天然河道中鱼类对水深、流速选择特性的初步观测——以长江江口至腳市段为例

杜 浩，班 璇，张 辉，危起伟，陈大庆

（1．中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，江苏无锡 214081；2．中国水产科学研究院长江水产研究所，农业部淡水生物多样性保护与利用重点开放实验室，湖北荆州 434000；3．中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077）

天然河道中鱼类对水深、流速选择特性的初步观测
——以长江江口至腳市段为例

杜 浩1，2，班 璇3，张 辉1，2，危起伟1，2，陈大庆1，2

（1．中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，江苏无锡 214081；2．中国水产科学研究院长江水产研究所，农业部淡水生物多样性保护与利用重点开放实验室，湖北荆州 434000；3．中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077）

将长江江口至腳市天然河道的鱼类水声学调查数据和水文学观测数据相结合，在对流速和水深空间插值基础上，提取不同鱼类规格和密度对应水深和流速的特征值，从而研究鱼类对天然河道中水层平均流速、水深2个环境因子的选择特性。研究结果表明：①不同规格的鱼对流速和水深的选择存在差异，规格小的鱼选择了较低的流速和较宽的流速范围，规格大的鱼选择了较高的流速和较窄的流速范围；规格小的鱼选择的水深明显高于规格大的鱼，喜好的水深范围也宽于规格大的鱼。②鱼类密度对流速的选择性不明显，但对水深的选择性明显，即深水区鱼类密度较高。③研究江段范围内江口镇附近江心洲两侧流速变幅范围较其上、下游江段宽，并且江心洲两侧鱼类的分布密度也高于其邻近上、下游段鱼类密度。可见，江心洲的存在提供了流速多样性格局，丰富了鱼类生境的多样性。本研究方法可为评价河流栖息地适宜性及生态功能提供借鉴。

天然河道；流速；水深；栖息地；江心洲

1 概 述

随着全球水生生物多样性下降的趋势日益明显，水生生物对河流栖息地生境需求研究（产卵场、索饵场、越冬场等的自然生态条件需求），河流栖息地的生境特点研究（流速、水深、河床形态、河床质等特点）以及两者相结合在鱼类栖息地保护与恢复和河流健康评价中的应用研究逐渐受到关注［1－3］。河流生物栖息地的相关研究是河流生态修复和流域环境管理的重要基础［4］。鱼类作为河流水生生物的主体之一，不仅代表了水生生物物种的多样性，它们对河流的生境需求还体现了河流生境复合体的多样性。人们在研究生物对环境因子喜好参数时常常是通过实验室内模拟获得，再应用于天然河流栖息地的评估中［5，6］，然而直接获取鱼类在天然河道中的选择特性更有实践意义［7，8］。天然河道在鱼类迁移、栖息、觅食和繁殖等生活史过程中或多或少扮演着通道、走廊或关键栖息地的作用［9］。因此，了解天然河道中鱼类对其自然形成环境的利用程度和选择特性，是合理评估该江段河流生态功能的关键［4，10］。天然河道中自然存在着高水位、低水位（高流速、底流速），鱼类会很自然地选择或逃避所处环境。我们认为，鱼类对所处环境的选择是鱼类在当时条件下的最佳选择或过渡性选择，并非一定是最适合的选择，如果从鱼类对流速和水深方面选择特性考虑，在河段的不同位置由于水深和流速的分布不同，对鱼类来说其生态功能也有所不同，因而一些地方是适宜鱼类的栖息地，另一些地方则是不适宜的。因此，了解鱼类在自然条件下的选择特性对于鱼类自身生态习性及河流栖息地评估都有重要的意义。目前国内外逐渐注重收集自然河流鱼类栖息分布情况，并作为栖息地保护恢复的重要依据［1，7，11］。考虑到长江江段多为深水河流，且江水浑浊，国外所采用的潜水法和定位观测法不太适合于我国的长江河道。本研究利用水声学探测法来观测自然河段不同位置的鱼类密度和鱼类全长规格，结合同步测量的水文学数据来研究鱼类对水深和流速的选择特性。同时，由于该天然河道具有江心洲，我们想了解江心洲是否会对河流流速及鱼类分布产生影响。

2 研究区域与研究方法

2．1 研究区域

本研究涉及的天然河道范围为长江中游江口至腳市江段，全长2 200 m左右，平均河宽1 600 m，平均水深为8 m，是典型的宽浅平原河流；且该江段有多处江心洲，形成分支。该江段根据四大家鱼卵苗发生情况推算为四大家鱼的潜在产卵场，因此，在2006－2008年期间，项目组在该江段同期开展了水声学探测和水文学测量工作（图1）。

图1 长江江口至腳市江段流速监测断面Fig．1 The transects ofmeasured velocity in the reach from Jiangkou Town to Yuanshi Town in the Yangtze River

2．2 河流水文学数据采集与提取

2008年6月、7月期间，对全江段采用Nevcom公司SF2050型高精度差分GPS导航仪和RDIADCP进行各监测断面的走航式测量（控制各断面流量误差范围＜3%），其中布线断面为1＃－9＃（图1），实际采集中，在1＃－9＃之间等间距加密测量（测量断面间距500～600 m）。全江段测流时间一般在6～8 h内完成。测流数据通过WinRiver软件导出为ASCII文件后编程提取水层平均流速值、垂向平均流速和流速方向。

2．3 水声学数据采集与提取

2008年6月、7月期间，对全江段采用Biosonics DT－X科学回声仪进行鱼类水声学数据采集，采集时间和水文数据同期进行，在相同流量下对全江段进行“Z”字形探测。通过多次探测鱼探数据叠加形成全江段水深数据。参考张惠杰等对长江主要经济鱼类的水声学测量［12］结果通过Visual Analyzer软件对鱼类回声信号和鱼类密度数据进行分析，采用经典有膘鱼类的全长与水声学目标强度关系式（TS＝201gTL－72．5）获取鱼类的全长分布数据［13］。根据该江段的渔获物采样，该江段主要分布鱼类有草鱼、鲢鱼、铜鱼、黄颡鱼、鳜鱼、餐条等，渔获物体集中分布在10～50 cm范围内，据此对该水声学数据进行了筛选，获得采样点对应的鱼类密度和鱼类全长规格数据。

2．4 数据分析

数据分析和绘图在Arcgis 9．2地理信息系统中完成。对流速和地形进行空间插值，获得全河段流速和水深空间分布图。将水声学数据提取的鱼类TS值对应的鱼体规格分布点和鱼类密度分布点导入ArcGIS中，利用重分类工具（Reclassify）对鱼类密度和鱼类规格进行不同等级的空间分类，提取出不同等级区域中对应的流速和水深值，然后在SPSS13．0下进行不同等级下流速和水深统计分析。

3 结 果

3．1 长江江口至腳市段水深和流速分布特征

研究期间，长江江口至腳市段水深特征：上游河段的水深较浅，水深范围基本在2．5～10 m的范围内，中游河段左岸的水深在10～15 m范围内，右岸水深在0～10 m范围内，左岸的水深比右岸的深；下游河段，从第2个江心洲开始，左岸的水深范围都在0～10 m范围内，右岸的水深在10～15 m范围内，左岸的水深比右岸浅，且在第3个江心洲两侧水深差别明显，江心洲右岸的水深明显比左岸深（图2）。

图2 研究江段的水深分布图Fig．2 The distribution of water depth of the studying area

研究期间，长江江口至腳市江段水层平均流速分布特征：上游河段的流速较小，流速范围基本在1．31～1．37 m／s的范围内，而从第1个江心洲开始，左岸流速开始变大，流速范围在1．53～1．69 m／s，右岸流速小于左岸，大多在1．37～1．53 m／s范围内；中游河段左岸的流速在1．53～1．69 m／s范围内，右岸流速稍小，在1．37～1．53 m／s范围内，左岸的流速比右岸的大；下游河段，从第2个江心洲开始，左岸的流速范围在1．37～1．53 m／s范围内，右岸的流速在1．53～1．69 m／s范围内，左岸的流速比右岸小，且在第3个江心洲两侧流速差别明显，江心洲右岸的流速明显比左岸大（图3）。

图3 研究江段水层平均流速分布图Fig．3 The distribution of depth-averaged water velocities of the studying area

3．2 不同规格鱼对流速、水深选择特性

根据该江段渔获物数据，我们对水声学数据进行了筛选，选择了估算全长在10～50cm鱼类的分布数据，并把该全长范围内的鱼类规格分为4个等级（表1）。水声学数据显示，研究河段内探测的鱼类全长规格以10～20 cm居多；20～50 cm较大规格主要分布于第3个江心洲左岸（图4）。统计分析表明，全长30～50 cm鱼所处环境的平均流速要高于10～20 cm鱼所处环境的平均流速（p＜0．05），并且随着鱼类全长的增加，鱼类所处流速范围的幅宽比呈减少趋势（表1），即鱼类选择流速范围的幅宽比随着鱼类全长的增加而减少。这说明，随着鱼体规格的增加，鱼类控制自身的能力增强，选择自己偏好的流速能力增强，这同时也说明了较大规格的鱼对流速的敏感性更强。在水深选择方面，10～20 cm鱼所处的水深范围明显大于20～50 cm鱼所处的水深范围（p＜0．05），且随着鱼类全长的增加，鱼类所处的水深范围宽幅比呈减少趋势（表1），这也许与流速选择有关。因为水深较深的地方，流速从底层到表层的变化范围也较大，提供了多样的流速选择环境。

3．3 鱼类分布密度与流速和水深的关系

根据该江段的鱼类密度大小，以10的幂次方为数量级将密度分成3个等级（表2，图5）。通过提取各鱼类密度分布点所在处的水深和流速值，来分析不同密度鱼类对水流的选择特性。统计结果表明，3个梯度的密度对流速选择没有显著的差异，较高密度鱼所处的平均流速幅宽比较大，但不同密度鱼对水深选择有明显的差异（p＜0．05）；表现为较高鱼类密度区（0．01～0．1）的水深范围要明显宽于较低鱼类密度区（0～0．01），这说明水越深，分布的鱼类数量就越多。由于本研究江段主要是10～20 cm小规格鱼，这与上文分析的较深的水深具有较宽的流速范围，而10～20 cm小规格喜欢这样的环境，从而导致鱼类分布密度增高的结果是一致的。

3．4 江心洲两侧流速及鱼类密度的差异

本研究范围内的河段上游江口镇处有一江心洲，我们在江心洲两侧同时测量了鱼类密度和水流流速，期望了解江心洲是否对流速和鱼类分布产生影响。

从江心洲两侧的流速大小分布图上可以看出，江心洲左岸的流速范围大多在1．53～1．69 m／s范围内，右岸的流速范围大多在1．37～1．53 m／s范围内，江心洲的上游和下游段流速较为一致，而两侧流速变化较大，江心洲的存在改变了河段流速分布，江心洲两侧的流速范围也比其临近下游段的流速范围广。同样，江心洲两侧的鱼类密度也高于其临近下游段的鱼类密度，这与两侧的流速分布及水深应该有紧密的联系。江心洲在改变河流流速分布方面起到重要作用，可以丰富河流生境多样性，从而为鱼类提供更多的栖息环境。

表1 不同规格鱼类对自然河段流速、水深的选择特性Table 1 The preference of different sized fishes to water velocity and depth

表2 鱼类分布密度和流速、水深的关系Table 2 The relationship of fish density to water velocity and depth

图4 基于水声学的鱼类全长分布Fig．4 The distribution of total length of fish from hyd ro-acoustic data

图5 基于水声学的鱼类密度分布Fig．5 The distribution of fish density from hydro-acoustic data

图6 江心洲周围流速分布及鱼类密度分布图Fig．6 The distribution of water velocity and fish density around island

4 讨论与小结

本研究试图将天然河道的鱼类自然分布数据、生物学数据（来源于水声学）和该时期内天然河道所提供的自然环境要素（水层平均流速、水深，来源于水文学）相结合，来获得鱼类在天然河道内对环境因素的选择利用特性，从而了解自然河流鱼类的分布栖息规律，以期为评价天然河流的生态功能提供一种新的尝试。它在不扰动水生生物和天然河道的情况下获得鱼类的自然选择的数据，较实验生物学获得的数据更有生态学意义。本研究受水声学数据的分析局限，目前尚不能将目标鱼群按种类区分［12］，随着今后技术的突破及高精度声纳成像仪等仪器的结合使用，可精确了解目标鱼类的自然选择特性。鱼类的生境需求涉及天然河道的流速、水深、河床形态、河床质等多方面的环境因子，本研究也仅对水深和水层平均流速进行了初步尝试，这也限制了本研究数据分析深度，对于揭示鱼类对流速和水深的选择来说显得不够充足，若采样三维流速场模拟及鱼类精确定位相结合将可揭示更丰富的内容。另外，由于本研究江段范围及时间跨度内的流速变幅较小，同时鱼类个体规格和密度较为均一，影响了数据分析结果的显著性。

根据本研究结果，在该江段内，较小规格的鱼喜好选择较小的流速、较宽的流速范围和水深范围；较大规格的鱼趋向于选择较高的流速、较窄的流速范围和水深范围，可见随着鱼体规格的变大，鱼类自身选择环境的能力增强，能够主动选择喜好的水深和流速范围。从鱼类分布情况来看，鱼类分布密度较高的区域往往是在深水区，这应该与深水区能够提供自底部到表面更丰富的流速范围有关。深水区不仅提供了不同规格鱼喜好的环境，同时也提供了更多的容纳空间，因此密度较高。由于本研究所采用的是水层平均流速，导致鱼类对流速选择特性的数据结果显著性不强。对本研究江段范围内江心洲两侧及其邻近上下游段的流速分布和鱼类密度比较分析表明，江心洲两侧流速变幅范围较其上、下游江段宽，并且江心洲两侧鱼类的分布密度也高于其邻近上、下游段鱼类密度。天然河道所具有的江心洲、支流入汇、河湾浅滩等很自然地丰富了天然河道的生境多样性，对于生物多样性的维持有积极的意义［1，10］。因此，江心洲的存在提供了流速多样性格局，为鱼类提供了多样的栖息环境，丰富了鱼类生境的多样性，在河流栖息地保护决策中应该引起足够的重视。

致谢：感谢李艳华博士生、刘志刚老师在野外数据采集的帮助。

［1］ MICHAEL C，VANZYLLDEJONG C M，COWX IG，et al．An evaluation of instream habitat restoration techniques on salmonid populations in a newfoundland stream［J］．Regulated Rivers：Research＆Management，1997，13：603－614．

［2］ 赵进勇，董哲仁，孙东亚．河流生物栖息地评估研究进展［J］．科技导报，2008，26（17）：82－88．（ZHAO Jin-yong，DONG Zhe-ren，SUN Dong-ya．State of the art in the field of river habitatassessment［J］．Review science＆technology，2008，26（17）：82－88．（in Chinese））（2）：192－197．（in Chinese））

［3］ 李文军，马志军，王子健，等．自然保护区栖息地影响因素的研究［J］．生态学报，1999，19（3）：427－430．（LIWen-jun，MA Zhi-jun，WANG Zi-jian，et al．A study on influential aspects relevantwith habitat in natural reserve［J］．Acta Ecologica Sinica．1999，19（3）：427－430．（in Chinese））

［4］ 石瑞花，许士国．河流生物栖息地调查及评估方法［J］．应用生态学报，2008，19（9）：2081－2086．（SHI Rui-hua，XU Shi-guo．Methods for river habitat survey and evaluation［J］．Chin．J．Appl．Ecol．，2008，19（9）：2081－2086．（in Chinese））

［5］ ALLEN T C，PHELPSQ E，DAVINROY R D，et al．A laboratory examination of substrate，water depth，and light use at two water velocity levels by individual juvenile pal-lid（Scaphirhynchus albus）and shovelnose（Scaphirhyn-chus platorynchus）sturgeon［J］．JAppl Ichthyol．2007，23：375－381．

［6］ BEHROUZ A N，ANDRE SH，MICHEL B，et al．A re-view of statistical methods for the evaluation of aquatic habitat suitability for instream flowassessment［J］．River Research And Applications．2006，（22）：503－523．

［7］ REUTER JM，JACOBSON R B，ELLIOTT C M，et al．Hydraulic and Substrate Maps of Reaches Used by Stur-geon（Genus Scaphirhynchus）in the Lower MissouriRiver［M］．U．S．Geological Survey Data Series 386，2005．

［8］ 张文鸽，黄 强，蒋晓辉．基于物理栖息地模拟的河道内生态流量研究［J］．水科学进展，2008，19（2）：192－197．（ZHANGWen-ge，HUANGQiang，JIANG Xiao-hui．Study on instream ecological flow based on physical habitat simulation［J］．Advances In Water Science．2008，19

［9］ 张欧阳，卜惠峰，王翠平，等．长江流域水系连通性对河流健康的影响［J］．人民长江，2010，41（2）：1－17．（ZHANG Ou-yang，PU Hui-feng，WANG Cui-ping．Im-pact of drainage connectivity on river health in Yangtze River Basin［J］．Yangtze River，2010，41（2）：1－17．（in Chinese））

［10］王晓刚，严忠民．河道汇流口水力特性对鱼类栖息地的影响［J］．天津大学学报，2008，41（2）：204－208．（WANG Xiao-gang，YAN Zhong-min．Effect of hydraulic characteristics of confluent channel on physical habitat for fish communities［J］．Journal of Tianjin University，2008，41（2）：204－208．（in Chinese））

［11］BOOKER D J．Hydraulicmodelling of fish habitat in urban rivers during high flows［J］．Hydrological Processes，2003，（17）：577－599．

［12］张慧杰，杨德国，危起伟，等．葛洲坝至古老背江段鱼类的水声学调查［J］．长江流域资源与环境，2007，16（1）：86－91．（ZHANG Hui-jie，YANG De-guo，WEIQi-wei，et al．Hydro-acoustic survey on fishes in the reach from Gezhouba dam to Gulaobei of the Yangtze river［J］．Resources and Environment in the Yangtze Basin，2007，16（1）：86－91．（in Chinese））

［13］叶昌臣，黄 斌．渔业生物数学［M］．北京：农业出版社，1990：17l－l80．（YE Chang-chen，HUANG Bing．Fishery Biomathcmatics［M］．Beijing：Agriculture Press．1990：17l－l80．（in Chinese））

（编辑：刘运飞）

Prelim inary Observation on Preference of Fish in Natural Channel to W ater Velocity and Depth：Case Study in Reach of

Yangtze River from Jiangkou Town to Yuanshi Town DU Hao1，2，BAN Xuan3，ZHANG Hui1，2，WEIQi-wei1，2，CHEN Da-qing1，2
（1．Freshwater Fisheries Research Center，Chinese Academy of Fisheries Science，Wuxi 214081，China；2．Key Laboratory of Freshwater Biodiversity Conservation and Utilization of Ministry of Agriculture of China，Yangtze River Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Jingzhou 434000，China；3．Institute of Geodesy and Geophysics．Chinese Academy of Science，Wuhan 430077，China）

On the basis of the hydrology observed data and hydro-acoustically surveyed data in the reach of Yangtze River from Jiangkou Town to Yuanshi Town，the preference of the fish in the natural channel to the water velocity and depth is analyzed by themethod of interpolation in air space of water depth and velocity corresponding to the fish density and fish size．The results show as follows：Different sized fishes have different preferences to the water velocity and depth．Smaller fishes prefer lower velocities and wider range of velocity，while larger fishes prefer higher relocities and narrower range of velocity．The depths smaller fishes enjoy are higher than those larger ones do；the range of the depths smaller fishes enjoy ismore than that larger ones do．The fish density is not directly re-lated to the water velocity，but to the depth，fish density is higher in the deeper water．The distribution features of the water velocity and fish density are different around the island in the reach of Jiangkou Town，which shows due to the diversity existence of velocity near the island may supplymore suitable environments for fish．This prelimina-ry study could provide some references to the assessment of the habitat suitability and ecology function of a river．

natural channel；water velocity；water depth；habitat；island

X826

A

1001－5485（2010）10－0070－05

2010-08-19

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（中国水产科学研究院淡水渔业研究中心）资助；水利部公益行业科研专项经费资助（200701029），国家自然科学基金资助项目（30490231）

杜 浩（1981-），男，湖北襄阳人，助研，硕士，主要从事濒危鱼类保护研究，（电话）0716-8121896；（电子信箱）duhao＠yfi．ac．cn。

危起伟（1960-），男，江西德安人，二级研究员，博士，主要从事鱼类生态和资源保护研究，（电话）0716-8128881，（电子信箱）weiqw＠yfi．ac．cn。