三峡库区香溪河鱼类资源水声学探测效果的昼夜差异研究

连玉喜叶少文黄 耿Małgorzata Godlewska王静雅刘家寿李钟杰

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 波兰科学院国际研究所生态水文学欧洲区研究中心, 罗兹 90364, 波兰)

三峡库区香溪河鱼类资源水声学探测效果的昼夜差异研究

连玉喜1,2叶少文1黄 耿1,2Małgorzata Godlewska3王静雅1,2刘家寿1李钟杰1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 波兰科学院国际研究所生态水文学欧洲区研究中心, 罗兹 90364, 波兰)

三峡大坝的建设和运行很大程度上改变了库区的生态环境, 如水文特征、水生生物等, 势必影响到鱼类群落结构及分布。由于受到空间范围和生境复杂性等因素的制约, 传统的鱼类资源调查方法在大型深水水库实施时存在费时费力、误差大等问题, 而水声学探测法作为一种新型评估方法具有高效快捷、不损伤调查对象等优点, 在国内外大水面鱼类资源调查中得到广泛的应用[1—3], 在三峡库区的鱼类资源评估中也有过成功尝试[4,5], 主要用于研究鱼类资源现状及其与环境因素和渔业活动的关系。

水声学评估的可靠性通常受水域环境、天气、调查路线和时间等诸多因素的影响[1,2,6], 由于鱼类行为节律的变化, 不同探测时间的评估结果也会存在差异。已有研究表明鱼类存在昼夜垂直迁移现象[7—9], 白昼期间多数鱼类喜欢在水底集群, 夜晚则向表层的温暖水域迁移[10,11],加之回声探测仪存在水底探测盲区, 因而造成白昼探测的鱼类密度偏低[11—14]。同时也有研究指出, 尽管某些水域夜间探测的鱼类密度较高, 但由于白昼探测的鱼类平均个体更大, 反映的生物量反而更高[15]。因此, 我们选择在三峡库区典型支流香溪河开展研究, 比较鱼探仪探测的鱼类密度和个体大小分布昼夜差异, 在此基础上确定适宜的探测时间, 以提高三峡水库鱼类资源水声学探测方法的标准化程度和评估结果的可靠性。

1 材料与方法

1.1 研究地点

选择三峡水库在湖北省境内的最大支流香溪河作为实验地点。香溪河发源于神农架山脉南麓, 自然落差1540 m, 为峡谷型河流, 拥有九冲河、古夫河、高岚河三条主要支流, 由北向南贯穿兴山县全境, 于秭归县香溪镇汇入长江, 干流全长94 km, 流域面积3099 km2[16]。香溪河为峡谷型河流, 河面平均宽度约为400 m, 地形起伏变化较大, 三峡水位高程160 m时平均水深约为30 m, 适合开展水声学探测。

1.2 实验设计

仪器设备 水声学探测设备为Simrad EY60型分裂波束回声探测仪, 换能器频率为120 kHz, –3 dB波束宽为7°。调查时功率设定为100 w, 脉冲宽度选择128 μs, 以最快的频率发射脉冲(约为 10 pings/S)。GPS导航仪为Garmin GPSmap 60CSx型, 数据采集采用EY60的配套软件ER60, 实时采集GPS导航仪中的地理坐标数据, 与回声探测仪数据一起储存。调查船只为铁质渔船, 全长13 m,宽2.1 m, 功率14.7 kw, 实验期间航速为8—10 km/h。

探测路线和时间 探测区域(N 30.960745°-N 31.122706°, E 110.746355°-E 110.800157°)为高岚河汇入香溪河前的河段以及香溪河从峡口镇至入库河口的河段(图1)。白昼和夜晚的探测时间分别为2013年5月22日12:40-16:00和20:20-24:00。探测时采用“Z”形航线(图1), 每次的探测航程约为25 km。超声波换能器固定于船体右侧, 距离船首约 1/3船长, 位于水面以下约 0.5 m,调整角度使得声波主轴垂直向下。探测前对设备进行校正[17], ER60数据采集程序的水温数据通过YSI 6600V2测得。

图1 香溪河水声学探测区域及路线Fig. 1 Detection area and routes of hydroacoustic survey in the Xiangxi River

1.3 数据处理及分析

使用Echoview软件处理ER60程序采集到的水声学原始数据。首先对回声映像进行水底自动识别, 后经人工修正, 提取换能器前方1米至水底的数据。根据声学映像中信号目标强度(Target Strength, TS, 单位dB)的分布将背景噪声阈值设置为–70 dB。根据此次探测时回声映像中噪声较多, 鱼类集群信号极少的特点, 采用轨迹追踪的方法对鱼体信号进行判别。Echoview中集成了多种判别单个目标的方法, 分裂波束单体目标判别方法 2适合判别 EY60分裂波束回声探测仪所探测数据中的单个目标。分裂波束单体目标判别方法2和鱼体轨迹追踪参数设置如下(表1、表2)。

将声学映像划分为多个探测单元, 每个单元航程200 m,根据轨迹追踪计数和探测水体计算各单元鱼类密度[18]:

式中, ρ为单位水体鱼类数量, 即鱼类体积密度； N为探测到的鱼类总数量； P为分析数据的ping数量； V为每个ping探测的水体体积； θ和φ分别为换能器的横向和纵向方向的有效检测角度； R2为探测位置水深； R1为换能器前方1 m以外的水深。

根据河流汇入情况和距离河口的远近将香溪河调查区域划分为高岚河、上游、中游、下游和河口5个区域(图1), 参照唐启升等[19]对北太平洋狭鳕资源量及凌建忠等[20]对东海头足类资源量的估算方法, 计算各区域的鱼类平均密度。

表1 分裂波束单体目标判别方法2参数设置Tab. 1 Parameter used in single target detection split beam method 2

表2 轨迹追踪参数设置Tab. 2 Parameters for fish tracking

2 结果

2.1 鱼类密度昼夜差异评估

图2为2013年5月22日白昼和夜晚水声学探测到的香溪河鱼类密度分布情况(–68 dB≤TS≤–30 dB)。分析全河流情况, 白昼和夜晚鱼类密度变动区间分别为 11.4—377.3 ind./1000 m3和58.4—391.2 ind./1000 m3； 运用加权平均法计算香溪河鱼类总体密度, 夜晚值(53.4 ind./1000 m3)高于白昼(25.5 ind./1000 m3)； 从局部水域来看, 相同水域夜晚的探测结果也要高于白昼, 成对样本 T检验分析结果表明各水域鱼类密度昼夜差异显著(df=4, P=0.019), 夜晚水声学探测的鱼类密度是白昼的1.0—4.2倍。

2.2 鱼类大小组成昼夜差异评估

图 3为白昼和夜晚水声学探测香溪河鱼类目标强度(–68 dB≤TS≤–30 dB)的分布特征。水声学探测的鱼类个体大小通过目标强度TS来表示, TS越大对应的鱼类个体越大, 反之亦然。从白昼和夜晚水声学探测的鱼类信号TS分布来看, 昼夜 TS峰值均在–61— –59dB附近, 但白昼探测结果中高 TS所占的比例较夜晚稍大, 换言之, 白昼较夜晚探测到更高比例的大个体鱼类信号。运用卡方检验分析鱼类TS昼夜分布的差异, 结果表明两者存在显著性差异(df=18, P＜0.001)。经过计算, 夜晚鱼类的平均 TS为(–54.2±3.6) dB, 白昼鱼类的平均TS为(–52.8±2.7) dB,采用公式(3)和(4)计算香溪河鱼类的生物量:

TS=20lgTL–71.9 (3)

其中, (3)为Foote 建立的有鳔鱼类TS-TL的换算公式[21], (4)为鲤科鱼类中的常见鱼类鲢的全长-体重经验公式[22]。据此, 香溪河鱼类生物量白昼的评估结果为 436.8 g/1000 m3,夜晚为 567.9 g/1000 m3, 由此可见, 尽管白昼探测鱼类个体较夜晚探测个体大, 但由于夜晚鱼类密度远高于白昼,因此, 夜晚探测鱼类的生物量仍要高于白昼。

3 讨论

本研究表明水声学方法对香溪河鱼类夜间的探测密度要高于白昼, 国内外的许多研究也证实夜晚水声学探测的鱼类密度会高于白昼[14,15], Lyons等对特伦托河鱼类密度的探测表明夜晚探测结果是白昼的 2.4—11.0倍[13],其原因可能在于鱼类昼夜行为节律的差异, 而鱼类昼夜行为节律差异的成因主要包括以下几个方面。首先是昼夜环境对对饵料生物资源分布的影响, 光照和温度促使浮游生物出现昼夜垂直迁移行为, 间接影响到以浮游生物为饵料的鱼类的活动[23,24], 白昼大多数鱼类倾向于向水底移动, 并且贴近水底, 以至于水声学难以探测到。其次是昼夜条件对鱼类捕食和反捕食关系的影响, 大多数肉食性鱼类的捕食活动很大程度上依赖于视觉, 因此小型饵料鱼降低白昼的活动频率有助于逃避敌害[25,26]。另一方面, 个体较大的鱼类具有较强的反捕食能力, 其所受的被捕食压力远小于小个体鱼类[27,28], 因此大个体鱼类在白昼的活动频率较小个体高, 这可能是造成白昼探测的鱼类目标强度更大的原因。

图2 水声学方法探测的香溪河不同水域鱼类昼夜密度Fig. 2 Daytime and night-time fish densities in different sections of the Xiangxi River assessed by hydroacoustic method

图3 水声学方法探测的香溪河鱼类昼夜目标强度分布Fig. 3 Daytime and night-time Target Strength distributions of fish in the Xiangxi River detected by hydroacoustic method

提高运用水声学评估鱼类资源的准确性, 需要保证探测到的鱼类密度和个体大小的代表性。根据本研究的结果, 水声学方法评估鱼类密度昼夜差异显著, 夜晚探测密度是白昼的 1.0—4.2倍； 尽管鱼类大小组成存在昼夜显著性差异, 但夜晚评估的鱼类生物量仍要远高于白昼。因此, 从加强鱼类资源水声学评估方法的标准化和评估可靠性来考虑, 在保证安全的前提下, 三峡水库鱼类资源的水声学评估宜在夜间进行。

本研究尚存在一些不足, 在实验时间方面, 只在春季开展了实验, 鉴于鱼类活动随季节的变化, 有必要在其他季节也开展类似实验； 在实验地点方面, 本次选择三峡库区典型支流香溪河, 库区干流鱼类昼夜行为节律对水声学评估的影响也有待进一步研究。

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DIURNAL VARIATION OF FISH RESOURCE ESTIMATED BY HYDROACOUSTICAL METHOD OF XIANGXI RIVER IN THE THREE GORGES RESERVOIR

LIAN Yu-Xi1,2, YE Shao-Wen1, HUANG Geng1,2, GODLEWSKA Małgorzata3, WANG Jing-Ya1,2, LIU Jia-Shou1and LI Zhong-Jie1
(1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, 430072, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China； 3. International Institute of Polish Academy of Sciences, European Regional Centre for Ecohydrology under the Auspices of UNESCO, ul. Tylna 3, Łódź 90364, Poland)

香溪河； 渔业水声学； 鱼类资源量评估； 昼夜差异

Xiangxi River； Fisheries acoustics； Fish resource assessment； Diurnal variation

S931.1

A

1000-3207(2015)05-1041-05

10.7541/2015.136

2015-02-16；

2015-03-09

公益性行业(农业)科研专项经费(201303056-1)； 中国长江三峡集团公司科研项目(CT-12-08-01)； 农业部淡水生物多样性保护重点实验室课题(LFBC0806)资助

连玉喜(1986—), 男, 湖北随州人； 博士研究生； 研究方向为渔业生态学。E-mail: lianyx177@163.com

叶少文, E-mail: yeshw@ihb.ac.cn