謝意軍，王　珂，郭　杰，劉紹平，陳大慶，段辛斌

(1．農業(yè)部長江中上游漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站，中國水產科學研究院長江水產研究所，武漢　430223；2．華中農業(yè)大學水產學院，武漢　430070)

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基于水聲學方法的東洞庭湖魚類空間分布和資源量評估

謝意軍1,2，王珂1，郭杰1，劉紹平1，陳大慶1，段辛斌1

(1．農業(yè)部長江中上游漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站，中國水產科學研究院長江水產研究所，武漢430223；2．華中農業(yè)大學水產學院，武漢430070)

摘要：2015年7月11—17日期間，通過使用回聲探測儀(Simrad 公司EY60型,200 kHz 換能器)對東洞庭湖的魚類資源進行了探測評估。結果表明，調查航段的魚類平均目標強度(目標魚類對聲波的反射能力)為(-51.24±5.66)dB，平均體長約為12 cm，體長范圍為2～125.8 cm，不同區(qū)域間的魚類目標強度(即魚類大小)差異性顯著。所有調查航段中魚類密度1.223～1 534.2 f/1 000 m3之間，均密度為186.3 f/1 000 m3，不同區(qū)域間魚類密度差異性顯著，中部湖區(qū)(CEC航段)魚類密度較高。應用資源密度體積法估算東洞庭湖魚類資源量約為2.36×108 f，其中目標強度在-43 dB(體長約28 cm)以下的魚類占95.5%。

關鍵詞：水聲學；東洞庭湖；魚類；大小組成；空間分布；資源量

洞庭湖是中國第二大淡水湖泊，地處長江中游荊江南岸，南納湘、資、沅、澧四水，北通長江，是我國長江中下游平原與長江干流直接連通的吞吐型湖泊，蘊含豐富的水資源和漁業(yè)資源，同時還是多種魚類的索餌場、越冬場和產卵場[1-2]。廖伏初等[3]于2000—2006年調查研究表明，這7年間在洞庭湖監(jiān)測到魚類111種，隸屬12目21科。數量較多的魚類為:鯉(Cyprinuscarpio) 、鯽(Carassiusauratus) 、鯰(Sliurusasotus) 、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco) 等，魚類資源結構類型較20世紀70年代發(fā)生較大的改變。據湖南省水產部門統(tǒng)計，洞庭湖歷史上最高年捕撈產量達4.8萬t。21世紀，由于三峽水利工程截流以及人為過度捕撈等因素，洞庭湖捕撈漁獲量逐年下降，年均漁獲產量約為2.91萬t[4]。洞庭湖由于其特殊的地理位置和分流調蓄功能，成為江湖生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，起著長江多種經濟魚類種群數量補充基地的作用，因此在洞庭湖有效開展?jié)O業(yè)資源監(jiān)測，對于資源量化管理和資源養(yǎng)護能提供科學依據。

隨著儀器性能的提高和計算機技術的發(fā)展，水聲學方法已取代傳統(tǒng)方法成為魚類資源量評估的主要手段，其具有實時、快速、環(huán)保無公害、掌握魚類空間分布、準確估算魚類密度和資源量等優(yōu)勢[5-6]。國外學者對內陸水體進行了較多的相關研究[7-9]，Hughes[8]利用水聲學方法對泰晤士河進行了走航式調查。21世紀以來，我國也陸續(xù)開展了水聲學方法在內陸水體魚類資源研究中的應用，主要有三峽水庫、長江、珠江、青海湖等[10-14]，王珂等[10](2009)利用 HTI Model 241魚探儀對三峽庫區(qū)大寧河的魚類時空分布特征進行了水聲學調查。但對于淺水湖泊進行水聲學調查研究，只見東湖和太湖進行了相關研究[15-16]，而東洞庭湖這種大型吞吐型湖泊，目前尚未見有關水聲學方法的調查研究報道，本研究采用EY60科學回聲探測儀進行初步應用探索。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1調查區(qū)域概況

東洞庭湖位于湖南省東北部，介于東經112°43′～113°15′，北緯28°59′～29°38′之間，是洞庭湖僅保有大片水面的湖區(qū)。東洞庭湖水域面積變化極大，存在明顯的豐水期與枯水期，每年4～9月為豐水期，此時最大湖水面積達1 328 km2，10月～次年3月為枯水期，在水文特征上有“水漲為湖，水落為洲”的特殊景觀。湖區(qū)地形復雜，洲灘水草廣布，是我國長江流域重要的水生生物及魚類的棲息地和資源庫[1-2]。2015年7月11日至17日期間，對東洞庭湖進行了近“之”字形水聲學調查，調查區(qū)域及走航航跡圖詳見圖1。

圖1　東洞庭湖水聲學探測航線示意圖

1.2調查研究方法

2015年7月11—17日期間，對東洞庭湖進行水聲學調查，每天探測時間為9:00～18:00之間，考慮到天氣、安全等因素，每天航程有所變動，探測使用長約20 m，寬約5 m，吃水1.1 m的調查船走航，航速在6～10 km/h之間，采用Garmin 60CSx 型號GPS進行導航，調查的航線、航程等具體信息如圖1和表1所示。

表1　東洞庭湖水聲學調查的基本信息

水聲學調查使用的儀器為Simrad EY60型分裂波束(split-beam)回聲探測儀，換能器頻率為200 kHz,半功率角(3dB Beam width) 為7°，數據采集過程中，換能器的發(fā)射功率為300 W，脈沖寬度(pulse duration)64 μs。數字換能器用一鐵架固定，安裝于調查船左舷距船頭約12 m處，探頭入水0.5 m深，進行垂直聲學探測，由于航道管制、地理環(huán)境限制，整體采取“之”字形走航，同時采用ER60軟件對聲學數據和GPS數據同步存儲。在探測之前，采用直徑為13.7 mm的鎢銅金屬球對儀器進行實地校準。

1.3漁獲物統(tǒng)計

2014—2015年對洞庭湖區(qū)(包括東洞庭、南洞庭、西洞庭)進行了多次漁獲物調查，捕撈網具為三層復合流刺網(網目規(guī)格分別為1.8 cm、2.2 cm、3.3 cm，以下簡稱流刺網)與拖網(網目規(guī)格8 cm),統(tǒng)計記錄東洞庭湖漁獲物中魚類種類組成比例與主要經濟種類魚類的體長、體重等相關數據。

1.4數據處理及分析

1.4.1水聲學數據處理分析及數據分析參數設置

采用Sonar 5_pro 分析軟件(版本6.0.3)轉換ER60程序采集的水聲學原始數據,時變增益(TVG)40lgR。在Sonar 5軟件中對轉換后的數據設置自動識別水底,并人工校對。設置信號目標強度(Target Strength,TS)背景噪聲閾值<-70 dB及交叉過濾參數,對于明顯的噪聲手動去除，通過Sonar 5軟件對魚體信號進行自動追蹤及判別,結果保存為文本文檔格式,以便進行信號統(tǒng)計。

將各單元所有單體回聲結果根據TS(目標強度)分為(-70～-67、-67～-64、-64～-61、-61～-58、-58～-55、-55～-52、-52～-49、-49～-46、-46～-43、-43～-40、-40～-37、-37～-34、-34～-31、-31～-28 )dB 十四區(qū)間，分別統(tǒng)計各TS區(qū)間的單體回聲數，計算各單元魚類密度和平均目標強度。本研究根據Foote[17]對喉鰾魚類體長進行估算的經驗公式:

TS= 20lgL-71.9

(1)

式中TS(dB) 為魚類的目標強度，L(cm) 為目標魚體的體長。

魚體長(L)和重量(W)之間的換算,采用鰱W-L經驗公式[18]：

W= 0.005 2×L3.162

(2)

數據分析相關參數設置:前景濾波器(Foreground filter),[1，3]；背景濾波器(Background filter),[55，1]；目標平滑濾波(Target smooth filter),[1，3]；信號長度(Signal length)，[3，50]；聲學截面的最大增益補償(Maximum Gain Compensation)，6 dB；最小目標長度(Min.Track Length)，2 ping；最大脈沖缺失(Max.Ping Gap)，2 ping；門閘過濾范圍(Gating Range)，0.3 m。

1.4.2魚類空間分布及資源量評估

為了解東洞庭湖魚類的空間分布,本研究將七月份整個探測航線分為90個單元,總航程為108.8 km，每個單元航程約1.2 km，單獨計算各單元的魚類密度,其方法參照Balk等[19]。參照唐啟升等[7]資源量估算方法及凌建忠等[20]對東海頭足類資源量的資源密度面積法,具體方法見譚細暢等[12]利用水聲學方法對青海湖魚類資源量評估的研究。

對于不同探測區(qū)域的魚類空間分布特征，采用ArcGIS 10.2軟件進行空間分布的建模[13]。將計算出的各單元魚類密度、各區(qū)域的均水深，各單元航段中心坐標數據導入ArcGIS 平臺，采用反距離加權插值法繪制東洞庭湖魚類密度水平分布圖[21-22]。

數據分析與作圖分別使用SPSS 17.0、Origin 9.0，魚類分布建模采用ArcGIS 10.2。

2結果和分析

2.1漁獲物組成

東洞庭湖收集到29船漁獲物，共統(tǒng)計魚類18 425尾，總重5 178.3 kg，包括36種魚類，主要組成魚類尾數比例為：鯉(Cyprinuscarpio)34.82%、蛇鮈(Saurogobiodabryi)8.32%、鯽(Carassiusauratus)12.24%、鯰(Silurusasotus)13.28%、黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)6.55%、鳊(Parabramispekinensis)6.2%、翹嘴鲌(Erythroculterilishaeformis)3.92%、草魚(Ctenopharyngodonidellus)3.31%、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)2.76%、鳙(Hypophthalmichthysnobilis)1.87%、青魚(Mylopharyngodonpiceus)0.55%、其他魚類6.18%，結果如圖2。主要經濟種類的體長與體重組成結果見表2。

圖2　漁獲物種類組成百分比

2.2魚類大小組成特征

調查航段內共收集到23335個回聲信號，平均TS值為(-51.24±5.66) dB，其中最大TS值為-28.62 dB，最小TS值為-69.89 dB。按照Foote經驗公式推算魚類平均體長約為12 cm，體長范圍為2～125.8 cm，對各TS段(從小到大) 進行統(tǒng)計，對應的平均體長約為1、2、2.5、3.5、5、7、10、14、20、28、40、56、79和112 cm。在本次調查中，探測到目標強度大于-31 dB(體長約112 cm)的魚類信號9個，在航線AB段中探測到7個，BF段中探測到2個，均分布在水深超過15 m的區(qū)域，由于目標個體數量少，故不再分TS段進行統(tǒng)計。各調查航段中的回波數及目標強度信息如表3所示。

表2　漁獲物調查

表3　各調查航段回波數及目標強度信息

經Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗，5條航線調查區(qū)域中所探測到的魚類回聲信號TS值并不符合正態(tài)分布(P<0.05) ，各調查區(qū)域中低TS值的魚類個體占有較高的比例(圖3) 。故利用非參數檢驗方法對5航線區(qū)域內魚類回聲信號TS值差異性進行比較，發(fā)現5條航線區(qū)域內的魚類回聲信號TS值差異顯著，即在不同區(qū)域里魚類的大小差異顯著(P<0.05) ，CD航段平均TS值最小(-59.35±1.67)dB與CEC航段的平均TS值(-58.35±1.27)dB最為接近，BF航段平均TS值最大(-47.55±4.41)dB，與AB航段的平均TS值(-48.64±4.84)dB相似。各調查航段平均TS見圖4。

圖3　各調查航段不同TS 段的魚類回聲信號百分比

圖4　各調查航段回聲信號TS 均值

計算各調查航段內不同TS值段的魚類回聲信號所占的比例，調查航段BC、CD、CEC的TS值在(-67～-58)dB區(qū)間(含3個TS值段)的魚類回聲信號所占的比例均超過50%，而航段AB、BF的魚類回聲信號TS值多集中在(-64～-46)dB區(qū)間(含6個TS值段)，且每個TS值段的回聲信號所占比例均在10%～15%之間(圖3)。TS值段在(-49～-46)dB時，調查航段BC、CD、CEC的回聲信號所占比例不足5%，在(-40～-37)dB值段時所占比例基本為0。調查航段AB、BF的魚類回聲信號在(-37～-34、-34～-31、-31～-28)dB三個TS值段所占的比例都非常低。作為主航道的AB、BF調查航段的魚類回聲信號TS值比例分布基本一致，非航道區(qū)域的BC、CD、CEC調查航段的魚類回聲信號TS值比例分布相似。

2.3不同區(qū)域魚類密度

在5條調查航段各單元中，密度最小值為1.223 f/1 000 m3，位于BF調查航段的前半航段(29°15′N，113°03′E)；密度最大值為1534.2 f/1 000 m3，位于君山島東南面湖區(qū)BC調查航段(29°20′N，113°01′E) 。在走航調查的所有航段中，中部湖區(qū)CEC航段平均密度最大，為760.86 f/1 000 m3，東北湖區(qū)AB航段的平均密度最小，為18.02 f/1 000 m3。經方差齊性檢驗，5個調查航段中魚類密度分布方差不具備同質性(P<0.05) ，這表明在不同調查區(qū)域中，魚群密度空間分布不同。對各個調查區(qū)域內魚類密度的變異系數比較，調查航段AB、BF變異系數最大分別為1.02、1.01，西北湖區(qū)調查航段CD變異系數最小為0.29，說明在東洞庭湖主航道湖區(qū)魚類分布比較不均勻，而在東洞庭湖非航道的北部(BC航段)、西北(CD航段)及中部(CEC航段)湖區(qū)魚類密度分布相對均勻，只有AB、BF航段的魚類密度變異系數略大于1，根據孫儒泳[23]種群分布型的劃分標準，調查湖區(qū)的魚類基本屬于隨機分布，無明顯地成群分布現象。對各調查航段的魚類密度在未假定方差齊性下采用Games-Howell方法進行多重比較(表4) 。

表4　不同調查航段魚類密度差異性比較

2.4魚類資源總量評估

對東洞庭湖探測湖區(qū)進行GIS建模(如圖5)，單獨計算各湖區(qū)水體體積及魚類平均密度,初步估算魚類資源總數為2.36×108尾，其中TS值段(-70～-64、-64～-58、-58～-52、-52～-46、-46～-40、-40～-34、-34～-28)dB,魚類尾數占總尾數的百分比分別為24.6%、31.3%、21.8%、13.8%、6.41%、1.87%、0.22%，按照Foote等經驗公式推算以上TS值段對應的魚類平均體長約為1.5、3、6、12、24、48、79 cm。經公式(2)換算，魚類對應的平均體重約為0.1、0.3、1.5、13、120、1 068、5 158 g,并乘以相應各TS段的魚類資源尾數得到資源重量，對各TS段的資源重量相加初步估算東洞庭湖區(qū)魚類資源總重量約為0.97萬t。

圖5　東洞庭湖魚類密布分布

3討論

由于洞庭湖水系眾多，湖底地形復雜，水深變化大，航道密布[24]，在走航探測時遇到一些障礙。在洞庭湖區(qū)航道探測時，由于航道管制、避讓往來航船，使得探測路線具有局限性，不能嚴格按照“之”型進行走航，且聲學設備的探測效果易受到往來船只發(fā)出的噪聲、行駛產生的波浪、魚類的回避行為等影響，導致探測結果與實際情況有一定的偏差[9,25]。在非航道區(qū)探測時，即在東洞庭湖中部及西部湖區(qū)，主要受到兩方面的限制。一方面，該湖區(qū)地形復雜，水深變化大，航船多為小型漁船，給調查船走航造成很大影響，使得調查船無法進入東洞庭湖西南湖區(qū)進行探測，以免發(fā)生船只擱淺事故；另一方面，由于漁民常年在該湖區(qū)布設漁網，調查船為了避開漁網，致使走航航線單一(如圖1所示)。在數據分析過程中，為了避免聲納發(fā)射時產生的噪聲影響，只分析水深1 m至水底的魚類密度，在分析過程中沒有發(fā)現明顯的魚類聚群現象，且個體間相對分散，因此采用回聲計數的方法進行密度計算[12]。

魚類回聲信號TS值跟魚類的種類、體長、魚體在水中的姿態(tài)傾角等因素有關[26]，數據分析上常采用目標強度TS與體長經驗公式來推算所探測魚類的體長。據廖伏初等[3](1990—1999)與茹輝軍等[27](2004—2005)的研究表明，洞庭湖魚類組成結構以鯉、鯽等湖泊定居性魚類為主，其中鯉科魚類為最大類群，占總數的60%左右[3,27]。絕大多數鯉科魚類屬于喉鰾型魚類[28]，故采用Foote(喉鰾魚類)經驗公式。本試驗在9月29至10月7日進行了流刺網與拖網漁獲物采樣統(tǒng)計，在所有捕撈的魚類中鯰、鯉、鯽、黃顙魚等占有較高比例(圖2)，同時有研究表明上述幾種魚類為洞庭湖常見的優(yōu)勢種[27]。與孫明波等[16]2011年利用水聲學方法對太湖魚類空間分布和資源量評估的研究結果比較，太湖魚類的平均目標強度為(-51.85±0.02)dB，與東洞庭湖魚類的平均目標強度(-51.24±5.66) dB基本相同，但是由于各自湖區(qū)的優(yōu)勢種、魚類組成結構，選用的經驗公式不同[12]等，在漁獲物組成、魚類體長換算等方面，與本研究結果存在一定的差異。同時探測發(fā)現，魚類回聲信號TS值大于-31 dB(體長超過112 cm)的個體非常少，所有9個被探測到的魚類回聲信號，均在洞庭湖航道湖區(qū)(水深>15 m)，Bain 等[29]研究表明大個體魚類喜歡棲息在深水區(qū)，小個體魚類則喜歡棲息在水淺、流速小的位置，與東洞庭湖魚類分布情況相符。上述充分展現出聲學調查方法在魚類資源評估方面的優(yōu)勢，同時可克服傳統(tǒng)的漁業(yè)資源評估方法的諸多局限性[30]。

在所有調查航段中，魚類密度最大為1 534.2 f/1 000 m3，出現在東洞庭湖君山島東南面湖區(qū)BC調查航段；最小密度為1.223 f/1 000 m3，位于BF調查航段的前半航段。魚類密度分布不均，與東洞庭湖的地理環(huán)境相關，東洞庭湖中部及君山島景區(qū)附近湖區(qū)，是漁業(yè)作業(yè)主要湖區(qū)，該湖區(qū)水質較好，水較淺，流速緩慢，航船較少，小型魚類分布較多[29，31-32]；而AB、BF航段屬于洞庭湖航道湖區(qū)，水較深，流速較大，且魚類對往來航船具有回避行為，使得探測密度較低[24-25,29]。由于東洞庭湖中魚類分布不均勻，在資源量估算時采用分區(qū)進行密度體積法會更為準確[10]，估算東洞庭湖魚類資源總數為 2.36×108尾，資源總量約為0.97萬t。對于東洞庭湖魚類的分布、魚類資源結構類型的變化，還需要進一步的探索研究。

在內陸水體利用水聲學調查漁業(yè)資源，通常水聲學探測與漁獲物調查分開進行，因此漁獲物結果不能及時佐證水聲學的采樣數據。海上水聲學調查時,在走航中利用聲學系統(tǒng)記錄聲學數據,并進行拖網取樣,能及時為聲學數據分析提供必要的種類組成及生物學特征數據[33]。

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(責任編輯：陳細華)

Fish spatial distribution and biomass assessment in East Dongting Lake using hydroacoustic method

XIE Yi-jun1,2,WANG Ke1,GUO Jie1,LIU Shao-ping1,CHEN Da-qing1,DUAN Xin-bin1

(1.ScientificObservingandExperimentalStationofFisheryResourcesandEnvironmentintheUpperandMiddleReachesoftheYangtzeRiver,MinistryofAgriculture,YangtzeRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Wuhan430223,China;2.CollegeofFisheries,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

Abstract：A SIMRAD EY60 echo-sounder with 200 kHz split-beam transducer was used to survey the fishery resources in East Dongting Lake during July 11—17,2015.The results showed that the mean target strength (acoustic reflectivity of target fish) in the surveying navigation section was (-51.24±5.26)dB and the mean length was about 12 cm,ranging from 2 to 125.8 cm.The fish target strength in different areas was significantly different,which meant there was significant difference in fish size.The mean fish density was 186.3 f/1 000m3,ranging from 1.223 f/1 000 m3 to 1 534.2 f/1 000 m3 in all survey navigation sections,where a high fish density occurred in the middle area of East Dongting Lake(CEC navigation section).The total amount of fish mantissa biomass were estimated at 2.36 ×108 f,in which the fish with target strength lower than-43 dB (length about 28 cm) was 95.5%.

Key words：hydroacoustic;East Dongting Lake;fish;size component;spatial distribution;biomass

收稿日期：2015-09-06；

修訂日期：2016-01-24

第一作者簡介：謝意軍(1990-)，男，碩士研究生，專業(yè)方向為漁業(yè)資源學。E-mail：xieyijun0713@163.com通訊作者：段辛斌。E-mail：duan@yfi.ac.cn

中圖分類號：S932.4

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6907-(2016)03-0040-07

資助項目：荊江航道整治工程的透水框架作為人工魚礁效果的研究、國家自然科學基金“長江中游四大家魚產卵場定位及特征研究”(51579247)和農業(yè)部項目長江中上游重要漁業(yè)水域主要經濟物種產卵場及洄游通道調查