高速水流碰撞沖擊對漂流性魚卵孵化的影響研究

摘要：漂流性魚卵在長江上游高速水流（2～4 m/s）中遷移和孵化過程中，不可避免會與河流中航行的船舶、江中的巖石、河床的砂石等表面發(fā)生碰撞。這類碰撞沖擊可能損傷魚卵，影響其正常孵化，甚至造成死亡。通過自由落體試驗，研究了不同碰撞速度、撞擊表面（水、砂、石）、發(fā)育程度等因素對天然魚卵和人工養(yǎng)殖魚卵孵化的影響，并獲得了不同環(huán)境條件下魚卵承受碰撞沖擊的速度閾值。結(jié)果表明：人工養(yǎng)殖魚卵代替天然魚卵用于試驗研究會有明顯的差異；處于細胞分裂階段的魚卵對于碰撞沖擊最為敏感，而隨著魚卵的進一步發(fā)育，發(fā)育中晚期魚卵抵抗碰撞沖擊的能力明顯增強，孵化期魚卵在三種基質(zhì)下碰撞后孵化率大于50%的沖擊速度閾值約為4.4 m/s。研究成果可為高速水流中漂流性魚卵的保護和相關河流管理策略的制定提供參考。

關 鍵 詞：魚卵孵化；碰撞沖擊；速度閾值；生態(tài)保護；山區(qū)航道；長江上游

中圖法分類號：Q17

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.014

0 引 言

航運發(fā)展、梯級電站建設和水資源利用在促進社會經(jīng)濟繁榮的同時，也對內(nèi)陸通航河流的生態(tài)健康帶來了一些不利影響^［1-2］。其中，魚類產(chǎn)卵及魚卵的孵化對魚類種群的穩(wěn)定和恢復至關重要^［3-7］。處于孵化階段的漂流性魚卵更易受到環(huán)境損傷或被其他生物捕食，這影響了魚類資源的補充和恢復。漂流性魚卵從產(chǎn)卵地擴散至適宜的育幼場所，可能需要遷移數(shù)百千米的距離^［8］。在隨水流運動的過程中，漂流性魚卵完成孵化。由于江河中極端復雜的地形條件和高速水流，魚卵隨時可能因地形和流場的劇變而受到水流、石體、河床沉積物以及船體的物理撞擊，導致魚卵受損或敗育^［9-10］。雖然漂流性魚卵在高速天然河流中能夠順利孵化，但其能承受的碰撞速度上限閾值以及碰撞沖擊對魚卵孵化過程的影響，仍然是河流保護與管理的重要問題^［11］。此外，由于天然河流中漂流性魚卵的采集非常困難且無法長時間維持現(xiàn)狀，研究常常采用人工養(yǎng)殖魚卵來替代天然魚卵，這種替代所導致的結(jié)果偏差也亟需明確。

山區(qū)河流中復雜的地形和陡峭的坡度，會產(chǎn)生大量的高速水流，如長江上游，在魚類繁殖季節(jié)，流速通常會超過4 m/s^［12］。高速紊動水流會帶動漂流性魚卵與水中其他物體發(fā)生碰撞或摩擦，導致卵膜破裂和脫落，使內(nèi)部的魚卵胚胎過早暴露于外部環(huán)境中，從而影響魚卵的正常孵化^［13］。此外，吸水硬化后的漂流性魚卵，其卵膜及其與卵核之間的液體對胚胎有很好的保護作用。然而，在遭受碰撞沖擊后，除了卵膜可能受到損傷外，內(nèi)部的胚胎也可能受到損傷甚至解體^［14］。

因此，本文設計了自由落體試驗，通過模擬漂流性魚卵在河流中的碰撞沖擊，來量化瞬時碰撞沖擊對漂流性魚卵孵化結(jié)果的影響，確定魚卵所能承受的速度閾值，評估處于不同發(fā)育階段魚卵對碰撞沖擊的敏感程度并界定天然魚卵與養(yǎng)殖魚卵的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料：鐵架臺，平口吸管、高清1 200萬像素光學顯微鏡、氧氣泵、測氧儀、溫度計、玻璃皿、10 mL離心管、4%福爾馬林溶液、95%酒精等。

試驗魚卵一部分是在長江上游涪陵段（2022年6月至2023年7月，105°51′ E，28°48′ N）野外采集的^［15］，魚卵品種在試驗后選取400粒做DNA種屬鑒定^［16］；一部分是人工養(yǎng)殖的鰱（Hypophthalmichthys molitrix）魚卵，取自永川水花漁業(yè)會社水產(chǎn)場。

1.2 試驗裝置

采用魚卵自由落體試驗裝置，模擬漂流性魚卵在河流中的碰撞沖擊（圖1）。自由落體高度設為10，30，50，70，100 cm共5種，對應的碰撞速度約1.4，2.4，3.1，3.7，4.4 m/s，并設置對照組。3種碰撞基質(zhì)均取自于長江上游涪陵江段（圖2），分別是水、黃砂（級配0.25～0.50 mm）、石板（摩擦系數(shù)為1.17～1.40，黏聚力為1.0～2.5 MPa）。

2.3 試驗過程

在顯微鏡下立即觀察所采集魚卵的發(fā)育時期，包括7個時期：準備卵裂期、卵裂期、囊胚期、原腸胚期、神經(jīng)胚期、器官分化期和孵化期（圖2）。試驗中每個發(fā)育時期的魚卵為1組，每組20顆。試驗開始時，將發(fā)育良好的魚卵分別從5種不同高度落下，與3種不同基質(zhì)瞬時碰撞后，繼續(xù)放入魚卵孵化器內(nèi)培養(yǎng)。之后計算孵化率（試驗魚卵數(shù)與孵出仔魚數(shù)量的比值），并將孵化率為50%時的碰撞速度作為碰撞閾值速度。試驗過程中，外界條件全程控制在溶解氧8.7（±0.05）mg/L，水溫26（±1）℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 野外采集漂流性魚卵種類組成

根據(jù)魚卵DNA種類鑒定結(jié)果，測定的魚卵數(shù)量中，71%為四大家魚，其中鰱的占比最大，達到35.5%。在較少見的物種中，赤眼鱒和銅魚分別占總數(shù)的10.5%和5.5%；其余物種占總數(shù)的13%。

2.2 碰撞沖擊對魚卵孵化的影響

（1）總體情況。為明確碰撞沖擊對漂流性魚卵孵化及存活的影響，在碰撞速度為0～4.4 m/s的條件下，研究了處于7個不同發(fā)育階段的人工養(yǎng)殖魚卵與3種基質(zhì)（水、砂、石）碰撞后的孵化率（表2）。未經(jīng)碰撞沖擊的魚卵孵化率均在70%以上，相同發(fā)育階段和碰撞基質(zhì)條件下，碰撞速度越高，魚卵的孵化率相應越低。在3種碰撞基質(zhì)中，與石板發(fā)生碰撞的魚卵受損最為嚴重，孵化率最低；而同樣試驗條件下，魚卵與水體碰撞前后的魚卵孵化率差異并不明顯。

（2）碰撞速度閾值。不同發(fā)育階段和碰撞基質(zhì)下，天然魚卵的碰撞速度閾值（即孵化率低于50%時的碰撞速度）存在顯著差異。處于卵裂晚期至神經(jīng)胚早期的魚卵與水碰撞時，速度閾值大于4.4 m/s，因高于實驗設置的最大速度，因此未能獲得具體數(shù)值，魚卵與砂和石板碰撞時的速度閾值分別為3.1 m/s和2.4 m/s。處于器官分化期的魚卵與砂碰撞時的速度閾值也大于4.4 m/s，而與石塊碰撞時的速度閾值為3.7 m/s。處于發(fā)育最后階段——孵化期的魚卵與3種基質(zhì)碰撞后的孵化率均大于50%（圖3），這表明對應的碰撞速度閾值也大于4.4 m/s。

（3）魚卵發(fā)育階段的影響。當碰撞速度為4.4 m/s時，在3種碰撞基質(zhì)下，魚卵在碰撞沖擊后的孵化率整體呈現(xiàn)“V”形分布（圖4）。處于卵裂階段至原腸胚階段的魚卵在碰撞后的孵化率較低，其中卵裂期的魚卵孵化率最低。隨后，處于神經(jīng)胚階段至出膜階段的魚卵孵化率逐漸升高，這表明發(fā)育中晚期的魚卵承受碰撞沖擊的能力高于發(fā)育早期的魚卵。

（4）天然魚卵與養(yǎng)殖魚卵的差異。當碰撞速度為4.4 m/s、碰撞基質(zhì)為水時，不同來源和不同發(fā)育階段的魚卵在受到碰撞沖擊后的孵化率見圖4。在相同條件下，天然魚卵的孵化率比養(yǎng)殖魚卵高出10%以上。隨著發(fā)育的持續(xù)，兩種不同來源魚卵的孵化率趨勢略有差異：養(yǎng)殖魚卵的孵化率快速降低后逐漸升高，而天然魚卵在早期階段孵化率波動不明顯，中期略有下降，后期則明顯升高。在碰撞速度閾值方面，天然魚卵在各發(fā)育階段的閾值均大于4.4 m/s，而養(yǎng)殖魚卵在卵裂前期至神經(jīng)胚期的閾值速度均低于4.4 m/s。

3 討 論

為了確定碰撞沖擊對漂流性魚卵孵化和存活的影響，研究了碰撞速度、碰撞基質(zhì)和發(fā)育階段對魚卵碰撞前后孵化率的影響。漂流性的受精卵首先會吸水膨脹并硬化，使卵膜及內(nèi)部液體更好地保護內(nèi)部胚胎（卵核），增強抵抗外部環(huán)境擾動的能力，從而提高存活率^［17］。這一策略使漂流性魚卵在高速紊動的山區(qū)河流中依然能夠維持較高的存活率。然而，由于魚卵自身內(nèi)部遺傳的限制或在漂流過程中受到外界擾動，漂流性魚卵在天然河流中面臨極高的死亡風險。據(jù)估計，90%以上的漂流性魚卵不能成功存活至仔魚階段^{［13，18-19］}。

（1）水流速度和水體紊動是維持魚卵懸浮和順利孵化的關鍵參數(shù)。漂流性魚卵需要0.25 m/s的流速來維持懸浮，從而保持魚卵的活性。如果漂流性魚卵在孵化之前沉到底部，則基本上意味著魚卵的死亡^［20］。然而，高流速對魚卵的孵化不利。當流速由0.4 m/s增加至1.2 m/s時，魚卵的孵化率降低約20%，而孵出后的仔魚存活率也降低約10%^［21］。此外，提高湍流強度也會降低魚卵的存活率，當湍流能量超過2 m²/s²時，魚卵存活率降至約70%^［22］。高速水流會使魚卵暴露于更強的湍流及其剪應力下，造成物理傷害。此外，這還會增加魚卵與水體中懸浮顆粒之間的磨損，從而降低漂流性魚卵的孵化和存活率。上述結(jié)果表明，較低的流速對孵化更為有利。

（2）碰撞沖擊是影響山區(qū)河流中高速運動魚卵孵化率和存活率的重要因素。在長江上游這樣的高流速、強紊動的山區(qū)河流中，漂流性魚卵在隨水漂流的過程中進行孵化，因此不可避免地會與河中礁石、河床泥砂、行駛船舶及其他物體發(fā)生碰撞^［23-24］。明確魚卵在高速水流中的碰撞閾值速度及相應的孵化率，可以提高漂流性魚類早期資源估算的準確性，有助于河流管理的科學決策。當漂流性魚卵與石塊發(fā)生碰撞時，處于卵裂期、器官分化期和孵化期的碰撞速度閾值（孵化率為50%時的碰撞速度）分別為4.4，3.1 m/s和4.4 m/s。一旦碰撞速度超過閾值，魚卵的孵化率將急劇下降。本研究中采用自由落體來模擬魚卵在河流中的碰撞沖擊，忽略了空氣阻力的影響，且與河流中的實際條件存在一定差異。天然河流中，魚卵周邊的水流會對魚卵起到一定的保護作用，因此，天然河流中的漂流性魚卵可能承受更高速度的碰撞沖擊。此外，自然河流中漂流性魚卵極有可能經(jīng)歷多次不同強度的碰撞，由于試驗操作的困難，本文未能研究多次碰撞沖擊情況下的魚卵孵化情況。

（3）發(fā)育程度會影響漂流性魚卵遭受碰撞沖擊后的孵化率。碰撞沖擊對囊孔關閉前的魚卵影響較大。當魚卵處于卵裂晚期（多細胞期）、囊胚期和原腸期時，卵核會形成隆起的卵裂球并形成腔狀結(jié)構(gòu)。在遭受碰撞沖擊時，隆起的卵裂球可能會錯位或裂開，導致卵裂細胞失去繼續(xù)復制的能力，從而使特定器官或組織無法正常形成，最終造成魚卵死亡^［25-26］。相比之下，碰撞沖擊對發(fā)育后期（Ⅴ～Ⅷ階段）魚卵的影響較小。在器官分化階段，胚體節(jié)和心跳清晰可見，并與卵黃高度融合，能抵抗較高強度的碰撞沖擊^［27］。在孵化階段，魚卵的機體強度明顯增強，適度的碰撞沖擊能夠促進其破膜而出，同時不影響魚卵的存活^［13］。

（4）水溫亦是影響魚卵孵化率的重要因素。長江上游漂流性魚卵適宜的孵化溫度通常為18～30 ℃。當水溫偏離適宜范圍時，會導致魚卵胚體發(fā)育停滯，甚至死亡。以草魚為例，其最佳孵化溫度為23 ℃，此時孵化率可高達84%。當水溫低于16 ℃時，草魚的魚卵將大量死亡；當水溫超過30 ℃時，魚卵的孵化率和存活率也會大幅降低^［27］。

（5）養(yǎng)殖魚卵替代天然魚卵的差異性不可忽視。本試驗對天然魚卵和養(yǎng)殖魚卵在受到碰撞沖擊后的孵化結(jié)果進行了對比。研究發(fā)現(xiàn)，各個發(fā)育階段的天然魚卵孵化率均高于養(yǎng)殖魚卵，顯示出更強的抵抗碰撞沖擊的能力。外部水流環(huán)境，如溫度和密度，影響魚卵內(nèi)部水分和脂質(zhì)含量的化學成分，進而影響魚卵膜、卵黃膜和輻射帶的內(nèi)部靜水壓力、密度和張力。此外，養(yǎng)殖場的水流環(huán)境單一，且催產(chǎn)的魚卵未完全發(fā)育成熟，最終導致養(yǎng)殖魚卵相對脆弱。該結(jié)果表明，在未來采用養(yǎng)殖魚卵代替天然魚卵進行相關研究時，必須慎重考慮魚卵來源所導致的結(jié)果偏差。

綜上所述，水流速度、水體紊動、孵化水溫和魚卵來源等因素對漂流性魚卵在天然河流中的孵化率和存活率均有顯著影響。天然河流水溫的調(diào)控幾乎不可能實現(xiàn)，但碰撞沖擊可以作為提高魚卵孵化率的調(diào)控措施。對于保護性產(chǎn)漂流性卵魚類，將河流中的流速和紊動強度控制在魚卵可承受的范圍內(nèi)，可以促進魚卵的順利孵化，從而維持種群數(shù)量的增殖。相反，對于入侵物種或繁殖力強的魚類，若將流速提高到超過其碰撞速度閾值，可以大幅降低魚卵的孵化率，從而控制其種群的增殖速度。必須指出的是，本文的研究結(jié)果是基于長江上游的漂流性魚卵及水流特性的，關于在其他河流中應用碰撞沖擊來控制特定魚類增殖速度的可行性，還需要根據(jù)當?shù)氐聂~卵和水流特性進行進一步研究確定。

4 結(jié) 論

以長江涪陵江段捕撈的天然魚卵和人工養(yǎng)殖魚卵為對象，采用室內(nèi)試驗研究了碰撞沖擊對漂流性魚卵孵化過程的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）碰撞基質(zhì)硬度越大，碰撞速度越大時，漂流性魚卵的孵化率越低。當碰撞速度為4.4 m/s時，魚卵與水、砂、石碰撞后的孵化率分別為64%，54%和27%。

（2）處于發(fā)育早中期的魚卵經(jīng)碰撞沖擊后的孵化率顯著低于發(fā)育后期的魚卵，且天然魚卵較人工養(yǎng)殖魚卵具有更強的抵抗碰撞沖擊能力。因此，當采用人工養(yǎng)殖魚卵開展相關研究時需慎重考慮魚卵來源所造成的偏差。

（3）碰撞沖擊可以作為漂流性魚卵控制孵化率的措施。針對保護性魚類、入侵物種或增殖能力強的魚類，分別調(diào)控其碰撞速度和碰撞幾率，可以獲得差異性的孵化率和物種增殖速度，但需要考慮區(qū)域及魚種類的差異性。

參考文獻：

［1］LI Q，ZHOU Y，CUNNINGHAM M A，et al.Spatio-temporal changes in wildlife habitat quality in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 1980 to 2100 based on the InVEST model［J］.Journal of Resources and Ecology，2021，12（1）：43-55.

［2］鄒曦，楊志，鄭志偉，等.長江干流典型區(qū)域河流生境健康評價［J］.長江流域資源與環(huán)境，2020，29（10）：2219-2228.

［3］AMTSTAETTER F，DAWSON D，O′CONNOR J.Improving our ability to collect eggs of the threatened Australian grayling，prototroctes maraena［J］.Marine and Freshwater Research，2015，66（12）：1216.

［4］段辛斌，陳大慶，劉紹平，等.長江三峽庫區(qū)魚類資源現(xiàn)狀的研究［J］.水生生物學報，2002（6）：605-611.

［5］LIU Q，LI J，AN R，et al.Ecohydraulogical characteristic index system of schizopygopsis younghusbandi during spawning periods in the Yarlung Tsangpo river［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2018，15（9）：1949.

［6］TAYLOR J，RYTWINSKI T，BENNETT J，et al.The effectiveness of spawning habitat creation or enhancement for substrate spawning temperate fish：a systematic review protocol［J］.Environmental Evidence，2017，6（1）：5.

［7］HERNANDEZ R，GALITAN L，CAMERON J，et al.Delay of initial feeding of zebrafish larvae until 8 days postfertilization has no impact on survival or growth through the juvenile stage［J］.Zebrafish，2018，15（5）：515-518.

［8］LIU Q，ZHANG P，LI H，et al.Assessment and conservation strategies for endemic fish with drifting eggs threatened by the cascade barrier effect：a case study in the Yalong river，China［J］.Ecological Engineering，2021，170（5）：106364.

［9］長江重慶航道工程局積極創(chuàng)新長江上游航道維護疏浚施工工藝［J］.中國水運.航道科技，2021（2）：8.

［10］呂韻鵬，胡江，秦鐳寧，等.長江上游東溪口水道新水沙條件下航槽維護措施［J］.水運工程，2021（8）：80-86.

［11］VASCONCELOS L，ALVES D，AGOSTINHO A，et al.Fish eggs and larvae drifting through hydropower reservoirs：a case study in the Brazilian Amazon［J］.Hydrobiologia，2022，849（2）：357-372.

［12］HUANG Z.Drifting with flow versus self-migrating：how do young anadromous fish move to the sea？［J］.iScience，2019，19：772-785.

［13］PRADA A F，GEORGE A E，STAHLSCHMIDT B H，et al.Influence of turbulence and in-stream structures on the transport and survival of grass carp eggs and larvae at various developmental stages［J］.Aquatic Sciences，2020，82（1）：1-16.

［14］MARTINS A，DELLAGOSTIN E，BL?DORN E，et al.Exposure to salinity induces oxidative damage and changes in the expression of genes related to appetite regulation in Nile tilapia （Oreochromis niloticus）［J］.Frontiers in Genetics，2022，13：948228.

［15］張先炳，楊勝發(fā)，楊威，等.長江上游宜賓-江津與涪陵-豐都江段魚類早期資源分布研究［J］.淡水漁業(yè)，2021，51（5）：51-59.

［16］AZMIR I，ESA Y，AMIN S，et al.Identification of larval fish in mangrove areas of Peninsular Malaysia using morphology and DNA barcoding methods［J］.Journal of Applied Ichthyology，2017，33（5）：998-1006.

［17］MAKRAKIS M，REFATTI A，KECKEIS H，et al.Importance of a turbulent river section below a giant waterfall for fish spawning：indications from drift and dispersion patterns of early life stages［J］.Ecohydrology，2022，15（1）：1-14.

［18］BARROS M，ROSMAN P.A study on fish eggs and larvae drifting in the Jirau reservoir，Brazilian Amazon［J］.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2018，40（2）：1-16.

［19］LEE C S.Biotechnological advances in finfish hatchery production：a review［J］.Aquaculture，2003，227（1）：439-458.

［20］唐明英，黃德林，黃立章，等.草、青、鰱、鳙魚卵水力學特性試驗及其在三峽庫區(qū)孵化條件初步預測［J］.水利漁業(yè)，1989，（4）：26-30.

［21］CHEN Q，ZHANG J，CHEN Y，et al.Inducing flow velocities to manage fish reproduction in regulated rivers［J］.Engineering，2021，7（2）：178-186.

［22］PRADA A F，GEORGE A E，STAHLSCHMIDT B H，et al.Survival and drifting patterns of grass carp eggs and larvae in response to interactions with flow and sediment in a laboratory flume［J］.Plos one，2018，13（12）：e0208326.

［23］LIU H，YIN X，QIU X，et al.Coupled influence of flow velocity and water temperature on grass carp swimming behaviour and gonad development［J］.Hydrological Processes，2021，35（4）：e14052.

［24］REN Y，CHEN D，LIU S，et al.Spatio-temporal distribution of fish in the Pengxi River arm of the Three Gorges reservoir［J］.Acta Ecologica Sinica，2012，32（6）：1734-1744.

［25］MILLA S，SAMBRONI E，KESTEMONT P，et al.Effects of mechanical perturbation at various times during incubation on egg survival，hatching and malformation rates in the rainbow trout Oncorhynchus mykiss，and the influence of post-ovulatory oocyte ageing［J］.Aquaculture Research，2011，42（7）：1061-1065.

［26］JONES M，BA TTAGLENE S C，PANKHURST P M.Sensitivity of striped trumpeter，Latris lineata，embryos to mechanical shock and simulated transport［J］.Aquaculture International，2009，17（4）：331-340.

［27］張先炳，胡亞萍，楊威，等.水溫對淡水溫水性魚類生命活動的影響［J］.水生態(tài)學雜志，2021，42（4）：117-122.

（編輯：黃文晉）

Impact of high-speed flow collision on hatching performance of semi-buoyant fish eggs

YIN Hong¹，HU Yaping²，XIE Tingting²

（1.Changjiang River Channel Regulation Center，Wuhan 430014，China； 2.College of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China ）

Abstract： During the migration and hatching process of semi-buoyant fish eggs in the high-velocity flows （2～4 m/s） of the upper Changjiang River，collisions with navigating vessels，rocks in the river，and sediments on the riverbed are inevitable，which may damage the eggs，affecting their normal hatching，or even causing death.In this paper，free-fall experiments were conducted to study the effects of collision speeds，collision surfaces （water，sand，stone），and developmental stages on the hatching of both natural and artificial breeding fish eggs.We obtained the velocity thresholds at which fish eggs can withstand collision shock under various environmental conditions and noted the significant differences when using artificial breeding fish eggs in place of natural eggs for experimental research.Our findings also revealed that fish eggs were most sensitive to collision shock at the cell-division stage and become more resistant to such impacts as they develop further.At the last hatching stage of fish eggs，the collision velocity threshold value was approximately 4.4 m/s under three varieties of collided substrates.Within this range，the hatching percentage of fish eggs can be more than 50%.This research provides new insights into the protection of drifting fish eggs in high-speed flows，offering important references for the implementation of related river management strategies.

Key words： mountainous waterway；collision impact；hatching of fish eggs；developmental stages；velocity threshold；ecological protection