定的影響，如底質(zhì)、河流生物結(jié)構(gòu)、水溫、流速、水深等。從環(huán)境角度分析魚(yú)類棲息地的主要影響因素有水質(zhì)、水文及水動(dòng)特性、地勢(shì)地貌，其中每項(xiàng)影響因素都包括多種指標(biāo)。水質(zhì)因素包括水溫、溶解氧、COD、BOD5、pH值、總氮、總磷、各種有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、渾濁度等。水動(dòng)力因素包括流速、傅汝德數(shù)、流速梯度和動(dòng)能梯度。河流水文因素指河流的水文特征，包括徑流量、含沙量、汛期、結(jié)冰期、水能資源、流速及水位。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)與棲息地的相關(guān)性大小，結(jié)合河流實(shí)際情況可從上述影響因素中篩選出影響因子，構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)體系。有研究表明，流速、濕周和水力半徑為一級(jí)影響因子，水深、過(guò)水面積為二級(jí)影響因子，弗勞德數(shù)和寬深比為無(wú)影響因子。

2.1 水質(zhì)對(duì)魚(yú)類棲息地的影響

眾多學(xué)者研究結(jié)果表明，水質(zhì)影響魚(yú)類的生長(zhǎng)繁殖、群落結(jié)構(gòu)和空間分布，進(jìn)而影響魚(yú)類棲息地。不少研究為了探明關(guān)鍵水環(huán)境因子對(duì)魚(yú)類棲息分布的影響，建立魚(yú)類密度與水溫、溶解氧、濁度、葉綠素a等因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，篩選出相關(guān)性顯著的水質(zhì)因子如水溫、濁度、溶解氧等。李艷麗等[10]研究發(fā)現(xiàn)pH、ρ(DO)、ρ(TN)和硬度是直接影響渾太河流域魚(yú)類群落的關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，電導(dǎo)率、水溫、TDS(TDS為總?cè)芙庑怨腆w)等環(huán)境因子影響灤河魚(yú)類群落空間的分布。

水溫是影響魚(yú)類生長(zhǎng)發(fā)育、代謝強(qiáng)度的關(guān)鍵性環(huán)境因素，水溫對(duì)魚(yú)類的影響主要體現(xiàn)在生長(zhǎng)、繁殖、攝食、代謝速率、游泳能力等方面。魚(yú)類是變溫動(dòng)物對(duì)水溫極為敏感，在適宜溫度范圍內(nèi)水溫越高代謝、發(fā)育越快。不同魚(yú)類對(duì)水溫的適應(yīng)能力不同，草魚(yú)的適宜溫度為20～32℃，但在0.5～38℃的淡水中也能生存；鱖魚(yú)的生長(zhǎng)水溫為7～32℃；鯉魚(yú)適宜在25～32℃的水溫范圍生存；而鯽魚(yú)適宜生長(zhǎng)的水溫為25～30℃。

水的pH值低于6.5時(shí)會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類缺氧，是因?yàn)樗wpH偏低會(huì)引起魚(yú)類血液中的pH值下降，造成血液中血紅蛋白的攜氧功能受損，從而導(dǎo)致魚(yú)缺氧癥狀。此外，pH值過(guò)高或過(guò)低時(shí)水體中離子的毒性會(huì)增強(qiáng)，如pH過(guò)低S2-、CN-、HCO3-等轉(zhuǎn)化為H2S、HCN、CO2，這些物質(zhì)毒性很強(qiáng)；pH值過(guò)高時(shí)，氨根離子將被還原為氨分子。當(dāng)水體為強(qiáng)酸強(qiáng)堿時(shí)，魚(yú)類以及水體中的大多生物都無(wú)法存活。通常情況下維持魚(yú)類正常生長(zhǎng)的水環(huán)境pH值范圍為6.5～8.5，大部分幼魚(yú)的最適pH值為7.5～8，成魚(yú)階段的最適pH值為6.5～7.5。同時(shí)pH和堿度對(duì)魚(yú)類的理化影響、毒性作用具有協(xié)同作用。

溶解氧影響水體質(zhì)量和水生生物生存，決定著魚(yú)類呼吸系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。有研究表明，通常溶解氧在3mg·L-1以上魚(yú)類才能生存[11]，通常地表水的溶氧量在5～10mg·L-1。溶解氧5mg·L-1以上時(shí)，魚(yú)類攝食正常；溶解氧小于3mg·L-1時(shí)，容易引起魚(yú)類不攝食，停止生長(zhǎng)，甚至?xí)霈F(xiàn)浮頭；當(dāng)溶解氧在0.6～0.8mg·L-1時(shí)，魚(yú)類就開(kāi)始死亡。當(dāng)溶解氧含量過(guò)高時(shí)也會(huì)引發(fā)魚(yú)類的氣泡病。另外，保證水中溶解氧充足可抑制厭氧微生物的生長(zhǎng)，減少微生物有毒代謝物質(zhì)的生成。而溶解氧不足時(shí)，水中的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)化合物等成分難以被分解，容易成為危害魚(yú)類生長(zhǎng)的成分。此外，水中的藻類以及水生動(dòng)植物作為魚(yú)類的食物來(lái)源，其生長(zhǎng)依賴于充足的溶解氧。

2.2 地勢(shì)地貌對(duì)魚(yú)類棲息地的影響

地勢(shì)地貌特征決定了河流棲息地的物理特征，不少研究證明了在水質(zhì)、水量不變的條件下，河流生物多樣性與地勢(shì)地貌構(gòu)成線性關(guān)系，地勢(shì)地貌對(duì)河流生物的群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境功能存在影響，也是以魚(yú)類為主的水生生物群落多樣性的重要影響因子。早在20世紀(jì)80年代就有研究表明,魚(yú)類的種類、數(shù)目與河流地形相關(guān)，水深、河床質(zhì)、河寬、坡降等隨河流等級(jí)變化，而改變魚(yú)類種群結(jié)構(gòu)。地勢(shì)地貌包含了棲息地的基本物理形態(tài)和所處位置，有利的地勢(shì)為魚(yú)類逃避天敵、棲息以及捕捉食物等行為提供條件。河流地貌形態(tài)與泥沙沉積、水質(zhì)等密切相關(guān)，深潭、淺灘、深坨、淺流等多樣化生存空間的交替出現(xiàn)有利于魚(yú)類棲息。棲息地的地形因素如河道底質(zhì)、蜿蜒度、坡降、寬深比、橫寬比等是影響河道水流特征的主要因子，其改變著水壓、流速、流量的分布。海拔影響著環(huán)境溫度、氧氣含量，海拔越高溫度越低，空氣中的氧含量越少，從而影響魚(yú)類棲息環(huán)境。魚(yú)類在同一條河流不同地貌單元中的分布情況存在差異，通常深潭淺灘交替的生境更有利魚(yú)類繁殖。這是因?yàn)樯钐稙轸~(yú)類提供了良好的棲息環(huán)境，而淺灘適宜魚(yú)類產(chǎn)卵，兩者交替出現(xiàn)的復(fù)雜生境能滿足魚(yú)類生存的多方面因素的需求。王宏濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同魚(yú)類繁殖所需的河流地貌類型不同。地形越復(fù)雜的河段生物資源越豐富，魚(yú)類食物來(lái)源就越多。林育青[13]等在探究拆壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，拆壩使河流生境類型、河床地貌等發(fā)生了改變，造成魚(yú)類生境變化。

2.3 水文及水動(dòng)特性對(duì)魚(yú)類棲息地的影響

不同水文形式下魚(yú)類分布的空間結(jié)構(gòu)、群落結(jié)構(gòu)組成以及數(shù)量都存在差異，同時(shí)河流生物棲息地的狀況可由流量、水深、流速等參數(shù)來(lái)反映，這也證明著水文、水動(dòng)因素對(duì)棲息地的影響不可忽視。魚(yú)類在生境中的空間分布差異，恰恰體現(xiàn)了流量、水深、流速等諸多環(huán)境因子在空間上呈一定的時(shí)空變化規(guī)律。王云濤等[14]對(duì)太子河流域的魚(yú)類群落分布做了系統(tǒng)比較，考慮到不同水生態(tài)區(qū)魚(yú)類群落分布特征與環(huán)境因子(河道平均深度、平均流速、水質(zhì)、水溫)之間的變化，并基于魚(yú)類完整性指數(shù)對(duì)河流健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于魚(yú)類能感知水流信號(hào)，當(dāng)水流條件發(fā)生改變時(shí)會(huì)棲息環(huán)境，河流生物習(xí)性和棲息地都受到水文情勢(shì)的干擾。

在豎直方向上河流液面與河床的距離叫水深，水深不是固定不變的，受地形、徑流量、降雨等多種因素干擾，同一條河流中深沱生境水深高于淺灘生境的水深。在河流的垂直結(jié)構(gòu)上流速、水溫、溶解氧等水環(huán)境要素存在差異，水環(huán)境要素的異質(zhì)性導(dǎo)致了垂直結(jié)構(gòu)上物種分布的差異，為不同類型的魚(yú)提供生存空間。當(dāng)流量增加上游流體沖擊增強(qiáng)時(shí)，在水深大的生境中魚(yú)類可以逃避到?jīng)_擊較小的中下層。在河流垂直結(jié)構(gòu)上分布著不同類型的生物，孔雀魚(yú)、斑馬魚(yú)、龍魚(yú)、鰱魚(yú)、鳙魚(yú)等主要在水體上層活動(dòng)，神仙魚(yú)、七彩神仙魚(yú)、燈魚(yú)、紅鼻剪刀、地圖魚(yú)等主要在中層水體活動(dòng)，草魚(yú)活動(dòng)范圍廣主要在中下層水體，清道夫、鼠魚(yú)、鯉魚(yú)、鯽魚(yú)、泥鰍、青魚(yú)主要在水底活動(dòng)。

流速表征水體的流動(dòng)情況，適宜的流速為魚(yú)類產(chǎn)卵、孵化提供條件。魚(yú)類能夠感知水體流速大小和方向，不同類型魚(yú)的適宜流速、偏好流速、極限流速存在差異，游泳能力的不同導(dǎo)致其生境選擇偏好不同。絕大多數(shù)的魚(yú)類都有趨流性，通常魚(yú)類適宜在流速0.4～0.8m·s-1的水域中活動(dòng)。有研究表明，緩流和急流比靜水更適宜魚(yú)類生存，適當(dāng)流速大小的水流還能攜帶水中的有機(jī)顆粒，急流生境中的魚(yú)類可以從這些有機(jī)物中獲得能量來(lái)維持生命。流速過(guò)大魚(yú)類需要消耗大量的能量來(lái)維持平衡，容易造成疲勞，當(dāng)水體流速超過(guò)魚(yú)類的極限流速時(shí)魚(yú)類將會(huì)被沖走。陵吻蝦虎魚(yú)、寬鰭鱲、平舟原纓口鰍等適宜在流速較大的生境種活動(dòng)，而泥鰍、高體鳑鮍、鯉、鯽等更傾向于流速平緩的生境。數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展讓棲息地水動(dòng)力研究更廣泛，水動(dòng)力模型分析不同條件下的水流均勻性、傅汝德數(shù)等棲息地水動(dòng)力指標(biāo)，可得到魚(yú)類適宜流速范圍。駱輝煌[15]通過(guò)三維水動(dòng)力模型分析得到中華鱘的適宜流速范圍為0.73～2.13m·s-1，較適宜流速范圍是1.08～1.78m·s-1。宋波瀾等[16]認(rèn)為,鯽、大眼鱖和黃顙魚(yú)的相對(duì)偏好游速分別為2.31BL·s-1、1.86BL·s-1和1.60BL·s-1左右(BL為魚(yú)體長(zhǎng))。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，魚(yú)類棲息地受到水質(zhì)、水文情勢(shì)、水動(dòng)、地勢(shì)地貌等多種因素的共同作用。除水環(huán)境因素對(duì)魚(yú)類棲息地的影響，生物因素也是不可忽略的。魚(yú)類與棲息地之間關(guān)系的分析方法通常用到生境評(píng)估，常見(jiàn)的有棲息地適宜性模型。根據(jù)魚(yú)類棲息地的影響指標(biāo)，結(jié)合流域?qū)嶋H情況可構(gòu)建棲息地評(píng)價(jià)體系。Richter B D等[17]基于32個(gè)水文測(cè)量指標(biāo)，并分為5大類，評(píng)估河流生態(tài)水文系統(tǒng)的變化。為了保證分析棲息地影響因素時(shí)的準(zhǔn)確性，確保選取河流生境的代表性。結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的魚(yú)類棲息地評(píng)價(jià)體系已日益完善，在此基礎(chǔ)上應(yīng)考慮生物、景觀等因素的作用?，F(xiàn)有魚(yú)類棲息地影響因素研究，定量分析以及原理探討較少，分析的種類不全面，國(guó)內(nèi)大多集中于中華鱘、4大家魚(yú)。今后需開(kāi)展魚(yú)類棲息地更深入的研究，摸清魚(yú)類不同生命階段所需的環(huán)境條件，以及綜合魚(yú)類的環(huán)境指標(biāo)。