林晨宇 羅 佳 劉德富 吳 歡 許家煒 石小濤

(三峽大學, 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 宜昌 443002)

鳙幼魚在下行過程中應對加速流的行為響應研究

林晨宇 羅 佳 劉德富 吳 歡 許家煒 石小濤

(三峽大學, 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 宜昌 443002)

以具有下行洄游需求的鳙(Aristichthys noblis)幼魚為研究對象, 在自行設計制造加速流的裝置中進行下行實驗, 結果發(fā)現(xiàn): 在實驗設置的3個入口流速下(入口流速分別為: 0.018、0.034和0.053 m/s), 鳙幼魚的通過率均為100%。在下行通過孔口的方式上, 以尾部先通過為主(即頂流通過), 尤其是在流速較高的時候, 頭部先通過比例僅為6.25%。在通過總時間(從實驗開始至通過孔口的時間)上, 鳙幼魚在低流速條件下顯著小于在中流速條件下(P＜0.05), 而在高流速條件下與中低兩個流速條件下均無顯著性差異(P＞0.1)。在通過時間(從實驗魚最后一次進入加速區(qū)域, 至通過孔口的時間)上, 鳙幼魚在三種流速條件下沒有顯著差異性(P＞0.1)。研究表明, 加速流會對鳙幼魚下行的時間和方式產(chǎn)生影響。研究旨在為魚類資源保護, 幫助魚類安全高效過壩提供基礎數(shù)據(jù), 同時也為研究魚類在下行過程中應對加速流的行為研究提供一種研究方法。

鳙幼魚; 下行; 加速流; 洄游

魚類在不同水域進行周期性遷徙的行為, 稱之為洄游[1], 常見的洄游類型根據(jù)其洄游目的不同可以分為: 生殖洄游、索餌洄游和越冬洄游等。大壩的修建在阻斷河流連續(xù)性的同時也阻斷了魚類的洄游通道[2—4]。無論是溯河洄游還是降河洄游, 魚類在從大壩的一端向另一端遷徙時, 會因大壩的阻隔而難以順利完成遷徙過程[5—7]。其中, 降河洄游的魚類在下行通過大壩及其他水工建筑物時, 除了要面對不同程度的水流落差外, 還需要克服各下行通道產(chǎn)生的各典型特征流場[8,9]。而水流速度逐漸增加的加速流作為一種魚類下行過程中必須面臨的特征水流, 在各通道中普遍存在, 包括水輪機、溢洪道、船閘及過魚旁路等[10]。加速流可能引起魚類下行過壩過程中的逃逸行為或造成魚類因被動卷吸而受到傷害[11]。因此研究魚類下行過程中應對加速流的響應行為, 可以為設計幫助魚類安全高效過壩的輔助設施等方面提供理論依據(jù)。雖然過魚設施的修建, 能夠在一定程度上緩解大壩修建給魚類等水生生物帶來的不利影響[5—7], 但是我國的魚類保護研究仍然相對落后, 存在諸多的科學問題和實踐困難, 如魚類分布對環(huán)境改變的適應策略、魚類行為對水力特征的響應關系和輔助魚類通過閘壩的救魚技術等[12]。

目前有關魚類行為與水力因子響應關系的研究主要集中在輔助魚類上溯的過魚設施領域[13—15]。如有學者通過模型結合數(shù)值模擬的方法(Fluent, Flow3D以及Mike等軟件)獲取魚道內(nèi)的流速分布、自由水面特征、紊動能、雷諾應力以及射流分布形態(tài)等, 以優(yōu)化魚道設計或發(fā)現(xiàn)魚類的上溯行為規(guī)律[16]。而在魚類下行方面的研究相對較少, 僅局限于少量行為學指標的分析[2]。鳙(Aristichthysnobilis)與青魚(Mylopharyngodon piceus)、草魚(Ctenopharyngodon idellus)、鰱(Hypophthalmichthys molitrix)合稱為“四大家魚”在我國各大水域廣泛分布,是重要的經(jīng)濟魚類之一, 其仔魚具有下行洄游的需求, 本文基于鳙幼魚下行通過加速流的行為研究,了解鳙幼魚下行過程中應對加速流的行為響應特征, 有助于魚類順利下行設施的優(yōu)化設計。同時,本研究還提供了一種研究魚類下行過壩的思路, 為魚類安全下行過壩研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用魚由湖北宜都漁場提供, 體重(以濕重表示)(13.44±2.55) g, 體長(10.14±0.75) cm。實驗用魚于2015年4月通過活魚充氧袋運送至三峽大學生態(tài)水工實驗室, 暫養(yǎng)7d后進行實驗。暫養(yǎng)水槽為直徑2 m、深0.5 m的圓形玻璃纖維水缸。暫養(yǎng)期間水溫為(20.00±1.00)℃, 24h連續(xù)持續(xù)充氧。

根據(jù)行為學實驗要求, 同一實驗魚不再重復實驗, 避免對實驗結果造成影響。

實驗設備主要包括鳙幼魚的下行實驗裝置(圖 1)和視頻采集裝置(索尼DSC-W360)。下行裝置為長方形水槽(300 cm×100 cm×50 cm), 材質(zhì)為鋼化玻璃。實驗區(qū)域上游部分為長方形, 下游部分為收縮狀, 用于制造水流速度梯度。水槽通過調(diào)節(jié)電機頻率來控制水流速度, 通過整流柵(C)整流后得到均勻流場。整個實驗裝置為開放式水槽, 溶解氧(6.5±0.2) mg/L。裝置上方距離地面6 m處架設攝像頭, 用于記錄實驗過程。

1.2 實驗方法

實驗采用曝氣48h的自來水作為實驗用水, 水槽中水溫在實驗前調(diào)節(jié)至與暫養(yǎng)水槽中水溫一致。實驗選擇健康活潑的鳙幼魚, 在三組不同的入口水流速度(指在D區(qū)域上游的水流速度)下進行, 水流速度分別為0.018、0.034和0.053 m/s, 流速選擇為鳙在自由游泳狀態(tài)下的游泳速度, 0.018 m/s為鳙在流水條件下的不活躍游泳速度, 逐漸增加流速, 但是流速不超過鳙在流水條件下的活躍游泳速度[17]。每一次實驗隨機選取1尾魚, 置于D區(qū)域上游部分,適應1.5h后, 打開攔網(wǎng)(D區(qū), 距離C部分5 cm處)同時開啟攝像頭。若2h內(nèi)實驗魚通過水槽下游的加速流區(qū)域(E區(qū)), 則實驗結束, 否則實驗在2h(長時間不通過加速流區(qū)域不利于魚類的下行, 因此設置2h不通過則結束實驗, 并視為不能通過加速流區(qū)域)后結束, 且視為實驗魚不通過加速流區(qū)域。整個實驗過程采用攝像頭錄像。同一實驗魚不重復使用, 每一個流速下的實驗重復18—22次, 3組實驗共使用60尾魚。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本實驗根據(jù)攝像頭錄像, 通過視頻處理獲得相關數(shù)據(jù)包括頭部通過比例、通過總時間、通過時間等。其中, 通過總時間的定義為: 從實驗開始至通過孔口的時間; 通過時間的定義為: 從實驗魚最后一次進入加速區(qū)域, 至通過孔口的時間。

采用視頻分析軟件Logger Pro對視頻進行分析獲取相關數(shù)據(jù)。所得數(shù)據(jù)首先采用Excel計算處理以及繪圖, 之后采用SPSS19.0綜合數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計值(主要包括通過時間和總時間在各個不同流速下的差異性)使用平均值±標準差(Mean±SE)表示, 用單因素方差分析法分析差異性, P＜0.05表示差異顯著。

2 結果

在實驗設置的3種水流速度下, 鳙的通過率均為100%。鳙在通過孔口的方式上基本相同, 主要以尾部通過為主, 尤其是在水流速度較高的時候,頭部通過的比例最低, 僅6.25%。在低流速和中流速條件下, 頭部通過比例相對高流速較大, 分別為31.82%和31.25%(圖 2)。

鳙在三種不同的水流速度下, 從實驗開始至通過孔口的總時間存在一定的差異性(圖 3)。其中鳙在低流速下的總時間與鳙在中流速下的總時間存在顯著性差異(P＜0.05), 低流速下的總時間明顯小于中流速下的時間, 但是在高流速下的總時間與前兩種水流條件下的總時間不存在差異性(P＞0.1)。

圖 1 鳙幼魚下行實驗裝置示意圖Fig. 1 Equipment for the simulation of fish going downstreamA. 儲水區(qū); B. 整流區(qū); C. 整流柵; D均勻流區(qū)域; E. 加速流區(qū)域; F. 尾水區(qū)域

圖 2 鳙幼魚在3種水流條件下頭部通過孔口的比例Fig. 2 The proportion of head-first in three different flow condition

圖 3 鳙在3種不同流速下下行的總時間Fig. 3 The total passing time of fish in three different flow velocity

本研究還對鳙在下行過程中最后一次進入加速區(qū)域至通過孔口的時間進行了統(tǒng)計(圖 4), 結果顯示鳙在3種不同的水流條件下, 通過加速區(qū)域的時間沒有差異性(P＞0.1)。

圖 4 鳙在3種不同水流速度下下行通過加速流的通過時間Fig. 4 Time for fish passing the accelerating flow in three different flow velocity

3 討論

不同魚類在下行通過加速區(qū)域時, 其通過方式存在一定的差異性。例如鮭(Oncorhynchus)幼魚在主動洄游時, 通常會以頭部先通過加速區(qū)域, 而太平洋鮭(Oncorhynchus spp .)幼魚通常會先面向下游靠近加速流, 然后在特定的點改變方向[18]。在本研究中, 鳙在3種設定流速下, 以尾部通過為主, 尤其是在水流速度較大的時候, 頭部通過比例最低, 同時本研究也發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象, 但是發(fā)生轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象的區(qū)域并沒有顯示明顯的規(guī)律性。這也說明了不同魚類在下行過程中會采取不同的行為策略。

水流速度會影響魚類的游泳行為[19,20]。魚類對水流具有一定的選擇性, 可以主動對抗水流而逆流游泳, 同時可以通過調(diào)節(jié)自身游泳速度來適應水流速度[20]。鐘金鑫等[19]對白魚(Anabarilius grahami)游泳行為的研究發(fā)現(xiàn), 在有流速的時候, 趨流率高于靜水組, 但是不同的流速組之間沒有差別。本研究發(fā)現(xiàn)鳙下行的總時間在低流速和中流速之間存在顯著的差異性, 高流速與另外兩種流速之間不存在顯著差異性; 而通過時間在3種水流條件下均不存在差異性。這說明隨著水流速度的增加, 鳙頂流時間會隨之增長, 而流速繼續(xù)增加超過特定水平時, 頂流時間不會增加并且會呈現(xiàn)降低的趨勢。這與何大仁等[21,22]的研究結果類似, 魚類會根據(jù)水流速度和方向調(diào)節(jié)自身的游泳速度和方向, 例如保持逆流游泳的狀態(tài), 長時間的停留在某一地方, 因此才會引起時間上的差異性。

本研究還發(fā)現(xiàn), 在設置的3種水流條件下, 鳙的通過率均達到了100%。其中一種可能性是由于在較高的水流速度下, 鳙通無法抵抗水流速度而順水下行, 而在較低的水流速度下加速流對鳙有一定的吸引能力, 使鳙自行下行; 另外一種可能是本裝置中設計的3種水流梯度不夠大, 還未能達到使鳙逃離加速區(qū)域并拒絕下行的程度。因此后續(xù)應該改變加速區(qū)域的變化梯度, 進一步探討鳙下行過程中應對加速流的行為。研究鳙幼魚在不同水流速度下應對加速流的行為特征, 可以幫助優(yōu)化設計魚類下行過魚設施, 同時也可以作為研究其他重要魚類的參考。

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THE BEHAVIOR RESPONSE OF JUVENILE ARISTICHTHYS NOBILIS TO THE ACCELERATING FLOW DURING THEIR DOWNSTREAM MIGRATION

LIN Chen-Yu, LUO Jia, LIU De-Fu, WU Huan, XU Jia-Wei and SHI Xiao-Tao
(Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

To investigate the ability of downstream migration of Juvenile bighead carp (Aristichthys noblis), a self-designed equipment with three inlet velocity (0.018m/s, 0.034m/s, 0.053m/s) was utilized. Results indicated that the passing rate under three inlet velocity were all 100%. Most fish used tail through first (tail-first) to pass the hole, especially under the high velocity, and the percentage of head-first was merely 6.25%. The total passing time in the low velocity was significantly less than the middle velocity (P＜0.05), and no difference existed between the high velocity and the other two conditions (P＞0.10). In regard to the passing time, from the time subject enter the accelerating flow field to the moment it left the experimental area, the carp appeared no significant difference (P＞0.10) in all three conditions. These results indicated the impact the accelerating flow on the duration and methods of Juvenile bighead carp’s downstream action, which provide knowledge for fish passage techniques and preserve fish resources. In addition, this work established an available method to study the behavioral reaction fish fight accelerating flow during its downstream migration.

Juvenile Aristichthys nobilis; Downstream; Accelerating flow; Migration

Q178.1

A

1000-3207(2017)03-0560-05

10.7541/2017.72

2016-07-19;

2016-12-24

國家自然科學基金(51579136); 技術服務項目(SDHZ2015158)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (51579136); Technical Service Project (SDHZ2015158)]

林晨宇(1991—), 男, 福建福安人; 碩士; 主要從事生態(tài)水利學研究。E-mail: 529663732@qq.com

石小濤(1981—), 男, 湖北紅安人; 博士; 主要從事水生動物生態(tài)學研究。E-mail: sxtshanghai@163.com