两种鲤科经济鱼类水声目标强度的实验测定与应用评估

陈霄航 连玉喜 黄 耿 项 涛 张堂林 刘家寿 叶少文 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. 安庆师范大学水生生物保护与水生态修复安徽省高校工程技术研究中心, 安庆 246133)

水声学是近代声学的一个重要分支, 随着水声学仪器的更新换代和计算机技术的飞速发展, 渔业资源声学评估法广泛应用于鱼类资源调查及评估[1]。与传统方法相比, 水声学调查鱼类资源具有快速高效、覆盖范围广、不破坏生境等优点, 在此基础上能够得到丰富的鱼类行为、分布、密度等信息。在渔业资源的水声学评估中, 鱼体目标强度(Target Strength, TS)是衡量鱼体对声波反射能力的一个物理量, 它从回声强度的角度描述目标的声学特性,是将回声积分值转换为鱼体大小和鱼类资源量估值的关键参数[2]。用回声积分法计算鱼类密度时,一般是将单个鱼体的平均目标强度代表成鱼类的总目标强度, 通过计算单位水体内鱼类平均体积散射强度(Volume Backscattering Strength, SV)与单个鱼体目标强度的比值来估算鱼类密度[3]。因此, 鱼类目标强度的精确测定对于渔业资源声学评估的可靠性影响重大[4]。

影响鱼类目标强度的主要因素包括鱼体形状、是否有鳔、鳔的大小、鱼体相对入射声波的姿态倾角, 以及探测声波的频率等[5—7]。实验测定法是研究鱼类目标强度的一个重要途径, 使用声学实验装置对受控鱼类进行实验测量, 或利用船载声学仪器对自然状态下的鱼类进行现场测定并通过船后的拖网取样比对[8]。采用实验法测定鱼体目标强度通常受到场地、可测量频率以及测试对象差异等诸多条件的限制, 对一般性规律的把握较为困难, 但具有针对性强、精度高的优点, 在特定种类的渔业资源评估中具有显著的应用价值。

由于鱼体目标强度测定对实验条件要求较高,绳系实验法早在70年代便有记载[9], 多使用死鱼或麻醉鱼。迄今为止国际上仅对几十种鱼类的目标强度进行过研究, 远远不能满足渔业资源声学评估的需求。我国自1984年将水声学方法引入渔业资源评估以来, 关于鱼类目标强度测量研究的报道较少[7,10—12]。目前国内仍主要使用国际上已有的目标强度与体长关系式, 考虑到鱼类种类组成和声学特性的差异, 会导致资源量估算结果出现一定偏差[13]。通过实验方法测定在我国广泛分布和具有重要经济价值鱼类的目标强度, 建立它们的水声目标强度与个体大小关系式, 将有助于提高鱼类种群结构和资源量评估的准确性和可靠性。

鲤(Cyprinus carpio)和鳙(Aristichthys nobilis)是广泛分布的鲤科经济鱼类, 也是我国养殖的主要品种, 据2016年中国渔业统计年鉴统计, 鲤、鳙约占全国淡水养殖主要鱼类产量22%[14]。鲤科鱼类更是占我国淡水鱼类总数目的一半以上[15]。鲤、鳙和大多数鲤科鱼类有着相似的纺锤体体形, 从栖息空间上看, 鲤生活于水体的下层和底层, 鳙生活于水体的中上层, 因而开展这两种鱼类的水声目标强度测定研究具有一定的典型性和实用性。有鉴于此, 本文采用绳系控制实验法和Simrad EY60型分裂波束回声探测仪, 对实验鱼鲤和鳙的目标强度进行单体测定, 建立目标强度与体长的关系式并对实际应用效果进行评价, 旨在探讨鱼类目标强度测量的实验方法, 完善我国以鲤科鱼类为主的内陆水声学评估技术, 为渔业资源的可持续利用和保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验场地

鱼体目标强度测定实验地点选在湖北省宜昌市隔河岩水库一处僻静的库湾(N 30.404579°, E 110.980000°), 该水域开阔, 平均水深约40 m, 水面平静, 无航运和渔业活动干扰, 水中气泡较少。实验平台离岸1 km, 所在位置的水深47 m。经探测,半径60 m内水下无强声波反射体, 实验水域近似满足声学自由场条件。

1.2 实验装置

实验装置结构如图 1所示。实验平台搭建在网箱上(5 m × 5 m × 10 m, 网目2a = 1 cm), 用锚固定网箱, 提高其稳定性。测量实验在网箱内进行, 可避免其他鱼类闯入干扰。通过不锈钢辅助支臂, 将Simrad EY60型分裂波束回声探测仪的换能器(频率120 kHz)固定在网箱中央位置、水面以下0.5 m处。用直径0.6 mm尼龙丝(钓鱼线)将活体实验鱼用长约2 cm鱼线一端系住下颌, 另一端连在换能器下方9 m处的塑料环上, 任其围绕塑料环游动。塑料环下方0.5 m处系上5 kg铅锤, 保证整个装置垂直。

图 1 鱼类目标强度测定实验平台示意图Fig. 1 Experimental platform for measuring fish target strength

1.3 实验材料

材料鱼鲤和鳙均就地取自隔河岩水库, 实验前在网箱中暂养。根据体长范围, 实验时按照4个体长组选取健康无损伤个体, 用于目标强度的单体测定。实验鱼鲤26尾, 全长19.9—29.6 cm, 标准长16.6—24.8 cm, 体重174.5—460.9 g, 相应4个体长组的体征参数如表 1所示。实验鱼鳙26尾, 全长49.2—74.2 cm, 标准长40.5—63.2 cm, 体重1200—4700 g,相应4个体长组的体征参数如表 2所示。

表 1 实验鱼鲤的规格大小(平均值±标准差)Tab. 1 Body size of experimental C. carpio (Mean ± SD)

1.4 实验方法

水声学测量水声学测量实验时间为2017年5月1—20日, 期间平均水温25℃、电导率223.2 μS/cm、溶解氧8.14 mg/L、pH 8.38、流速小于0.1 m/s。在实验平台上, 使用Simrad EY60型分裂波束回声探测仪(频率120 kHz)测量鱼体目标强度测量。换能器-3 dB波束为7°×7°, 通过不锈钢支臂固定在网箱中央位置, 入水深度0.5 m, 垂直向下。在实际测量前, 采用Simrad公司提供的直径为23 mm标准铜球, 按标准方法[16]对回声探测仪参数设置进行校正。测量时功率设定为50 w, 脉冲发射频率10 ping/s, 脉冲宽度64ms。笔记本电脑与回声探测仪连接, 实时显示和存储数据。

将每种实验鱼按照体长组分类, 从小到大逐尾逐次用尼龙线固定连接在换能器下方的塑料环上(图 1), 使得鱼体围绕塑料环保持正常姿态游动, 发射脉冲并使鱼体使其处于换能器波束中央, 每尾鱼记录5min。

数据分析使用Echoview软件(version 5.2)对采集得到的水声学数据进行分析。根据鱼体目标信号所处水深, 界定回声映像图中的分析区域,见图中方框区域内, 该区域以外不予分析(图 2)。对分析区域进行除噪之后, 用单体回波探测(Single Echo Detection, SED)方法分析单个鱼体信号, 主要参数设置如表 3所示。

表 2 实验鱼鳙的规格大小(平均值±标准差)Tab. 2 Body size of experimental A. nobilis (Mean ± SD)

图 2 实验鱼体目标强度信号的回声映像图Fig. 2 Target strength echogram of experimental fishes

通过Echoview得到的是单体鱼信号TS值(单位为dB), 故在计算单体鱼平均TS和各体长组鱼的平均TS时, 需要先将每个回波数据的TS转换为反向散射截面σ(单位为m2), 对声学截面进行平均后, 再将其转换为TS。相关计算公式如下:

TS与鱼体全长(TL, 单位为cm)之间回归关系依据公式(4)进行拟合[17]:

1.5 应用效果评价

为了评价所得鱼类目标强度(TS)与全长(TL)关系式的实际应用效果, 选择一个面积较小且有较详细鱼产量记录的封闭水域(盐龙湖)作为试验水体,使用本文TS-TL关系式和其他几个常用TS-TL关系式, 对该湖的鱼类资源水声学调查数据进行分析,估算全湖鱼类资源量并与捕捞产量数据作比较, 在此基础上评价不同关系式在鱼类资源评估中的可靠性和适用性。

盐龙湖位于江苏省盐城市龙岗镇(N 33.334568°,E 120.022081°, 图 3), 水域面积2.228 km2, 平均水深4.2 m, 无沉水植被分布。于2017年2月14日在该湖开展鱼类资源水声学调查, 将Simrad EY60(频率120 kHz)换能器固定于船体右侧、水面以下0.5 m处, 水声学探测从盐龙湖东南角开始, 至西北端结束, 全湖调查路线如图 3所示, 总航程约为6 km, 水声学探测时航速控制为5-6 km/h, 探测覆盖率为4.0, 接近较为可信评估的覆盖率。

2 结果

2.1 实验鱼体重与体长关系

图 4所示为实验鱼鲤和鳙的体重与体长(全长、标准长)关系拟合曲线, 符合幂函数(W= a ×Lb)分布。运用最小二乘法得到鲤和鳙的体重与全长关系式的b值分别为3.178和3.227, 经t检验均与3无显著差异 (P＞0.05), 说明两种鱼的生长属于等速生长。

表 3 分裂波束单体回波探测方法的参数设置Tab. 3 Parameter used in a single echo detection by split beam

2.2 鱼体目标强度与全长关系

图 5为鲤和鳙目标强度与全长关系拟合曲线,实验所测26尾鲤和26尾鳙的TS值分别为-59.35—-45.20 dB和-34.22— -17.49 dB, 回归得到的两种鱼目标强度(TS, dB)与全长(TL, cm)关系式分别为:

鲤:TS= 29.84×lgTL- 95.23 (n= 26,R2= 0.74,P＜ 0.01);

鳙:TS= 35.88×lgTL- 90.33 (n= 26,R2= 0.83,P＜ 0.01)。

图 4 实验鱼(a)鲤和(b)鳙的体重与体长关系Fig. 4 Relationships between body weight and length for C. carpio (a) and A. nobilis (b)

图 3 盐龙湖水声学调查路线(图中箭头示调查走航方向)Fig. 3 Hydroacoustic sampling route in Lake Yanlong

2.3 TS-TL关系式的应用效果

使用本研究鳙目标强度与全长关系式、Love[18]、Foote[16]和任玉芹等[12]的TS-TL关系式, 对2017年2月14日采集的盐龙湖水声学调查数据进行分析, 分别得到该湖鱼类资源总量的估值为89360、36630、493650和8244470 kg, 折合生物量估值为40.1、16.4、221.6和3700.4 g/m2(表 4); 另一方面, 得到2017年3月该湖“赶、拦、刺、张”联合渔法的捕捞产量为73610 kg (即33.0 g/m2), 其中鳙、鲢约占70%。综合这两方面信息, 计算捕捞量与4个TS-TL关系式所得鱼类生物量的比值(C/B)。

对于本研究TS-TL关系式, C/B值为82.4%, 较为合理; 对于Love[18]的TS-TL关系式, C/B值超过了100%, 说明生物量估值偏低; 对于Foote[16]的TSTL关系式, C/B值较低(14.9%), 说明生物量估值有所偏高; 对于任玉芹等[12]的TS-TL关系式, C/B值仅为0.9%, 说明生物量估值太高。

图 5 实验鱼(a)鲤和(b)鳙的目标强度与全长关系Fig. 5 Relationships between target strength and total length forC. carpio (a) and A. nobilis (b)

表 4 采用4种不同的目标强度与全长关系式评估盐龙湖鱼类资源量Tab. 4 Assessment of fish resource in Lake Yanlong using four different TS-TL equations

3 讨论

目前在我国内陆水域鱼类资源声学评估中, 在将目标强度转换为鱼体长度时多借鉴国外的经验公式, 使用较多的有Love[18]建立的多种鱼类全长和目标强度的回归关系式、Foote[16]建立的有鳔鱼类全长和目标强度的回归关系式等, 然而, 由于鱼类种类组成及其声学特性的差异, 可能导致鱼类资源评估的偏差[19]。本文选择我国广泛分布的鲤科经济鱼类鲤和鳙作为研究对象, 具有很强的针对性和代表性; 在环境干扰小的网箱水体里开展绳系控制实验, 现场测定单体实验鱼游动状态下的目标强度,建立了这2种鱼的目标强度与个体大小关系式, 并取得较好的实际应用效果, 有助于提高以鲤科鱼类为主体的渔业资源评估的准确性和可靠性。

在具体实验过程中, 鱼体形状对目标强度的影响在于相同长度的鱼体具有不同的声学散射截面[20], 本研究实验鱼鲤和鳙为典型的纺锤体体形,与鲢、草鱼、青鱼、鲫等鲤科常见经济鱼类的体形相近; 另一方面, 鳔是影响鱼类目标强度的重要结构因素, 占据鱼体散射能力的90%—95%[21], 鲤、鳙和其他鲤科鱼类均为有鳔鱼, 鲤主要栖息于水体下层和底层, 鳙栖息于水体的中上层, 它们在空间生态位上各具代表性。因此, 以鲤、鳙以及近似体形和具鳔结构鱼类为主的水域, 在尚未建立各种鱼综合TS-TL回归关系的状况下, 可以借鉴本研究的TS-TL关系式, 用于鱼类种群结构和资源量的声学评估。

鱼体目标强度与鱼体相对入射声波的姿态倾角也存在着密切联系, 鱼体姿态倾角的差异可引起声学散射截面的改变, 进而引起目标强度的变化。由姿态倾角引起的目标强度差异可高达30 dB[22]。本研究用0.6 mm的钓鱼线将实验鱼下颌系住, 并未对鱼体组织产生任何损伤, 围绕水下固定的塑料环自由活动, 因此较为接近自然游动姿态, 在此过程中通过分裂波束回声探测仪不断录入数据, 达到减小实验误差的目的。

水体背景噪音是影响鱼类目标强度测定的主要外界因素[1]。背景噪声一般来源于声学设备、调查船只、非目标生物、环境噪声等, 在目标强度测量过程中会降低回声信号的信噪比, 增加数据提取的难度, 当背景噪音增大到一定程度时, 鱼体的反射信号就很难被检测出来。本文实验选择隔河岩水库的一个僻静库湾, 水环境总体稳定, 周边无航运、渔业活动等人为干扰, 同时通过网箱将实验鱼与其他鱼类隔离开, 这些措施可有效地降低水体背景噪音, 提高目标鱼类声学数据测量的精准度。

回声探测仪的声波频率是影响鱼类目标强度测定的另一重要因素, 当外源声波频率很低, 接近鱼鳔的固有频率时, 鱼鳔会产生低频共振, 引起反射强度的变化[23]。目前渔业资源评估中常用的换能器频率为38—200 kHz, 本文实验采用的换能器频率适中(120 kHz), 测试目标强度受低频共振的影响较小, 具有较高的稳定性。

为了评价所获鱼类目标强度与体长关系式的应用效果, 我们选择一个小型封闭水体(盐龙湖)大捕捞之前的回声探测数据作为分析实例, 估算全湖鱼类资源总量, 并与联合渔法大捕捞的产量进行比较。根据捕捞经验, 使用联合渔法捕捞的捕捞量约占资源量60%—70%, 结果表明通过本研究TS-TL关系式得到的鱼类总产量和总生物量比值(82.4%)较为合理, 基本符合“赶、拦、刺、张”联合渔法的捕捞选择性(捕捞对象主要为中上层的鳙、鲢)和高效性(尤其是在该湖形状简单且无沉水植被的情况下), 因而在一定程度上反映了本研究目标强度测定及其与体长关系式的可靠性和合理性。

本研究存在的不足之处在于, 由于实验期间活鱼来源的限制, 材料鱼鲤和鳙的体长范围相对较窄,今后仍需补充更多体长组鱼类来完善实验方案, 在本文实验条件和结果的基础上进一步描述目标强度随体长的变化特征; 同时亟需开展更多常见鱼类(如鲢、草鱼、鲫、团头鲂、鳜、中华鲟等)的目标强度测量实验, 确定不同形态和生态类型鱼类的目标强度与体长关系式, 以满足我国内陆水域鱼类生态学研究、渔业资源可持续利用和濒危鱼类保护等领域对提高水声学评估精准度的不断要求[24]。