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(xué)院水生生物研究所, 中國科學(xué)院水生生物多樣性與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072;2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

長江江豚(Neophocaena asiaeorientalis asiaeorientalis)是我國特有的珍稀水生動(dòng)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(dòng)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(yáng)子洲等水域活動(dòng)頻繁, 甚至在已多年未見江豚蹤跡的湖北武漢江段不時(shí)出現(xiàn), 使得長江江豚很快成為公眾高度關(guān)注的長江“明星”物種, 乃至被各級(jí)媒體頻繁用作“長江生態(tài)保護(hù)”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(duì)棲息水域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 包括水質(zhì)、底質(zhì)、洲灘和岸帶等, 有較高要求, 同時(shí)對(duì)人類活動(dòng)產(chǎn)生的擾動(dòng), 比如涉水工程建設(shè)、航道治理和船舶航運(yùn)等活動(dòng)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(zhì)量、魚類資源量和水生生物多樣性, 及受人類活動(dòng)擾動(dòng)程度等狀況。

長江作為復(fù)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(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。多年以來, 已經(jīng)有多項(xiàng)單一型指標(biāo)或復(fù)合型指標(biāo)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(biāo)也具有一定的針對(duì)性和通用性, 但是隨著長江生態(tài)環(huán)境質(zhì)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“極度瀕危”[6—8], 引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)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(xiàng)新的生態(tài)考核指標(biāo),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(dāng)然, 作為一項(xiàng)生態(tài)考核指標(biāo), 它還需容易被社會(huì)公眾所理解和具有較好的可傳播性, 更重要的是還應(yīng)能夠及時(shí)有效地表征長江中重要旗艦物種的現(xiàn)存量和變化趨勢(shì)。

目前, 我國正在實(shí)施的“長江大保護(hù)”、“十年禁漁”、《長江保護(hù)法》等重大行動(dòng), 無疑會(huì)對(duì)長江生態(tài)環(huán)境和魚類等水生生物資源的恢復(fù)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(dòng)物的重現(xiàn)或完全恢復(fù)我們還難以預(yù)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(dòng)物[11—13], 長江江豚的生存狀況無疑已成為當(dāng)前, 甚至是未來較長時(shí)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(biāo)的基本屬性, 即對(duì)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(shí)間和空間尺度上容易被量化,同時(shí)具有較高的社會(huì)認(rèn)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(hào)的可監(jiān)測(cè)性和可量化屬性及其與種群分布和數(shù)量的關(guān)聯(lián)性, 采用被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)長江江豚種群數(shù)量的易操作性等方面, 系統(tǒng)介紹被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)長江江豚種群分布和數(shù)量作為一項(xiàng)新的長江生態(tài)考核指標(biāo)所具有的代表性、科學(xué)性和普及性等特征, 為豐富長江生態(tài)考核指標(biāo)的研究?jī)?nèi)容, 乃至最終確立一項(xiàng)或多項(xiàng)生態(tài)考核指標(biāo)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(jì)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(dòng)擾動(dòng)增強(qiáng)。

長江江豚喜棲于水文環(huán)境條件相對(duì)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(yùn)噪聲增強(qiáng)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(dǎo)致長江江豚棲息地質(zhì)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(duì)棲息水域小型魚類的密度和儲(chǔ)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(dòng)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(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)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(zhì)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(fù)合型指標(biāo)用于從不同側(cè)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(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。從近30年對(duì)長江江豚的調(diào)查結(jié)果分析表明, 長江江豚的活動(dòng)水域和集群規(guī)模等與小型魚類的分布和密度密切相關(guān)[24—26]。作為旗艦物種, 長江江豚在遭受到生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)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(shí)不發(fā)出高頻聲納信號(hào)[28,29]。聲納信號(hào)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(dòng)范圍為9.3—41.9 kHz。聲納信號(hào)是多個(gè)單脈沖組成的脈沖串, 相鄰脈沖串之間的時(shí)間間隔為5—6s, 一個(gè)脈沖串內(nèi)相鄰兩個(gè)單脈沖之間的時(shí)間間隔為20—70ms。

長江江豚聲納信號(hào)的時(shí)頻特征與水下噪聲的時(shí)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(shè)備即可以有效記錄長江江豚的聲納信號(hào)。已有較多的研究涉及到長江江豚聲納信號(hào)的脈沖串?dāng)?shù)量與發(fā)聲個(gè)體數(shù)量的關(guān)系[25,30—36], 并基于與目視觀察的比較結(jié)果, 驗(yàn)證了基于聲納脈沖串?dāng)?shù)量分析長江江豚數(shù)量的可靠性, 還建立了聲納脈沖串?dāng)?shù)量與長江江豚數(shù)量對(duì)照的簡(jiǎn)易模型, 比如, 在長江干流、鄱陽湖口和遷地自然保護(hù)區(qū)水域, 每10min可以記錄到長江江豚的脈沖串0—290個(gè), 估算出長江江豚的密度為0—4.79 ind./km2。目前, 單個(gè)位點(diǎn)被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)的水域范圍為0.3—0.8 km2,但隨著技術(shù)改進(jìn)(降低設(shè)備自身噪聲等)和分析方法的提升(機(jī)器學(xué)習(xí)), 單個(gè)位點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍可以達(dá)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(dòng)聲學(xué)記錄結(jié)束后, 基于在實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步分析, 統(tǒng)計(jì)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(shí)性, 目前的被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)采用了實(shí)時(shí)分析技術(shù), 即實(shí)時(shí)識(shí)別長江江豚的聲納信號(hào), 統(tǒng)計(jì)脈沖串的數(shù)量, 并估計(jì)長江江豚的數(shù)量, 甚至當(dāng)使用雙水聽器時(shí)(立體聲記錄), 還具有辨識(shí)長江江豚所在方位的能力。借助4G/5G手機(jī)網(wǎng)絡(luò), 全部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能及時(shí)傳遞到手機(jī)或電腦終端, 系統(tǒng)還具有日?qǐng)?bào)表和完善的統(tǒng)計(jì)等功能。因此, 從技術(shù)層面看, 被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)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(yīng)用。

被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)能全天候自動(dòng)運(yùn)行, 并將長江江豚的監(jiān)測(cè)結(jié)果按時(shí)間序列及時(shí)傳送到管理終端或平臺(tái), 這些數(shù)據(jù)具有時(shí)間連續(xù)性和空間的相對(duì)獨(dú)立性, 適合于形成長時(shí)間序列報(bào)表, 及進(jìn)行時(shí)間和空間上的比較, 繼而用于客觀評(píng)價(jià)這些水域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及魚類等水生生物資源量的時(shí)空變化等。

實(shí)時(shí)被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)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(shí)間及方位外, 還包括所監(jiān)測(cè)水域船舶航運(yùn)及施工水下噪聲等, 甚至在設(shè)備上保留的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)下載, 進(jìn)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(dòng)等信息。

監(jiān)測(cè)設(shè)備具有較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力, 既易于安裝在長江和湖區(qū)航標(biāo)等水上構(gòu)筑物上, 亦可安裝于自建的水面浮臺(tái)或水下沉臺(tái)上, 并且日常維護(hù)工作量較小, 可使用太陽能等長期供電, 全天候自動(dòng)運(yùn)行。

隨著長江大保護(hù)的深入, 對(duì)長江生態(tài)環(huán)境及水生生物資源的監(jiān)測(cè)會(huì)越來越頻繁, 參與的機(jī)構(gòu)也會(huì)越來越多, 比如水利部門監(jiān)測(cè)水文, 生態(tài)環(huán)境部門監(jiān)測(cè)水質(zhì), 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門監(jiān)測(cè)魚類, 交通部門監(jiān)測(cè)航運(yùn)等, 但是這些部門的監(jiān)測(cè)結(jié)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(duì)長江生態(tài)環(huán)境和生生物多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

長江江豚作為長江生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)捕食者,對(duì)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(huì)通過其種群數(shù)量和分布的變化較快地表現(xiàn)出來。同時(shí), 采用被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)調(diào)查長江江豚的種群數(shù)量, 在樣點(diǎn)布局和監(jiān)測(cè)時(shí)間等方面具有較高的靈活性, 既可對(duì)局部水域進(jìn)行短期監(jiān)測(cè), 亦可通過多點(diǎn)布局或組網(wǎng)對(duì)大范圍水域進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果具有實(shí)時(shí)性, 整個(gè)監(jiān)測(cè)過程自動(dòng)化程度高, 適合于經(jīng)過短期訓(xùn)練的非專業(yè)人員操作。

通過被動(dòng)聲學(xué)方法監(jiān)測(cè)長江江豚的分布和數(shù)量, 雖然在技術(shù)及應(yīng)用上已經(jīng)被證明是有效和便捷的, 但是將其作為一項(xiàng)新的長江生態(tài)考核指標(biāo)并予以應(yīng)用, 還需要進(jìn)一步構(gòu)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(quán)布置合適數(shù)量的水下被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備, 啟動(dòng)全天候長江江豚的監(jiān)測(cè)工作, 并以月份為基本時(shí)間單位,逐月自動(dòng)統(tǒng)計(jì)長江江豚的監(jiān)測(cè)結(jié)果, 通過4G/5G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)以報(bào)表的形式自動(dòng)向上一級(jí)管理機(jī)構(gòu)發(fā)送監(jiān)測(cè)結(jié)果。上一級(jí)管理機(jī)構(gòu)可以將這些報(bào)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(duì)水域行政管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行定量考核。考慮到設(shè)備一次性投入較大, 在初期可以減少布點(diǎn)的數(shù)量, 選擇特別重要的水域布點(diǎn), 后期再增加投入, 增加布點(diǎn)的密度, 提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋度, 提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合性和代表性, 最終建立應(yīng)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(jí)自然保護(hù)區(qū)(老灣故道)、湖北石首天鵝洲白鱀豚國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(天鵝洲故道)、安徽銅陵淡水豚國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(夾江)和江西鄱陽湖(棠蔭島水域)布置多臺(tái)水下聲學(xué)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器, 啟動(dòng)這些水域長江江豚的自動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃, 并獲得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

總之, 被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)長江江豚種群數(shù)量和分布作為長江生態(tài)考核指標(biāo), 在以下方面具有明顯的優(yōu)勢(shì): (1)對(duì)長江生態(tài)環(huán)境和資源狀況具有較強(qiáng)的綜合表征能力; (2)具有可量化屬性, 并且可以在較大時(shí)空尺度上進(jìn)行比較和定量評(píng)價(jià); (3)易于向非專業(yè)機(jī)構(gòu)普及, 并且社會(huì)公眾容易理解指標(biāo)的表述及內(nèi)涵;(4)目前已經(jīng)啟動(dòng)了長江江豚被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)計(jì)劃, 并在部分重點(diǎn)水域進(jìn)行了試點(diǎn), 取得了較好的監(jiān)測(cè)效果。

3 結(jié)語

長江江豚作為極可能是長江中僅存的大型捕食者, 其對(duì)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(shí)時(shí)被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得長江江豚種群數(shù)量和分布的信息, 不但在技術(shù)上和應(yīng)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(shí)空變化, 可作為綜合反映長江生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和水生生物多樣性的重要生態(tài)考核指標(biāo)予以應(yīng)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(píng)價(jià)這些水域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(dòng)等, 并非是完全相同或具同質(zhì)性的, 而是在不同的江段和區(qū)域各具有差異性。因此, 某項(xiàng)長江生態(tài)考核指標(biāo)的適用性也難以覆蓋全流域。在生態(tài)考核指標(biāo)的選擇上, 應(yīng)結(jié)合各地的自然條件、社會(huì)狀況和經(jīng)濟(jì)形勢(shì), 選擇最具適合度的指標(biāo)作為生態(tài)考核指標(biāo)予以應(yīng)用, 才能更好地平衡保護(hù)與發(fā)展的關(guān)系, 促進(jìn)人與自然相和諧。