孫井沛,施浩然,2,劉曉慶,2,王俊杰,袁 嫄

(1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039; 2.西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039;3. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川 成都 610065)

隨著我國水電建設(shè)事業(yè)的突飛猛進,水利工程所帶來的生態(tài)環(huán)境問題備受關(guān)注。比如,水電站的建設(shè)改變了水域生態(tài)環(huán)境,損害了魚類及底棲動物種類的生物多樣性[1];梯級水電站的開發(fā)阻隔了魚類洄游和種群交流[2];水動力環(huán)境的改變迫使魚類的棲息地發(fā)生改變[3];水體中的重金屬影響著黃顙魚的性腺發(fā)育[4]。大壩泄洪產(chǎn)生的總?cè)芙鈿怏w(total dissolved gas,TDG)過飽和含沙水流嚴(yán)重威脅著大壩下游河段魚類等水生生物的生存。關(guān)于TDG過飽和現(xiàn)象對魚類的影響,國外學(xué)者已做了大量的研究,并取得了豐富的成果,證明不同種類的魚對TDG過飽和水體的耐受性各異[5-7],且魚類會向更遠、更開闊和更深的水域游動來減弱或避免過飽和TDG的傷害[8]。近年來,國內(nèi)研究者針對TDG過飽和問題及其對魚類的影響也展開了一系列的研究。譚德彩[9]指出三峽大壩下游魚類患氣泡病的主要原因是三峽大壩泄洪時導(dǎo)致的水體總?cè)芙鈿怏w過飽和。Liu等[10]通過開展TDG過飽和水體對巖原鯉幼魚生長發(fā)育的影響研究,得到急慢性TDG過飽和水體暴露對巖原鯉幼魚的生長影響并不顯著,但重口裂腹魚初孵仔魚的病變率隨著TDG飽和度的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢[11]。吳松等[12]研究了TDG過飽和對鯽魚的急性毒性效應(yīng)及過氧化氫酶(CAT)活性的影響,研究結(jié)果表明肌肉組織和鰓組織的CAT活性呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律,且鰓組織的CAT活性對過飽和TDG的敏感度高于肌肉組織。袁嫄等[13]和袁佺等[14]研究發(fā)現(xiàn)低飽和度的TDG過飽和水體對長薄鰍存在慢性傷害,且該魚類的回避率與TDG飽和度呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系,即TDG飽和度越高,試驗用魚回避現(xiàn)象越明顯。Huang等[15]和Liang等[16]分別以巖原鯉和重口裂腹魚為研究對象,指出了不同魚種受TDG過飽和水體脅迫下的半致死時間各不相同,其耐受能力也存在差異。此外,國內(nèi)外關(guān)于泥沙對魚類影響的研究較多,Newcombe等[17]分析已有研究成果指出了含沙量、暴露時長與魚類受脅迫后的損傷程度存在一定關(guān)系。Bell[18]發(fā)現(xiàn)高含沙量水體的長期脅迫可使魚鰓上皮細胞增厚而導(dǎo)致魚類呼吸功能喪失;即使低含沙量情況下,懸浮泥沙的長期暴露也會引起魚類對疾病或有毒物質(zhì)的逃逸能力和耐受能力降低,對魚類的攝食和生長產(chǎn)生嚴(yán)重的負面影響[19]。另外,Staub[20]研究認(rèn)為魚類因躲避高含沙水流侵害而引起運動量增加,使得魚類的呼吸加快和需氧量增加,同時細顆粒泥沙堵塞魚鰓阻礙氧氣的攝入而使其缺氧死亡[21]。

一般地,大壩泄洪除使下游水體產(chǎn)生較高的TDG飽和度外,同時水體含有大量泥沙,影響著魚類的生存。然而,國外關(guān)于TDG過飽和含沙水體對魚類影響的研究尚鮮見報道,國內(nèi)張亦然等[22]首次開展了TDG過飽和含沙水體對魚類的影響研究,指出含沙量小于80 mg/L時,含沙量的多少并不改變TDG過飽和對試驗用魚致死的基本規(guī)律,但泥沙能夠加速魚類在TDG過飽和水體中的死亡。根據(jù)《中國河流泥沙公報》[23]記載,岷江和嘉陵江年平均含沙量分別為0.535 kg/m3和1.57 kg/m3(1956—2010年),含沙量較大(遠大于80 mg/L)。為符合工程實際,進一步探討TDG過飽和水體中泥沙對魚類的影響顯得尤為重要。為此,本文選取長江上游特有的巖原鯉和經(jīng)濟魚類鰱魚為試驗對象,開展TDG過飽和含沙水體對不同魚類的影響研究,分析不同魚類受TDG過飽和含沙水體脅迫的耐受性,研究成果可對河道下游水生生物的保護提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

巖原鯉(ProcyprisrabaudiTchang)(鯉形目、鯉科、鯉亞科、原鯉屬)主要生活于長江上游干支流,是長江上游特有的經(jīng)濟價值較高的魚類。鰱魚(Hypophthalmictuthysmolitrix)(鯉形目、鯉科、鰱亞科、鰱屬)是我國主要的淡水魚類,長江四大家魚之一。試驗選取的巖原鯉平均體質(zhì)量(7.8±0.6)g,平均體長(7.9±0.5) cm,購買于四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所;鰱魚平均體質(zhì)量(5.3±0.6)g,平均體長(6.2±0.4) cm,購買于成都市農(nóng)產(chǎn)品中心批發(fā)市場。為使試驗用魚適應(yīng)試驗環(huán)境,在試驗之前要對其進行5 d的適應(yīng)性暫養(yǎng),期間不予進食。馴養(yǎng)池內(nèi)水溫、pH值、溶解氧(DO)和流速分別為(22.0±0.5)℃、7.3±0.2、(7.5±0.5) mg/L和2.5 cm/s。馴養(yǎng)結(jié)束后,精選無病、活動性強、大小一致的幼魚開展試驗。

根據(jù)《中國河流泥沙公報》[23],自2000年至2010年間,岷江和嘉陵江懸沙多年平均中數(shù)粒徑分別為0.010 mm和0.007 mm,本文試驗以嘉陵江懸沙多年平均中數(shù)粒徑為參考,選用中數(shù)粒徑為0.007 mm的沙作為試驗沙,試驗用沙購于成都市河沙批發(fā)市場。

1.2 試驗方法

試驗在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室水環(huán)境實驗廳開展,并采用文獻[24]中的總?cè)芙鈿怏w過飽和含沙水體對魚類影響的實驗系統(tǒng)來進行。該實驗系統(tǒng)中,通過大水池中的泥沙攪拌裝置使泥沙懸浮,并通過水泵和空氣壓縮機將含沙水和空氣輸入高壓鋼管形成較高飽和度的TDG過飽和含沙水體。再將該高飽和度的TDG過飽和含沙水體與未過飽和的含沙水體分別導(dǎo)入不同的2個大水箱,通過水箱上的閥門控制將高飽和度的TDG過飽和含沙水體與未過飽和的含沙水體摻混進而獲得具有不同飽和度的TDG過飽和含沙水體。監(jiān)測儀器主要有總氣壓測定儀、YSI 6600多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀、FA1004電子天平等。

根據(jù)《中國河流泥沙公報》資料數(shù)據(jù)和四川大學(xué)的原型觀測數(shù)據(jù),該試驗設(shè)置0、400、600、800 mg/L4個含沙量,每個含沙量分別與TDG飽和度為100%、130%、140%的TDG過飽和水體組合,獲得不同的試驗組,以TDG飽和度為100%(非過飽和)試驗組為對照組。所有試驗組均設(shè)置2個平行樣,每個平行樣分別放入巖原鯉試驗用魚和鰱魚試驗用魚20尾。試驗水溫控制在(22.0±0.5)℃,pH值約7.1±0.1,溶解氧約為(8.0±0.2) mg/L,流速約3 cm/s。試驗過程中每隔1 h用監(jiān)測儀器監(jiān)測試驗水體溫度、pH以及溶解氧等是否發(fā)生變化。連續(xù)觀察試驗用魚的活動狀況,試驗用魚死亡后及時撈出死魚并記錄其死亡時間。

試驗中,選取半致死時間作為衡量毒物促使受試動物死亡速度快慢的指標(biāo)。通過概率單位法[24-25]分別推求出各試驗組兩種試驗用魚的半致死時間,進而分析TDG過飽和含沙水體對魚類的影響程度。

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

試驗初始,各試驗水箱中的試驗用魚活動正常。0.5 h后,TDG飽和度為130%和140%的各試驗水箱水體表層均逐漸出現(xiàn)帶有氣泡的白色浮膜。約1 h后,魚體表面附著有小氣泡,試驗用魚來回游動愈加頻繁,并不時抖動身體。含沙量一定時,TDG飽和度為140%的試驗用魚最先出現(xiàn)呼吸頻率加快、上下游竄、跳出水面等異常行為。隨著暴露的持續(xù),試驗用魚逐漸失去活動能力,最后死亡漂浮于水面。TDG飽和度一定時,隨著含沙量的增加,出現(xiàn)上述異常行為的時間點提前。試驗條件相同的情況下,各試驗組(TDG飽和度為100%的各試驗組除外)的巖原鯉與鰱魚試驗異?，F(xiàn)象相似,與巖原鯉相比,鰱魚出現(xiàn)上述異常行為的時間點有一定程度的延后。經(jīng)觀察,死亡試驗用魚的體表尤其在魚鰭部位附著有大量氣泡,同時魚鰭和魚尾部位有出血等氣泡病癥狀。在整個試驗過程中,試驗用魚受高飽和度TDG含沙水體急性刺激下全部死亡,而TDG飽和度為100%的各試驗組中兩種試驗用魚均未出現(xiàn)異常行為,存活良好。

2.2 死亡率與暴露時間的關(guān)系

在不同含沙量的TDG過飽和含沙水體中,試驗用魚死亡率與暴露時間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見,在同一含沙量和TDG飽和度下,試驗用魚的死亡率隨著暴露時間的延長而增大。在同一含沙量下(以400 mg/L含沙量為例,見圖1(b)),隨著TDG飽和度的增大,兩種試驗用魚出現(xiàn)死亡的時間提前。暴露于TDG飽和度為130%水體的鰱魚出現(xiàn)死亡時間最晚,約為8 h;暴露于TDG飽和度為140%水體的巖原鯉出現(xiàn)死亡的時間最早,約為4 h;暴露于TDG飽和度為130%水體的巖原鯉與暴露于TDG飽和度為140%水體的鰱魚的死亡時間相近,分布于4～8 h之間。根據(jù)圖1(a)(c)和(d)中的數(shù)據(jù),也可得到相似規(guī)律。

圖1 不同含沙量下的試驗用魚死亡率與暴露時間的關(guān)系

2.3 試驗用魚的半致死時間

半致死時間可以反映出TDG過飽和含沙水體對試驗用魚的影響程度。若某一試驗組試驗用魚的半致死時間越短,則說明TDG過飽和含沙水體對該組試驗用魚的影響越大。不同試驗工況下巖原鯉和鰱魚的半致死時間如表1所示。

表1 不同試驗工況下巖原鯉和鰱魚的半致死時間

表1顯示試驗用魚暴露于TDG飽和度為130%,含沙量為0 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L的水體中,巖原鯉和鰱魚的半致死時間分別為6.78 h、5.85 h、5.36 h、4.41 h和12.04 h、10.76 h、9.37 h、7.10 h,鰱魚的半致死時間比巖原鯉的半致死時間平均延長75.31%;暴露于TDG飽和度為140%,含沙量為0 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L的水體中,巖原鯉和鰱魚的半致死時間分別為4.06 h、3.78 h、3.42 h、2.97 h和6.36 h、5.41 h、4.81 h、4.12 h,鰱魚的半致死時間比巖原鯉的半致死時間平均延長45.47%。表明在相同TDG過飽和含沙水體脅迫下,鰱魚受到的影響弱于巖原鯉，且在同一含沙量下,隨著TDG飽和度的增大,試驗用魚的半致死時間縮短。

從表1還可以看出,即使隨著TDG飽和度的增加,鰱魚和巖原鯉半致死時間上的差距仍較為明顯,兩者的耐受性仍存在明顯差別。當(dāng)TDG飽和度一定時,隨著含沙量的增加,試驗用魚(巖原鯉和鰱魚)的半致死時間縮短。TDG飽和度為140%時,隨著含沙量從0增加到800 mg/L,巖原鯉半致死時間縮短約26.85%,鰱魚半致死時間縮短約35.22%;TDG飽和度為130%時,隨著含沙量從0增加到800 mg/L,巖原鯉半致死時間縮短約34.96%,鰱魚半致死時間縮短約41.03%。當(dāng)TDG飽和度相對較高(140%)時,含沙量對魚類的影響相對于飽和度為130%工況略弱,且在整個試驗過程中,試驗用魚受高飽和度TDG含沙水體急性刺激下全部死亡,而TDG飽和度為100%的各試驗組中兩種試驗用魚均未出現(xiàn)異常行為,存活良好,表明過飽和TDG是導(dǎo)致試驗用魚死亡的主要原因,但不能忽略泥沙對試驗用魚死亡的促進作用。

3 討 論

試驗用魚受TDG過飽和含沙水體的脅迫后,試驗水箱水體表層出現(xiàn)白色浮膜。這是因為魚類機體存在一種能分泌黏液的腺體細胞(如鰓、皮膚等),其黏液內(nèi)含有的許多活性物質(zhì)(如水解性酶等)分解毒性物質(zhì),保護機體不受侵害[26]。試驗中,當(dāng)魚類受TDG過飽和含沙水體脅迫時,腺體細胞為保護魚類機體不受侵害分泌出大量黏液,與水中的泥沙、氣泡等形成浮膜漂浮于水體表層,而試驗用魚出現(xiàn)的氣泡病癥狀為氣體過飽和所致[17]。對于試驗用魚出現(xiàn)的呼吸加快、上下竄動等異?，F(xiàn)象,可能是由于水體內(nèi)含有的細小泥沙顆粒阻塞魚鰓,減弱了其呼吸能力,影響其正常生理活動[21]。再加上水中過飽和TDG的刺激作用,使得試驗用魚身上的氣泡病癥狀較早出現(xiàn),溶解于水中的TDG堵塞血管,阻礙魚體血液循環(huán),造成魚鰭、魚尾局部瘀血過多而出血。各試驗組的巖原鯉與鰱魚試驗異?，F(xiàn)象相似,但巖原鯉和鰱魚在出現(xiàn)患病癥狀的時間及死亡時間上有較明顯的區(qū)別,即鰱魚在相同試驗條件下出現(xiàn)患病癥狀的時間延后于巖原鯉,死亡時間長于巖原鯉,鰱魚對TDG過飽和含沙水體的耐受性強于巖原鯉。此外,已有研究[21]表明高濃度泥沙(含沙量高于8.0×104mg/L)可導(dǎo)致黃河鯉魚死亡,本文研究中TDG飽和度為100%,含沙量從400 mg/L升高到800 mg/L時,巖原鯉與鰱魚均未出現(xiàn)異常行為且生存良好,推測該含沙量未達到這兩類魚的耐受性極限,其生存的水體泥沙含量閾值方面的研究有待加強。

從試驗用魚的全部死亡時間看,當(dāng)TDG飽和度為130%時,含沙量為0 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L情況下,巖原鯉全部死亡的時間分別為9.93 h、7.87 h、7.17 h、5.48 h,鰱魚全部死亡的時間分別為19.18 h、16.75 h、14.57 h、13.57 h;TDG飽和度為140%時,含沙量為0 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L情況下,巖原鯉全部死亡的時間分別為5.06 h、4.85 h、4.22 h、3.77 h,鰱魚全部死亡的時間分別為10.28 h、9.23 h、6.42 h、5.70 h。TDG飽和度為130%時的各含沙量下,鰱魚全部死亡的平均時間比巖原鯉約長8.8 h;TDG飽和度為140%時的各含沙量下,鰱魚全部死亡的平均時間比巖原鯉約長3.43 h。此外,同一TDG飽和度下,含沙量越高,試驗用魚的死亡時間越短,且?guī)r原鯉死亡時間短于鰱魚。表明2種魚受相同的TDG過飽和含沙水體脅迫時,鰱魚比巖原鯉具有更強的適應(yīng)能力和耐受能力,泥沙的存在加快了試驗用魚的死亡速度。

Smiley等[27]研究表明不同魚種、不同規(guī)格的魚類對TDG過飽和的耐受性存在差異。Chen等[28]、袁嫄等[13]、吳松等[12]、Liang等[16]、張亦然等[22]分別關(guān)于胭脂魚、長薄鰍、鯽魚、重口裂腹魚、齊口裂腹魚對TDG過飽和水體的耐受性研究成果與本次試驗結(jié)果對比如表2所示。在表2所列國內(nèi)魚種中,長薄鰍幼魚即使在TDG飽和度較高(140%)水體中也具有較強的耐受性,可能是由于其自身活動性強,體表無鱗,氣泡難以富集,進而降低了TDG過飽和帶來的侵害,其次重口裂腹魚7 d齡仔魚耐受性次之。本文研究的巖原鯉幼魚耐受性最弱,鰱魚幼魚耐受性強于胭脂魚幼魚,弱于齊口裂腹魚幼魚和鯽魚幼魚。

表2 不同TDG飽和度下不同魚類的半致死時間

張亦然等[22]對TDG過飽和含沙水體對齊口裂腹魚的影響進行了研究,結(jié)果表明當(dāng)最高含沙量為80 mg/L時,齊口裂腹魚幼魚受飽和度分別為130%、140%的TDG過飽和含沙水體脅迫的半致死時間分別為7.85 h、6.55 h,與不含沙TDG過飽和水體相比,齊口裂腹魚幼魚的半致死時間縮短約50%。本試驗中,最低含沙量為400 mg/L時,130%、140%TDG飽和度下,巖原鯉的半致死時間分別為5.85 h、3.78 h,鰱魚的半致死時間分別為10.76 h、5.41 h,與不含沙TDG過飽和水體相比,半致死時間變化不大,推測在TDG過飽和含沙水體中,巖原鯉和鰱魚對泥沙的敏感性低于齊口裂腹魚,但齊口裂腹魚在更高含沙TDG過飽和水體中是否更易受到傷害,有待進一步研究。劉曉慶等[24]研究表明TDG飽和度為130%和140%的含沙(含沙量600 mg/L)水體中,巖原鯉幼魚(體質(zhì)量為(9.2±0.9)g)的半致死時間分別為5.7 h和3.4 h,本試驗相同含沙量的TDG過飽和含沙水體中,巖原鯉幼魚(體質(zhì)量為(7.9±0.5) g)的半致死時間分別為5.36 h和3.42 h,說明規(guī)格相差不大的同一魚類對TDG過飽和含沙水體的耐受性無較大差異。此外,劉曉慶等[24]的研究結(jié)果還顯示當(dāng)TDG飽和度為125%時,無沙和有沙(最低含沙量為200 mg/L)情況下,巖原鯉幼魚半致死時間分別為14.6 h和13.6 h,雖然泥沙對巖原鯉幼魚在TDG過飽和水體中的生存有一定影響,但在飽和度相對較低(125%)時能存活較長時間。Huang等[15]證明實驗室條件下巖原鯉幼魚(體質(zhì)量為6.6～7.2 g)能在飽和度為115%的TDG過飽和水體中安全生存,提出120%的TDG飽和度是其耐受性閾值。雖然近來研究顯示泥沙可能對試驗用魚的死亡速度有促進作用,但由于天然水體中,試驗用魚能選擇更廣闊更深的水域逃避TDG過飽和傷害[8,15]?？梢?含沙水體中120%的TDG飽和度仍可被認(rèn)為是巖原鯉幼魚的安全飽和度。鰱魚對TDG過飽和含沙水體的耐受性強于巖原鯉幼魚,但由于TDG過飽和對此種群影響的研究成果未見報道,其對TDG過飽和水體的耐受性閾值需進一步研究確定。

4 結(jié) 論

a. 在同一含沙量和TDG飽和度下,試驗用魚的死亡率隨著暴露時間的延長而增大;在同一含沙量下,隨著TDG飽和度的增大,試驗用魚的半致死時間縮短;在同一TDG飽和度下,隨著含沙量的增加,試驗用魚的半致死時間縮短。

b. 鰱魚出現(xiàn)異常行為、患氣泡病和死亡的時間均滯后于巖原鯉,且半致死時間相對較長,表明鰱魚對TDG過飽和含沙水體的耐受性強于巖原鯉;即使TDG飽和度增加,二者耐受能力仍有較明顯差距;巖原鯉對含沙水體中過飽和TDG的耐受性閾值為120%,而鰱魚的耐受性閾值有待研究確定。

c. 當(dāng)TDG飽和度較高時,少量泥沙也將造成試驗用魚的大量死亡,高飽和度的過飽和TDG是導(dǎo)致試驗用魚死亡的主要原因,泥沙是促使試驗用魚死亡的次要原因。在實際工程中,應(yīng)采取措施降低大壩泄洪時下泄水體中的TDG飽和度或者減少水體泥沙含量,進而減緩大壩泄洪對下游魚類及其他水生生物的影響。