連玉喜葉少文黃 耿Ma?gorzata Godlewska王靜雅劉家壽李鐘杰

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 波蘭科學(xué)院國(guó)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(kù)區(qū)香溪河魚類資源水聲學(xué)探測(cè)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(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 波蘭科學(xué)院國(guó)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(yùn)行很大程度上改變了庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境, 如水文特征、水生生物等, 勢(shì)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(kù)實(shí)施時(shí)存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、誤差大等問(wèn)題, 而水聲學(xué)探測(cè)法作為一種新型評(píng)估方法具有高效快捷、不損傷調(diào)查對(duì)象等優(yōu)點(diǎn), 在國(guó)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(kù)區(qū)的魚類資源評(píng)估中也有過(guò)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(dòng)的關(guān)系。

水聲學(xué)評(píng)估的可靠性通常受水域環(huán)境、天氣、調(diào)查路線和時(shí)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(cè)時(shí)間的評(píng)估結(jié)果也會(huì)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(cè)儀存在水底探測(cè)盲區(qū), 因而造成白晝探測(cè)的魚類密度偏低[11—14]。同時(shí)也有研究指出, 盡管某些水域夜間探測(cè)的魚類密度較高, 但由于白晝探測(cè)的魚類平均個(gè)體更大, 反映的生物量反而更高[15]。因此, 我們選擇在三峽庫(kù)區(qū)典型支流香溪河開(kāi)展研究, 比較魚探儀探測(cè)的魚類密度和個(gè)體大小分布晝夜差異, 在此基礎(chǔ)上確定適宜的探測(cè)時(shí)間, 以提高三峽水庫(kù)魚類資源水聲學(xué)探測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化程度和評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

選擇三峽水庫(kù)在湖北省境內(nèi)的最大支流香溪河作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。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(zhǎng)江, 干流全長(zhǎng)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(shí)平均水深約為30 m, 適合開(kāi)展水聲學(xué)探測(cè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

儀器設(shè)備 水聲學(xué)探測(cè)設(shè)備為Simrad EY60型分裂波束回聲探測(cè)儀, 換能器頻率為120 kHz, –3 dB波束寬為7°。調(diào)查時(shí)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(shí)時(shí)采集GPS導(dǎo)航儀中的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù), 與回聲探測(cè)儀數(shù)據(jù)一起儲(chǔ)存。調(diào)查船只為鐵質(zhì)漁船, 全長(zhǎng)13 m,寬2.1 m, 功率14.7 kw, 實(shí)驗(yàn)期間航速為8—10 km/h。

探測(cè)路線和時(shí)間 探測(cè)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(kù)河口的河段(圖1)。白晝和夜晚的探測(cè)時(shí)間分別為2013年5月22日12:40-16:00和20:20-24:00。探測(cè)時(shí)采用“Z”形航線(圖1), 每次的探測(cè)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(zhǎng), 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(cè)前對(duì)設(shè)備進(jìn)行校正[17], ER60數(shù)據(jù)采集程序的水溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)YSI 6600V2測(cè)得。

圖1 香溪河水聲學(xué)探測(cè)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(duì)回聲映像進(jìn)行水底自動(dòng)識(shí)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(hào)目標(biāo)強(qiáng)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(cè)時(shí)回聲映像中噪聲較多, 魚類集群信號(hào)極少的特點(diǎn), 采用軌跡追蹤的方法對(duì)魚體信號(hào)進(jìn)行判別。Echoview中集成了多種判別單個(gè)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(cè)儀所探測(cè)數(shù)據(jù)中的單個(gè)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(gè)探測(cè)單元, 每個(gè)單元航程200 m,根據(jù)軌跡追蹤計(jì)數(shù)和探測(cè)水體計(jì)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(cè)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(gè)ping探測(cè)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(cè)角度； R2為探測(cè)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(gè)區(qū)域(圖1), 參照唐啟升等[19]對(duì)北太平洋狹鱈資源量及凌建忠等[20]對(duì)東海頭足類資源量的估算方法, 計(jì)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(píng)估

圖2為2013年5月22日白晝和夜晚水聲學(xué)探測(cè)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(dòng)區(qū)間分別為 11.4—377.3 ind./1000 m3和58.4—391.2 ind./1000 m3； 運(yùn)用加權(quán)平均法計(jì)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(lái)看, 相同水域夜晚的探測(cè)結(jié)果也要高于白晝, 成對(duì)樣本 T檢驗(yàn)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(cè)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(píng)估

圖 3為白晝和夜晚水聲學(xué)探測(cè)香溪河魚類目標(biāo)強(qiáng)度(–68 dB≤TS≤–30 dB)的分布特征。水聲學(xué)探測(cè)的魚類個(gè)體大小通過(guò)目標(biāo)強(qiáng)度TS來(lái)表示, TS越大對(duì)應(yīng)的魚類個(gè)體越大, 反之亦然。從白晝和夜晚水聲學(xué)探測(cè)的魚類信號(hào)TS分布來(lái)看, 晝夜 TS峰值均在–61— –59dB附近, 但白晝探測(cè)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(cè)到更高比例的大個(gè)體魚類信號(hào)。運(yùn)用卡方檢驗(yàn)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(guò)計(jì)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(jì)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(jiàn)魚類鰱的全長(zhǎng)-體重經(jīng)驗(yàn)公式[22]。據(jù)此, 香溪河魚類生物量白晝的評(píng)估結(jié)果為 436.8 g/1000 m3,夜晚為 567.9 g/1000 m3, 由此可見(jiàn), 盡管白晝探測(cè)魚類個(gè)體較夜晚探測(cè)個(gè)體大, 但由于夜晚魚類密度遠(yuǎn)高于白晝,因此, 夜晚探測(cè)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(duì)香溪河魚類夜間的探測(cè)密度要高于白晝, 國(guó)內(nèi)外的許多研究也證實(shí)夜晚水聲學(xué)探測(cè)的魚類密度會(huì)高于白晝[14,15], Lyons等對(duì)特倫托河魚類密度的探測(cè)表明夜晚探測(cè)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(gè)方面。首先是晝夜環(huán)境對(duì)對(duì)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(dòng)[23,24], 白晝大多數(shù)魚類傾向于向水底移動(dòng), 并且貼近水底, 以至于水聲學(xué)難以探測(cè)到。其次是晝夜條件對(duì)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(dòng)很大程度上依賴于視覺(jué), 因此小型餌料魚降低白晝的活動(dòng)頻率有助于逃避敵害[25,26]。另一方面, 個(gè)體較大的魚類具有較強(qiáng)的反捕食能力, 其所受的被捕食壓力遠(yuǎn)小于小個(gè)體魚類[27,28], 因此大個(gè)體魚類在白晝的活動(dòng)頻率較小個(gè)體高, 這可能是造成白晝探測(cè)的魚類目標(biāo)強(qiáng)度更大的原因。

圖2 水聲學(xué)方法探測(cè)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(cè)的香溪河魚類晝夜目標(biāo)強(qiáng)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(yùn)用水聲學(xué)評(píng)估魚類資源的準(zhǔn)確性, 需要保證探測(cè)到的魚類密度和個(gè)體大小的代表性。根據(jù)本研究的結(jié)果, 水聲學(xué)方法評(píng)估魚類密度晝夜差異顯著, 夜晚探測(cè)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(píng)估的魚類生物量仍要遠(yuǎn)高于白晝。因此, 從加強(qiáng)魚類資源水聲學(xué)評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)化和評(píng)估可靠性來(lái)考慮, 在保證安全的前提下, 三峽水庫(kù)魚類資源的水聲學(xué)評(píng)估宜在夜間進(jìn)行。

本研究尚存在一些不足, 在實(shí)驗(yàn)時(shí)間方面, 只在春季開(kāi)展了實(shí)驗(yàn), 鑒于魚類活動(dòng)隨季節(jié)的變化, 有必要在其他季節(jié)也開(kāi)展類似實(shí)驗(yàn)； 在實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)方面, 本次選擇三峽庫(kù)區(qū)典型支流香溪河, 庫(kù)區(qū)干流魚類晝夜行為節(jié)律對(duì)水聲學(xué)評(píng)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(píng)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201303056-1)； 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司科研項(xiàng)目(CT-12-08-01)； 農(nóng)業(yè)部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yàn)闈O業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail: lianyx177@163.com

葉少文, E-mail: yeshw@ihb.ac.cn