邱寧 ， 喻燚， 賈建娜， 段鑫越， 彭士濤， 馬國強

（1. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心，天津 300456； 2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，成都 611731）

魚類的行為代表了它們對內(nèi)部（生理）和外部（環(huán)境）因素的表觀反應(yīng)，不僅與其個體的覓食、繁殖等活動密切相關(guān)，也是它們與其他生物體的主要聯(lián)系方式，以及對周邊環(huán)境的主要適應(yīng)方式（Scherer，1992；Morris，2005），因此，對魚類行為的研究可為河流、湖泊等水域棲息地營造及生境修復(fù)提供重要的理論支撐。趨觸行為又稱貼壁運動，是指動物傾向于在環(huán)境的四周區(qū)域活動，而很少進入中心地帶的現(xiàn)象（Treit & Fundytus，1988；Sharmaet al.，2009）。該行為最初在嚙齒類動物中發(fā)現(xiàn)（Harriset al.，2009；Harris，2021），后被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于甲殼類（Basil & Sandeman，2000）、人類Homo sapiens（Kallai，2007；Gromeret al.，2021）、魚類（Schnorretal.，2012；Qiuet al.，2017）和昆蟲（Doriaet al.，2019；Chenet al.，2022）等多種生物類群中。

目前對墨西哥麗脂鯉Astyanax mexicanus（Sharmaet al.，2009）、斑馬魚Danio rerio（Schnorretal.，2012）、青鳉Oryzias latipes（Qiuet al.，2017）、金魚Carassius auratus（Watanabeet al.，2021）和部分洞穴盲魚（Wonget al.，2010）等的趨觸行為開展了研究，但對長江代表性魚類的相關(guān)研究還較為缺乏，且已有研究多集中于該行為對壓力和焦慮的表征意義及抗焦慮藥物的篩選方面（Langovaet al.，2023），而對該行為本身的生態(tài)適應(yīng)意義及其在生境保護修復(fù)中的應(yīng)用還少見討論。魚類的趨觸行為表面上與其對捕食者的躲避、對陌生空間的探索，以及在不利的環(huán)境中探索出口等多種因素有關(guān)（Treit & Fundytus，1988；Simonet al.，1994），但其本質(zhì)上是一種對空曠區(qū)域的厭惡與回避，是其與棲息地邊界保持密切接觸的一種表現(xiàn)方式。該行為的強度會因不同物種間行為習(xí)性及視覺能力（Sharmaet al.，2009）等因素的差別而異，且會受到光照強度（Schnorret al.，2012）等環(huán)境因素的影響。另一方面，長江流域水運及水利事業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致各類涉水工程的密度及體量逐年增加，而水工構(gòu)筑物的內(nèi)部和周邊均會產(chǎn)生大面積的空曠區(qū)域。對長江魚類的趨觸行為模式及其在不同魚種間和不同環(huán)境下的差異性進行研究和量化，可為涉水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式的生態(tài)優(yōu)化和魚類生境修復(fù)提供理論指導(dǎo)，如在魚類資源調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)周邊水域魚類的種類分布，指導(dǎo)工程建設(shè)時應(yīng)多大程度上避免硬質(zhì)曠場的出現(xiàn)，或工程建設(shè)后應(yīng)在哪些位置對已有曠場進行生境復(fù)雜化營造和修復(fù)，因此，這一研究對長江魚類棲息地的保護和修復(fù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

表1 本實驗用魚Table 1 Information of fish used in this study

1.2 試驗方法

實驗容器為長50 cm×寬35 cm×高25 cm 的觀測水缸，四面缸壁和底部用灰色不透明顏色紙包裹，以減小周圍環(huán)境的干擾。觀測容器底部被均勻分成面積相等的內(nèi)外2個部分（圖1）。

圖1 測試水缸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test tank

實驗分2個時間段進行，盡量和自然的晝夜節(jié)律保持一致：光照環(huán)境下的實驗在08∶00—18∶00進行，由容器頂部的LED 燈提供均勻的光照，平均光照強度為300 lux，行為觀測設(shè)備為高清CCD 攝像系統(tǒng)（TTQ，中國深圳）。黑暗環(huán)境實驗選擇在18∶00—08∶00 且在全遮光的暗室中進行，行為觀測設(shè)備為紅外夜視高清攝像系統(tǒng)（溫皓電子，中國溫州）。

實驗開始時，容器中注入曝氣自來水，水溫25～27 ℃。每次1 尾魚被輕輕地移入水缸中，5 min適應(yīng)后，攝像頭和配套拍攝軟件開始對其行為狀態(tài)進行拍攝，每尾魚拍攝4 h，使用matlab 2017b 自編程序?qū)σ曨l中的實驗魚進行檢測和位置識別判定，通過在程序中預(yù)先設(shè)置中心區(qū)域和外圍區(qū)域的分界線，程序自動統(tǒng)計實驗魚在2個區(qū)域的累計停留時長并生成相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)實驗魚至少50%的身體位于某區(qū)域時方判定其位于該區(qū)域內(nèi)，程序同時生成實驗魚的軌跡路線圖和分布熱度圖。

此外，使用自編程序?qū)ε臄z的視頻進行幀分割和幀提取，每60 s 抽取1 幀，對每幀中實驗魚的行為狀態(tài)進行人工識別，統(tǒng)計每種行為模式出現(xiàn)頻次。對于每組實驗，每種魚均使用6 尾進行6 次重復(fù)，每尾魚只使用1 次，每次實驗后均換掉缸中水體并進行清洗，以減小前一尾魚釋放的信息素對后一尾魚行為的干擾。實驗過程均經(jīng)過交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所生物實驗倫理委員會批準。

1.3 統(tǒng)計分析

分別使用Kolmogorov-Smirnov 和Levene 法對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布和方差齊性檢驗。同種魚外圍區(qū)域停留時長在晝夜間的差異及不同魚類物種之間外圍區(qū)的停留時長差異采用單因素方差分析和多重比較（最小顯著差異法）進行組間差異分析。所有數(shù)據(jù)分析在SPSS 20.0 中進行。使用基于mat?lab 2017b 的自編程序?qū)嶒烎~在實驗容器中的運動軌跡進行識別和追蹤。由于黑暗環(huán)境中紅外攝像頭拍攝畫面分辨率較低，對實驗魚游動軌跡的追蹤效果較差，因此，本研究僅將每種魚在光照環(huán)境實驗中的運動軌跡進行疊加，生成每種魚在光照環(huán)境下的典型行為軌跡線圖和軌跡熱度圖。

2 結(jié)果

2.1 趨觸行為

在光照環(huán)境（圖2：a；P<0.001）和黑暗環(huán)境（圖2：b；P<0.001）的測試中，6 種魚在外圍區(qū)域的停留時長均極顯著大于中心區(qū)域。光照環(huán)境下，黃顙魚在外圍區(qū)域的停留時長最長，為238.33 min±1.16 min，在外圍區(qū)域的停留時長最短，為184.67 min±9.22 min；黑暗環(huán)境下，胭脂魚在外圍區(qū)域的停留時長最長，為234.17 min±1.02 min，長吻在外圍區(qū)域的停留時長最短，為211.50 min±2.14 min。以實驗魚在外圍區(qū)域的停留時長表征趨觸行為強度，則6種魚趨觸行為強度在光照環(huán)境下從大到小依次為：黃顙魚>胭脂魚>巖原鯉>長吻>鳙>；黑暗環(huán)境下從大到小依次為：胭脂魚>鳙>黃顙魚>巖原鯉>>長吻。

圖2 光照（a）及黑暗（b）環(huán)境下實驗魚在2個區(qū)域的停留時長Fig. 2 Dwell time of experimental fish in two areas under light （a） and dark （b） environments

在光照環(huán)境（圖2：a，P<0.001）和黑暗環(huán)境（圖2：b，P<0.001）下，6 種魚類趨觸行為強度的種間整體差異達到極顯著。各種類兩兩間比較結(jié)果表明，光照環(huán)境下，除長吻與巖原鯉（P=0.771）、胭脂魚與巖原鯉（P=0.072）、胭脂魚與黃顙魚（P=0.268）、長吻與胭脂魚（P=0.059）4個組合外，其他各組兩兩間均有顯著差異（P<0.05）。黑暗環(huán)境下，與長吻（P=0.667）、鳙與胭脂魚（P=0.125）、鳙與黃顙魚（P=0.871）、鳙與巖原鯉（P=0.060）、巖原鯉與黃顙魚（P=0.072）、黃顙魚與胭脂魚（P=0.092）之間無明顯差異，其他魚類兩兩之間均有顯著差異（P<0.05）。

行為軌跡分析表明，黃顙魚（圖3：f）、巖原鯉（圖3：e）、胭脂魚（圖3：d）和長吻（圖3：b）的活動軌跡線在外圍區(qū)域密集，中心區(qū)域極為稀疏，鳙（圖3：c）在中心區(qū)域的軌跡線密度較密，在中心區(qū)域的軌跡線最密，且在整個實驗空間分布較為均勻（圖3：a），軌跡熱度圖也顯示了類似特征（圖4）。另外，趨觸行為較強的巖原鯉（圖4：e）和黃顙魚（圖4：f）在角落位置的分布熱度最高。

圖3 實驗魚的運動軌跡Fig. 3 Motion trail of experimental fish

圖4 實驗魚的軌跡熱度圖Fig. 4 Heat map of motion trail of experimental fish

2.2 光照與黑暗環(huán)境下的趨觸行為差異

除胭脂魚外，其他5種魚的趨觸行為強度在光照環(huán)境和黑暗環(huán)境之間均有顯著差異（P<0.05）。（亮：184.67 min±9.22 min，暗：212.83 min±9.07 min）和鳙（亮：216.33 min±7.83 min，暗：229.33 min±4.45 min）在光照環(huán)境下的趨觸行為強度低于黑暗環(huán)境，長吻（亮：227.17 min±6.15 min，暗：211.50 min±2.14 min）、巖原鯉（亮：228.17 min±3.06 min，暗：222.33 min±3.54 min）和黃顙魚（亮：238.33 min±1.17 min，暗：228.83 min±4.22 min）則相反（圖5：a）。

圖5 光照和黑暗環(huán)境下外圍區(qū)域停留時長（a）和“頭部觸壁模式”出現(xiàn)頻次（b）Fig. 5 Dwell time in the outer area （a） and frequency of ‘head touching wall’ pattern （b）in the light and dark environments

除外圍區(qū)域停留時長外，6 種魚的游動模式總體可歸為2 類：“頭部觸壁模式”，即實驗魚以頭部直接觸碰缸壁，身體與缸壁呈現(xiàn)出一定的夾角；“頭部離壁模式”，即魚體以平行于缸壁的形式靠近缸壁或在中心區(qū)域活動等（圖6）。光照環(huán)境（P<0.001）和黑暗環(huán)境（P<0.001）下，6 種魚“頭部觸壁模式”的出現(xiàn)頻次整體存在極顯著的種間差異。且（P<0.001）、鳙（P<0.001）、巖原鯉（P<0.001）和胭脂魚（P<0.01）的“頭部觸壁模式”出現(xiàn)頻次在光照環(huán)境和黑暗環(huán)境下也存在極顯著差異（圖5：b）。

圖6 2種游動模式示意Fig. 6 Diagram of two swimming patterns

3 討論

盡管本文6種魚類均有明顯的趨觸行為，但不同魚種的行為狀態(tài)存在差異。根據(jù)已有資料和野外觀測記錄，這6 種魚自然狀態(tài)下的分布水層不同：黃顙魚（李明鋒，2010）與長吻（林顯道等，2009）分布于底層，巖原鯉（蔡焰值等，2003）與胭脂魚（周學(xué)金等，2015）分布于中下層，鳙（詹斌桂，2018）分布于中上層，則主要分布于上層，喜貼近水面集群游動。因此，光照環(huán)境下6種魚趨觸行為強度與其自然棲息水層具有一定的關(guān)聯(lián)規(guī)律，總體呈現(xiàn)出從上層魚到下層魚逐漸增強的趨勢。

本文對長江代表性魚類趨觸行為的探索能夠為長江涉水工程構(gòu)筑物周邊曠場區(qū)域魚類棲息地營造及生境修復(fù)提供一定的行為學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。魚類在典型曠場中的趨觸行為是一種壓力和焦慮的反應(yīng)，它與魚類對捕食者的躲避、對陌生空間的探索、對空曠區(qū)域的恐懼，以及在不利的環(huán)境中尋找離開的出口等行為有關(guān)（Treit & Fundy?tus，1988；Simonet al.，1994）。當(dāng)前長江流域中的攔水壩、丁壩、梳齒壩、護岸、護坡等多種涉水工程構(gòu)筑物均會在周邊水域形成或大或小的典型曠場，如攔水壩的邊緣區(qū)域及丁壩的壩田內(nèi)等。由于工程構(gòu)筑物附近獨特的水沙環(huán)境（如丁壩壩田區(qū)域的淤積效應(yīng)），上述區(qū)域形成的曠場內(nèi)往往少有水生植被等躲避物，當(dāng)魚類由于覓食或躲避捕食者而誤入該區(qū)域時，忽然出現(xiàn)的空曠區(qū)域可能會激發(fā)魚類內(nèi)在的焦慮和恐懼本能，從而誘發(fā)趨觸性，因此在曠場的邊緣區(qū)域適當(dāng)增大生境復(fù)雜度或避免出現(xiàn)過于空曠的區(qū)域可為長江涉水工程周邊的魚類提供更加適宜的生境。此外，本研究結(jié)果還表明棲息水層更低、躲避性更高的魚類具有更強的趨觸性。因此，在長江涉水工程魚類生境營造中，可根據(jù)相關(guān)水域的魚類物種組成調(diào)查結(jié)果，采用相應(yīng)的復(fù)雜生境營造強度，可在最大程度契合魚類棲息的同時，減輕工程的作業(yè)成本。