長江生態(tài)考核指標: 基于被動聲學監(jiān)測的長江江豚數(shù)量

王克雄 王志陶 梅志剛 鄭勁松 郝玉江 韓 祎 段鵬翔 陳宇維, 楊依寧, 邱建松, 范 飛 鄧曉君 王 丁

(1. 中國科學院水生生物研究所, 中國科學院水生生物多樣性與保護重點實驗室, 武漢 430072;2. 中國科學院大學, 北京 100049)

長江江豚(Neophocaena asiaeorientalis asiaeorientalis)是我國特有的珍稀水生動物, 僅生存于長江中下游干流及與之相通的洞庭湖、鄱陽湖中, 也極可能是長江中僅存的大型水生哺乳動物。近年來, 長江江豚在湖北宜昌和江蘇南京等城市江段頻繁出現(xiàn), 在江西鄱陽湖支流贛江揚子洲等水域活動頻繁, 甚至在已多年未見江豚蹤跡的湖北武漢江段不時出現(xiàn), 使得長江江豚很快成為公眾高度關注的長江“明星”物種, 乃至被各級媒體頻繁用作“長江生態(tài)保護”的“代言人”。作為長江中的大型物種,長江江豚處于食物鏈的頂端, 不但終身以小型魚類為食, 而且對棲息水域的生態(tài)環(huán)境質量, 包括水質、底質、洲灘和岸帶等, 有較高要求, 同時對人類活動產(chǎn)生的擾動, 比如涉水工程建設、航道治理和船舶航運等活動及其產(chǎn)生的水下噪聲等較敏感。因此, 長江江豚的種群分布和數(shù)量及其變化,除了表征該物種自身的生存狀況外, 還能表征其所棲息水域的生態(tài)環(huán)境質量、魚類資源量和水生生物多樣性, 及受人類活動擾動程度等狀況。

長江作為復雜的生態(tài)系統(tǒng), 不僅包括眾多的生物及其自然棲息地, 而且包括生物之間、生物和環(huán)境之間的錯綜復雜的關聯(lián)。多年以來, 已經(jīng)有多項單一型指標或復合型指標被用于, 或被建議用于表征長江生態(tài)環(huán)境和水生生物多樣性[1—3], 并且這些指標也具有一定的針對性和通用性, 但是隨著長江生態(tài)環(huán)境質量和水生生物多樣性變化, 尤其是近幾十年來長江諸多大型物種先后走向“滅絕”[4], 或“極可能滅絕”[5], 或“極度瀕?！盵6—8], 引起了全社會的廣泛關注和重視, 因此有必要以長江中現(xiàn)存大型物種的生存狀況為核心, 建立一項新的生態(tài)考核指標,用于綜合性地表征長江生態(tài)環(huán)境的總體健康狀況和生物多樣性的完整性。當然, 作為一項生態(tài)考核指標, 它還需容易被社會公眾所理解和具有較好的可傳播性, 更重要的是還應能夠及時有效地表征長江中重要旗艦物種的現(xiàn)存量和變化趨勢。

目前, 我國正在實施的“長江大保護”、“十年禁漁”、《長江保護法》等重大行動, 無疑會對長江生態(tài)環(huán)境和魚類等水生生物資源的恢復產(chǎn)生歷史性影響。雖然長江中的白鱀豚(Lipotes vexillifer)、白鱘(Psephurus gladius)、長江鱘(Acipenser dabryanus)、中華鱘(Acipenser sinensis)等珍稀瀕危水生動物的重現(xiàn)或完全恢復我們還難以預期[4,5,7—10], 但是作為長江中幾乎是唯一幸存的大型物種, 并且極可能是唯一以魚為食的大型水生哺乳動物[11—13], 長江江豚的生存狀況無疑已成為當前, 甚至是未來較長時期內(nèi)長江生態(tài)環(huán)境和魚類等水生生物資源狀況及其變化的最集中體現(xiàn)。長江江豚的種群分布和數(shù)量及變化也因此具備作為長江生態(tài)考核指標的基本屬性, 即對生態(tài)環(huán)境及生物多樣性具有較綜合的代表性, 且能在時間和空間尺度上容易被量化,同時具有較高的社會認可度和較容易被傳播。

本研究從長江江豚種群數(shù)量變化及其與長江生態(tài)環(huán)境和魚類資源變化的一致性, 長江江豚聲納信號的可監(jiān)測性和可量化屬性及其與種群分布和數(shù)量的關聯(lián)性, 采用被動聲學監(jiān)測技術監(jiān)測長江江豚種群數(shù)量的易操作性等方面, 系統(tǒng)介紹被動聲學監(jiān)測長江江豚種群分布和數(shù)量作為一項新的長江生態(tài)考核指標所具有的代表性、科學性和普及性等特征, 為豐富長江生態(tài)考核指標的研究內(nèi)容, 乃至最終確立一項或多項生態(tài)考核指標提供支撐。

1 長江江豚數(shù)量是長江生態(tài)環(huán)境和水生生物多樣性的綜合表征

自20世紀90年代以來的30年間, 長江江豚的種群數(shù)量持續(xù)下降, 從早期約3000頭下降到1012頭左右[11—13]。雖然長江江豚種群數(shù)量下降的原因有多種, 但是最核心的原因不外乎生態(tài)環(huán)境惡化、魚類資源下降和人類活動擾動增強。

長江江豚喜棲于水文環(huán)境條件相對穩(wěn)定的沙洲附近、江湖交匯區(qū)和淺灘緩坡等水域, 這些水域流速較緩, 水深適度, 水底泥沙沉積較豐厚, 水生植被較完整, 水下噪聲弱[14—16]。但是, 受洲灘衰退、岸線大面積硬化、水文節(jié)律紊亂和航運噪聲增強等多重影響, 這些區(qū)域的自然生態(tài)環(huán)境發(fā)生了不同程度的變化[17—22], 導致長江江豚棲息地質量下降,適宜棲息地的面積大幅減小。

長江江豚終身以小型魚類為食, 居食物鏈的頂端。為維持生存和繁衍, 長江江豚對棲息水域小型魚類的密度和儲量有基本要求, 但是受生態(tài)環(huán)境變化和過度漁業(yè)活動雙重影響, 長江江豚棲息水域的小型魚類資源量, 甚至總體的魚類資源量下降較明顯[19,23], 導致長江江豚捕食過程中能量投入大幅增加,甚至出現(xiàn)部分江豚被迫在風險極高的碼頭區(qū)覓食[24]。

近幾十年來長江中下游生態(tài)環(huán)境質量和魚類等水生生物資源量均持續(xù)下降, 盡管已有一些單一型或復合型指標用于從不同側面或不同層面描述這些下降過程, 但是如何更具綜合性地定量描述這些過程, 目前尚未有可遵循的標準或規(guī)范。從近30年對長江江豚的調(diào)查結果分析表明, 長江江豚的活動水域和集群規(guī)模等與小型魚類的分布和密度密切相關[24—26]。作為旗艦物種, 長江江豚在遭受到生態(tài)環(huán)境質量和魚類資源下降的壓力下, 雖然種群具有一定的自我調(diào)節(jié)能力, 但其種群數(shù)量和分布的變化與長江環(huán)境及魚類資源變化具有較明顯的一致性[11—13,23,27]; 或者說長江江豚的數(shù)量及分布變化是長江生態(tài)環(huán)境和魚類資源變化的重要綜合表征。

2 被動聲學監(jiān)測是調(diào)查長江江豚種群數(shù)量及分布的快捷和有效方法

長江江豚終身生活在水下, 它們無時不發(fā)出高頻聲納信號[28,29]。聲納信號峰值頻率為87—145 kHz,平均值為(125±6.92) kHz, 3-dB帶寬均值的變動范圍為9.3—41.9 kHz。聲納信號是多個單脈沖組成的脈沖串, 相鄰脈沖串之間的時間間隔為5—6s, 一個脈沖串內(nèi)相鄰兩個單脈沖之間的時間間隔為20—70ms。

長江江豚聲納信號的時頻特征與水下噪聲的時頻特征有較明顯的不同, 因此借助常規(guī)的超聲記錄和分析設備即可以有效記錄長江江豚的聲納信號。已有較多的研究涉及到長江江豚聲納信號的脈沖串數(shù)量與發(fā)聲個體數(shù)量的關系[25,30—36], 并基于與目視觀察的比較結果, 驗證了基于聲納脈沖串數(shù)量分析長江江豚數(shù)量的可靠性, 還建立了聲納脈沖串數(shù)量與長江江豚數(shù)量對照的簡易模型, 比如, 在長江干流、鄱陽湖口和遷地自然保護區(qū)水域, 每10min可以記錄到長江江豚的脈沖串0—290個, 估算出長江江豚的密度為0—4.79 ind./km2。目前, 單個位點被動聲學監(jiān)測的水域范圍為0.3—0.8 km2,但隨著技術改進(降低設備自身噪聲等)和分析方法的提升(機器學習), 單個位點監(jiān)測范圍可以達到1 km2或更大。

早期采用離線方法分析江豚的數(shù)量, 即在長江干流和湖區(qū)的被動聲學記錄結束后, 基于在實驗室的進一步分析, 統(tǒng)計脈沖串的數(shù)量, 繼而分析長江江豚的數(shù)量。為了避免這種方法的不及時性, 目前的被動聲學監(jiān)測采用了實時分析技術, 即實時識別長江江豚的聲納信號, 統(tǒng)計脈沖串的數(shù)量, 并估計長江江豚的數(shù)量, 甚至當使用雙水聽器時(立體聲記錄), 還具有辨識長江江豚所在方位的能力。借助4G/5G手機網(wǎng)絡, 全部的實時數(shù)據(jù)能及時傳遞到手機或電腦終端, 系統(tǒng)還具有日報表和完善的統(tǒng)計等功能。因此, 從技術層面看, 被動聲學監(jiān)測可以作為調(diào)查長江江豚種群數(shù)量和分布的快捷和有效方法予以應用。

被動聲學監(jiān)測能全天候自動運行, 并將長江江豚的監(jiān)測結果按時間序列及時傳送到管理終端或平臺, 這些數(shù)據(jù)具有時間連續(xù)性和空間的相對獨立性, 適合于形成長時間序列報表, 及進行時間和空間上的比較, 繼而用于客觀評價這些水域生態(tài)環(huán)境質量及魚類等水生生物資源量的時空變化等。

實時被動聲學監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)較豐富, 除了長江江豚的群體大小和出現(xiàn)的時間及方位外, 還包括所監(jiān)測水域船舶航運及施工水下噪聲等, 甚至在設備上保留的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以現(xiàn)場聯(lián)機下載, 進行二次數(shù)據(jù)分析, 以挖掘更深入的生態(tài)環(huán)境、生物多樣性和人類擾動等信息。

監(jiān)測設備具有較強的適應惡劣環(huán)境的能力, 既易于安裝在長江和湖區(qū)航標等水上構筑物上, 亦可安裝于自建的水面浮臺或水下沉臺上, 并且日常維護工作量較小, 可使用太陽能等長期供電, 全天候自動運行。

隨著長江大保護的深入, 對長江生態(tài)環(huán)境及水生生物資源的監(jiān)測會越來越頻繁, 參與的機構也會越來越多, 比如水利部門監(jiān)測水文, 生態(tài)環(huán)境部門監(jiān)測水質, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門監(jiān)測魚類, 交通部門監(jiān)測航運等, 但是這些部門的監(jiān)測結果往往只是注重某一方面的問題, 較難以從更加綜合性的層面上對長江生態(tài)環(huán)境和生生物多樣性進行評價。

長江江豚作為長江生態(tài)系統(tǒng)中的頂級捕食者,對棲息環(huán)境及魚類資源的變化非常敏感, 并且這種敏感性會通過其種群數(shù)量和分布的變化較快地表現(xiàn)出來。同時, 采用被動聲學監(jiān)測技術調(diào)查長江江豚的種群數(shù)量, 在樣點布局和監(jiān)測時間等方面具有較高的靈活性, 既可對局部水域進行短期監(jiān)測, 亦可通過多點布局或組網(wǎng)對大范圍水域進行長期監(jiān)測。監(jiān)測結果具有實時性, 整個監(jiān)測過程自動化程度高, 適合于經(jīng)過短期訓練的非專業(yè)人員操作。

通過被動聲學方法監(jiān)測長江江豚的分布和數(shù)量, 雖然在技術及應用上已經(jīng)被證明是有效和便捷的, 但是將其作為一項新的長江生態(tài)考核指標并予以應用, 還需要進一步構建和示范。最理想的狀況是, 在長江中下游干流和重要支流, 及洞庭湖和鄱陽湖及重要支流等水域, 按照水域的行政管轄權布置合適數(shù)量的水下被動聲學監(jiān)測設備, 啟動全天候長江江豚的監(jiān)測工作, 并以月份為基本時間單位,逐月自動統(tǒng)計長江江豚的監(jiān)測結果, 通過4G/5G手機網(wǎng)絡以報表的形式自動向上一級管理機構發(fā)送監(jiān)測結果。上一級管理機構可以將這些報表作為主要依據(jù), 根據(jù)不同考核周期內(nèi)長江江豚的數(shù)量和分布區(qū)域的變化情況, 對水域行政管理機構進行定量考核?？紤]到設備一次性投入較大, 在初期可以減少布點的數(shù)量, 選擇特別重要的水域布點, 后期再增加投入, 增加布點的密度, 提高監(jiān)測點的覆蓋度, 提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合性和代表性, 最終建立應用規(guī)范。

目前, 已經(jīng)或即將在湖北長江新螺段白鱀豚國家級自然保護區(qū)(老灣故道)、湖北石首天鵝洲白鱀豚國家級自然保護區(qū)(天鵝洲故道)、安徽銅陵淡水豚國家級自然保護區(qū)(夾江)和江西鄱陽湖(棠蔭島水域)布置多臺水下聲學自動監(jiān)測儀器, 啟動這些水域長江江豚的自動監(jiān)測計劃, 并獲得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

總之, 被動聲學監(jiān)測長江江豚種群數(shù)量和分布作為長江生態(tài)考核指標, 在以下方面具有明顯的優(yōu)勢: (1)對長江生態(tài)環(huán)境和資源狀況具有較強的綜合表征能力; (2)具有可量化屬性, 并且可以在較大時空尺度上進行比較和定量評價; (3)易于向非專業(yè)機構普及, 并且社會公眾容易理解指標的表述及內(nèi)涵;(4)目前已經(jīng)啟動了長江江豚被動聲學監(jiān)測計劃, 并在部分重點水域進行了試點, 取得了較好的監(jiān)測效果。

3 結語

長江江豚作為極可能是長江中僅存的大型捕食者, 其對長江生態(tài)環(huán)境和魚類等水生生物資源的變化極其敏感, 采用實時被動聲學監(jiān)測技術獲得長江江豚種群數(shù)量和分布的信息, 不但在技術上和應用上極具有可操作性, 而且所獲得的種群數(shù)量和分布及其時空變化, 可作為綜合反映長江生態(tài)環(huán)境質量和水生生物多樣性的重要生態(tài)考核指標予以應用。

長江江豚的自然分布區(qū)僅限于長江中下游干流和主要支流, 以及洞庭湖和鄱陽湖及支流, 因此長江江豚的分布和種群數(shù)量及變化主要用于定量評價這些水域的生態(tài)環(huán)境質量和水生生物多樣性,難以覆蓋長江上游段及支流。但是, 長江和與之相連的支流及湖泊等, 無論是水文及生態(tài)環(huán)境, 還是魚類等水生生物, 甚至人類活動等, 并非是完全相同或具同質性的, 而是在不同的江段和區(qū)域各具有差異性。因此, 某項長江生態(tài)考核指標的適用性也難以覆蓋全流域。在生態(tài)考核指標的選擇上, 應結合各地的自然條件、社會狀況和經(jīng)濟形勢, 選擇最具適合度的指標作為生態(tài)考核指標予以應用, 才能更好地平衡保護與發(fā)展的關系, 促進人與自然相和諧。