三峡水库香溪河库湾基于初级生产力的渔产潜力估算

张 琪陈 磊潘婷婷袁轶君高 勇毕永红胡征宇

(1. 中国科学院水生生物研究所, 中国科学院藻类生态学重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 中国长江三峡集团公司枢纽运行管理局； 三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室, 宜昌 443133)

三峡水库香溪河库湾基于初级生产力的渔产潜力估算

张 琪1,2,3陈 磊1,3潘婷婷1,2袁轶君1,2高 勇1,3毕永红1胡征宇1

(1. 中国科学院水生生物研究所, 中国科学院藻类生态学重点实验室, 武汉 430072； 2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 中国长江三峡集团公司枢纽运行管理局； 三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室, 宜昌 443133)

于 2013—2014年在三峡水库香溪河库湾开展了浮游植物初级生产力的调查, 并分别采用营养动态模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型计算了该库湾滤食性鱼类的渔产潜力, 以此来评估其水体承载量。结果表明, 香溪河库湾初级生产力具有显著的时空异质性； 据此计算的渔产潜力显示了空间差异和季节动态； 高岚河水域的渔产潜力较其他水域要大； 夏季渔产潜力最大, 从大到小依次为春季、秋季、冬季。上述方法计算的滤食性鱼类渔产潜力分别为7.3×103、1.046×104、1.256×104和2.064×106kg/y。除了Downing模型外, 其他方法的估算结果较接近渔业资源量的真实状况。以3个模型计算的渔产潜力为核算依据, 确认该库湾滤食性鱼类的水体承载量约为104kg, 最大持续捕捞量可达5×103kg/y。研究结果可为三峡水库支流库湾渔业资源的可持续利用提供必要的技术支撑。

初级生产力； 渔产潜力； 生态容量； 香溪河库湾； 三峡水库

初级生产力是自养生物在单位时间、单位空间内吸收太阳光能将无机物合成有机物的能力[1]。水体初级生产力不仅直接决定水体浮游动物的生产能力, 而且反映水体渔业生产潜力。Downing等[2]对全球 20个淡水湖泊的研究显示渔业资源量与水体浮游植物初级生产力显著相关(R2=0.79), 论证了利用初级生产力估算渔业资源量的可行性, 并提出相关核算的模型方法。卢振彬等[3]应用营养动态模式和Cushing模式[4]估算台湾海峡及其邻近海域渔业资源, 王增焕等[5]采用营养动态模型、Cushing模型和Tait沿岸海域生态系统能流模型等 3种方法对南海北部海域的渔业资源量进行评估； 国内用初级生产力估算淡水渔业资源量的研究也常见报道[3—6]。三峡水库目前已有文献报道了渔业资源状况的分析评估工作[7], 但应用初级生产力对渔业资源量进行估算的公开报道尚未发现。

三峡水库因曾其独特的地理位置和自然条件,为许多珍稀、特有和经济鱼类提供了适宜的索饵、繁殖和栖息场所, 鱼类资源丰富。当前由于多种类型和强度的外界干扰导致三峡渔业资源日益减少,三峡渔业资源的保护和合理利用已成为社会公众关注的热点之一。开展三峡渔业资源研究, 认识三峡水域生态系统的状况与变化, 对三峡生态环境保护具有重要的科学意义。由于支流库湾为各种鱼类提供了良好的摄食、栖息、产卵场所, 是三峡渔业资源的主要聚集地, 本文以三峡水库香溪河库湾为研究对象, 通过对初级生产力的调查研究, 开展渔产潜力和生态容量评估, 有助于发展基于饵料生物合理利用的渔业资源调控措施； 本研究结果将为认识三峡水库库湾生态系统的结构功能、开展三峡库湾生态渔业实践以及进行库湾生态修复提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样点设置

香溪河(30°57′—31°34′N, 110°25′—111°06′E)发源于神农架林区, 于秭归县香溪镇东注入长江, 流域面积3099 km2, 距离三峡大坝38 km, 是三峡水库蓄水后最先受到影响的大型支流。蓄水后由于回水顶托形成库湾, 自响滩到河口的库湾全长33 km[8]。本研究按照距离划分上中下游, 设定 4个监测样点, 分别位于香溪河下游HK、香溪河中游XK、香溪河上游PYK和香溪河支流WJW(图1), 每个样点进行6次监测。

图1 香溪河原位调查样点分布图Fig. 1 The location of sampling sites in the Xiangxi River

1.2 初级生产力测定方法

2013—2014年度用黑白瓶测氧法[9]对不同水层(0.5、1.0、2.0、5.0和10.0 m)的初级生产力进行测定, 每两个月对 4个位点分别进行一次实验, 对 4个位点共进行了23次测量。每层设置1个对照、2个白瓶和2个黑瓶, 均为250 mL溶解氧瓶, 用5 L采水器在对应水层取水灌瓶, 灌瓶时确保完全排空瓶内空气, 黑白瓶曝光时间为 24h, 起瓶时用碱性碘化钾和硫酸锰现场固定； 用碘量法测定溶解氧含量。以1 mg O2等于0.375 mg C来换算初级生产力的值[10]。

1.3 渔业资源调查方法

香溪河鱼类资源量调查采用设计调查表的问卷调查方法, 通过发放调查表, 以香溪河沿岸的鱼贩和渔民为调查对象, 获得渔民全年的捕捞种类和数量, 与鱼贩收购的种类和数量进行对比, 确定香溪河的鱼类资源实际捕捞量。

1.4 估算方法

本研究中相关估算使用的参数中, 香溪河的水域面积核算按照全长33 km, 河道平均宽度200 m进行概算, 水域面积约为6.60 km2。此外, 参照文献[11]的数据, 鲢每增重0.5 kg需要消耗60.75 g碳, 鳙每增重0.5 kg需要消耗57.85 g碳, 以此作为依据计算滤食性鱼类的平均碳消耗量为118.6 g/kg, 该数据核算水体的鱼类承载量。资源生物(主要是鱼类)含碳率取13.5%。按照文献[12]的数据和方法, 计算确定香溪河的生态效率为12.6%, 营养阶层转换级数为2.43。

营养动态法(Nutritional dynamic method, NDM)营养动态法就是根据食物链能量流动理论来对渔业资源量进行估算: 将生态系统的消费者分为不同营养层次, 利用各层次之间的生态效率, 可以估算研究对象的生产量[13]。计算公式为:

式中, P为渔业资源生产量； P0为初级营养阶层的生产量, 即浮游植物的生产量； E为生态效率； n为营养阶层转换级数。

本研究中基于香溪河渔业资源调查的结果, 对生态效率取12.6%, 营养阶层转换级数取2.43来估算资源量[5]。

Cushing模型 渔业资源的产碳量等于1%的初级产碳量与10%的次级产碳量之和的一半[4], 即:

G =(0.01P+0.1S)/2

式中, G为渔业资源产碳量, P为初级产碳量, S为次级产碳量。

Tait模型 初级生产力转化为第三级生物(即渔业资源)的效率为 0.015。据此, 渔业资源的估算公式[14]为:

P = µC

式中, P为渔业资源产碳量, µ为生物的转化率, C为总有机碳产量。

Downing模型法 根据大量数据进行拟合,所得到的基于初级生产力的核算模型[2]为:

式中, FP为渔业资源年产碳量[kg/(ha·y), 1kg/ha= 100 kg/km2], PP为年初级生产力[即年初级产碳量, g C/(m2·y)]。

1.5 数据分析

全部数据使用Excel 2007进行计算和整理, 数据采用t检验和单因子方差分析(ANOVA)进行统计分析以确认数据间的差异。

2 结果

2.1 初级生产力的时空格局

对香溪河春季(3—5月, 92d)、夏季(6—8月, 92 d)、秋季(9—11月, 91 d)、冬季(12—2月, 90d)4个季节的平均初级生产力调查结果(表 1)。结果显示, 夏季香溪河年平均水柱日生产力水平最高, 为4.052 g C/(m2·d),冬季最低, 为1.912 g C/(m2·d)。在表1中, 同时计算出有机碳产量, 4个季节的有机碳产量与水柱日生产力的变化趋势一样, 为夏季＞春季＞秋季＞冬季, 最大值出现在夏季, 为3.075×103kg C/km2。统计分析表明, 春夏季显著高于秋冬季(t-Test, P＜0.05)。

香溪河初级生产力的空间分布结果见表 2, 水柱日生产力的分布情况为支流WJW最高, 为4.21 g C/ (m2·d), 上游PYK次之, 为3.51 g C/(m2·d), 下游HK最低, 为2.11 g C/(m2·d)。有机碳产量的分布情况与水柱日生产力的分布一样, 最大值出现在支流WJW,为4.226×103kg C/(km2·y)。统计分析表明, 上游水域和支流高岚河水域显著高于中下游水域(t-Test, P＜0.05)。

2.2 渔业资源和营养级

渔民渔获物和鱼贩收购量的调查统计数据显示,香溪河鱼类隶属于4目8科33属44种, 鱼类群落结构以鲤科鱼类为主, 占总种数的61.4%, 全年滤食性鱼类的捕捞总量为2050 kg, 主要滤食性鱼类包括鲢、鳙。

以各资源生物(鱼类、虾类、底栖动物和浮游动物)的比例进行加权计算渔业资源平均营养级为2.43。香溪河库湾生态系统中各营养级间的物质传递情况为: 营养级Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的传递效率依次分别为13.1%、9.08%和15.6%, 该调查研究中模型计算的平均传递效率为12.6%。

2.3 渔产潜力的时空动态

分别用4种方法对香溪河不同季节的渔产潜力进行估算(表3)。其中夏季渔产潜力最高, 春季次之,冬季最低。与初级生产力的季节分布规律相同, 统计分析表明, 春夏季显著高于秋冬季(t-Test, P＜0.05)。但营养动态法的计算数值最小, Downing模型计算的结果最大； 对4种方法的计算结果进行统计分析,确认Downing模型的计算结果与其他三种方法的计算结果间存在显著差异(ANOVA, P＜0.05)。

表4为4种模型计算的香溪河渔产潜力空间分布的结果, 渔产潜力的最大值出现在高岚河支流(WJW), 最小值出现在下游HK。与香溪河初级生产力的空间分布规律具有一致性, 统计分析表明, 上游水域和支流高岚河水域显著高于中下游水域(t-Test, P＜0.05)。

表1 香溪河初级生产力的季节分布Tab. 1 The seasonal change in the primary productivity in the Xiangxi Bay

表2 香溪河初级生产力的空间分布Tab. 2 The spatial distribution of the primary productivity in the Xiangxi Bay

表3 香溪河渔产潜力的季节动态Tab. 3 The seasonal change in the fishery potential in the Xiangxi Bay [kg/(km2·season)]

表4 渔业资源量的空间分布Tab. 4 The spatial distribution of the fishery potential in the Xiangxi Bay [kg/(km2·y)]

2.4 水体承载量

鉴于Downing模型的计算结果与其他3种方法间存在显著差异, 且严重偏离香溪河水体的实际渔业资源量情况, 在核算水体承载量时, 将其剔除,图2为以营养动态法、Cushing法和Tait法计算得到的香溪河水体滤食性鱼类的承载量； 统计分析结果显示 3种方法核算的水体承载量没有显著性差异(P＞0.05)。基于此, 为尽可能消弭不同核算方法可能存在的误差, 对3种方法的计算结果进行算术平均,得到香溪河水体年平均承载量为1.011×104kg。

图2 香溪河水体滤食性鱼类的承载量Fig. 2 The phytoplanktivorous fishery resources capacity in the Xiangxi Bay

3 讨论

已有研究[15]表明, 初级生产力的季节差异主要是由于光照、温度等季节性特征的变化导致, 适宜的环境因子是春夏季初级生产力高的主要原因； 冬季水温低, 光强弱, 浮游植物生命代谢活动较弱,光照和水温成为水体初级生产力的主要限制因子,使得水体初级生产力最低。本文对香溪河不同位点的监测结果再次证明了该观点, 香溪河水体的初级生产力具有显著的季节动态。另一方面, 三峡大坝蓄水后, 作为长江上游主要支流之一的香溪河水文情势发生深刻改变, 上中下游水体存在显著不同的水文情势, 上游依然保持河流态, 存在一定的流速,中下游流速较小, 演变成典型库湾, 频繁发生水华。香溪河上游和支流均受到流域来水的影响, 而中下游主要受到干流倒灌的影响, 这样的水文差异直接导致香溪河初级生产力的水平分布格局为支流＞上游＞中游＞下游。

在这样的初级生产力时空格局主导下, 香溪河水体的渔产潜力具有相同的时空特征, 采用营养动态模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型核算的结果均显示了一致的时空动态； 这种一致性是由初级生产力在水域生态系统中的基础性地位决定的, 已经有大量的文献报道, 如 Downing等[2]对全球20个淡水湖泊进行研究, 论证了利用初级生产力估算渔业资源量的可行性, 卢振彬和戴泉水[3]以及肖方森[16]也证明初级生产力方法估算渔业资源量是可靠、可行的。另一方面, 需要注意的是, 文中选用了营养动态模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型, 前3种模型主要是根据食物链能量流动理论,基于C元素在不同营养级之间的传递率来估算水体中渔业资源量, 考察的是生态过程； 尤其是营养动态模型和 Cushing模型, 多用于估算鱼类的潜在资源量[4,16,17], 营养动态模型主要使用了浮游植物的含碳量和资源生物的营养级, Cushing模型的关键参数是资源生物的含碳率, 对参数的不同取值会直接影响估算结果[12]。Downing模型是通过大量已知数据所拟合的数学估算模型, 考察的主要是生态格局和结果。这种基于不同原理开发的生态核算模型间必然存在一定的差异； 本文基于 4种核算方法计算的数据体现了这种差异, 且通过统计分析, 确认了Downing模型与其他3种模型间存在统计意义上的差异, 其他 3种核算方法间的数据差异不显著； 说明这 3种方法适用于三峡库湾的渔产潜力核算, Downing模型不适合用于三峡库湾。

本文根据其他文献的研究经验[3,5,16], 对4种模型相关参数按照实际情况给予合理赋值, 香溪河按水域面积8.05 km2来计算, 每年滤食性鱼类的水体承载量约为1.011×104kg, 平均鱼产潜力为1.26×103kg/ (km2·y), 较文献报道的其他水体略小； 如郭村水库渔产潜力[6]的为5.943×104kg/(km2·y), 柳江河水库的鲢鱅年平均鱼产潜力[18]为 9.075×104 kg/(km2·y)。按50%的开发利用率计算, 香溪河渔业资源的最大持续捕捞量可达5×103kg。

需要指出的是, 由于受捕捞强度过大、水工建筑、环境污染等诸多外部因素的影响, 加上鱼类早期资源补充受到的困扰, 长江上游的水生生物受到不同程度的影响[7], 三峡鱼类资源量整体呈下降趋势, 这种趋势势必影响支流库湾的渔业资源, 保护和合理利用支流库湾的鱼类资源, 需要开展更多的研究和实践工作。其中, 最重要的一项工作是适度补充滤食性鱼类的早期资源量, 以确保水体的初级生产力快速转化, 维护水域生态系统的健康。

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THE ASSESSMENT OF THE FISHERY POTENTIAL BASED ON THE PRIMARY PRODUCTIVITY IN THE XIANGXI BAY OF THE THREE GORGES RESERVOIR

ZHANG Qi1,2,3, CHEN Lei1,3, PAN Ting-Ting1,2, YUAN Yi-Jun1,2, GAO Yong1,3, BI Yong-Hong1and HU Zheng-Yu1
(1. Key Laboratory of Algal Biology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China； 3. Hubei Key Laboratory of Three Gorges Project for Conservation of Fishes, Three Gorges Construction and Operation Management Department, China Three Gorges Corporation, Yichang 443133, China)

We investigated the primary productivity in the Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir in order to evaluate the fishery potential from 2013 to 2014. Four equations were used to calculate the fishery potential based on the primary productivity. The results demonstrated a significant spatio-temporal heterogeneity in the primary productivity in the Xiangxi Bay. Consequently the fishery potential based on the primary productivity also showed significant spatial dynamics and seasonal variation. Spatially the highest fishery potential appeared in the Gaolan branch. Temporally the highest fishery potential appeared in summer, and the seasonal order was summer ＞ spring ＞ autumn ＞ winter. The annual fishery potential calculated with the four methods above were 7.30 t/y, 10.46 t/y, 12.56 t/y and 2064.03 t/y respectively. Except for the Downing model, all other three methods generated results close to the actual fishery resources. We concluded that the phytoplanktivorous fishery resources capacity in the Xiangxi Bay was about 10 t, and the maximum sustainable yields could be 5 t. Our study provided technical support for the sustainable utilization of fisheries resource in the tributaries of the Three Gorges Reservoir.

Primary production； Fishery potential； Ecological capacity Xiangxi Bay； Three Gorges Reservoir

S932.4

A

1000-3207(2015)05-0948-06

10.7541/2015.124

2014-12-17；

2015-05-11

中国长江三峡集团公司科研项目(CT-12-08-01)资助

张琪( 1987— ), 女, 湖北黄冈人； 硕士研究生； 主要从事水域生态学研究。E-mail: taoqi1016@sina.com

毕永红, E-mail: biyh@ihb.ac.cn