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      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

      2015-03-03 08:02:48連玉喜葉少文黃耿MagorzataGodlewska王靜雅劉家壽李鐘杰
      水生生物學(xué)報 2015年5期
      關(guān)鍵詞:溪河白晝魚類

      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

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