用水声学评估水库鱼类资源增殖放流的效果

郭爱环，刘金殿，原居林，郝雅宾，辛建美，顾志敏

(浙江省淡水水产研究所，农业部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江省淡水水产遗传育种重点实验室，中国水产科学研究院 东海水产研究所浙江研究中心，浙江 湖州 313001)

各地因饮水、用电、防洪等方面的需求修建了大量水库，水库的运行显著影响了水体环境。一方面，改变了水域原有的径流特征，导致水体稀释降解污染物的能力降低；另一方面由于淹没区及周边营养物质的汇集，使得水体营养水平急剧升高，易导致水华爆发以及水环境恶化，进而威胁用水安全。滤食性和碎屑性鱼类通过滤食浮游生物和有机碎屑，能吸收水体中的营养物质，有效降低水体的营养水平[1-2]，因此，可通过一些鱼类的增殖放流，达到治理水环境的目的。为科学规划增殖放流与有效实现水环境治理，需对增殖放流后水库鱼类资源量的动态变化进行评估。

基于水声学的渔业资源量评估与传统调查相比，具有快速、准确、覆盖面大、预报及时且不破坏鱼类资源等诸多优点，已成为研究鱼类资源量和时空动态的重要手段[3]。近年来，国内外应用水声学方法在海洋[4]、湖泊[5-6]、水库[7-8]和江河[9-10]等不同水域进行了鱼类资源评估研究。如孙明波等[6]采用水声学的方法对太湖鱼类资源进行生态监测；张赞等[7]使用分裂波束科学鱼探仪对大伙房水库鱼类密度的季节变动和渔业资源现存量进行调查；Riley等[8]在加拿大曼尼托巴省的寒带水库进行水声学研究，验证基于鱼类个体大小的水声学调查方法适用于鱼类资源量的动态评估。但现有研究很少将水声学探测方法应用到增殖放流的效果评估中。

老虎潭水库(E 119°56′31.45″，N 30°40′10.12″)位于浙江省湖州市东苕溪支流埭溪上，总库容为9.966×107m3。平均水深为17.3 m，最深约为28.96 m，是湖州市最主要的饮用水水源地，承担着80余万人的供水功能[11]。水库集雨面积110 km2，人口约1.6万。生活污水、农业面源污染、径流动力学特征改变等因素均直接增加了老虎潭水库富营养化的可能，使水库水质管理工作面临巨大的压力[12]。自2011年起，水库通过增殖放流滤食性鱼类[鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)]和碎屑性鱼类[黄尾鲴(Xenocyprisdavidi)]来有效抑制水体富营养化加剧，控制藻类的异常增殖。本研究通过水声学方法对老虎潭水库当年增殖放流完成后(夏季)和当年渔获期(冬季)的渔业资源进行探测，评估增殖放流后老虎潭水库鱼类资源的动态变化，以及增殖放流对水库水体的净化效果，为水库增殖放流提供科学指导，实现水库渔业资源与水环境治理的共同健康发展。

1 材料与方法

1.1 水声学调查

使用BioSonics DT-X 科学回声探测仪，在2015年增殖放流完成后和冬季渔获期(8月和12月)选择天气状况稳定晴好的上午时间，对老虎潭水库进行渔业资源的水声学探测。采用走航式垂直探测的方式，即将换能器用铁架固定于船舷，入水0.5 m，垂直于船体进行“之”字形航线探测。探测航速约为10 km/h。同时利用Visual Acquistion软件和GPS(Garmin，17×HVS)同步进行水声学数据和位置数据的采集存储。采集过程中换能器脉冲频率设置为4 pps，脉冲宽度为0.5 ms，回波信号采集阈值为-130 dB。探测区域及探测路线见图1。

图1 老虎潭水库的水声学探测路线

1.2 数据处理分析和GIS建模

通过Visual Analyzer 4.1分析软件对获取的声学数据进行分析。采用单目标分析方法对水体鱼类目标信号个数进行分析，每500个脉冲作为一个分析单元，分析结果包括鱼类目标回声强度值、单位面积鱼类个体数量(尾/m2)、单位体积鱼类个体数量(尾/m3)、单元起始坐标、单元识别结果、单元平均水深和每个单元的中心脉冲坐标[5]。具体分析处理参数设置见表1。

表1 Visual Anzlyzer 4.1数据分析参数设置

采用ArcGIS10.0软件，运用反距离插值法进行运算将分析计算出的单位面积鱼类个体数量、单元中心坐标GPS数据导入ArcGIS平台，进行鱼类资源分布的建模，获取鱼类密度水平分布图。

在对老虎潭水库进行季节性鱼类的目标强度值和渔业资源密度差异比较时，所进行的数据描述性分析、正态性检验、非参数分析均使用SPSS 17.0软件。

1.3 鱼类长度和资源量估算

参照Foote[13]提出的有鳔鱼类经验公式对鱼类长度进行初步估算：

TS=20lgL-71.9

(1)

式中，TS为鱼类的目标强度(dB)，L为目标鱼类的体长(cm)。

资源质量利用体长与体质量的拟合关系式进行换算，采用鲢鱼体长—体质量经验公式为[14]：

m=0.0052L3.118

(2)

式中，m表示体质量(kg)；L为标准体长(cm)。

参考唐启升等[15]的方法，即先单独计算每一采样单元鱼类密度，求出全库区平均密度。然后利用公式计算老虎潭鱼类的资源量：

(3)

1.4 鱼类资源调查

利用三层刺网(10、8、5、3 cm)和地笼网采集鱼类样本，每次采集时间为24 h。对采集的渔获物进行种类鉴定，具体分类方法参照《浙江动物志 淡水鱼类》[16]，后对鱼体进行体长(精确至0.1 cm)、全长(精确至0.1 cm)和体质量(精确至0.1 g)的测量[17]。

1.5 鱼类相对重要性指数(IRI)计算[18]

IRI=(m+n)F

(4)

式中，m为某一种群的生物量占全部生物量的百分比，n为该种群的丰度占全部丰度的百分比，F为该种群的出现频率。

2 结果与分析

2.1 鱼类种类组成及比例

2.2 声学探测的鱼类目标强度

探测结果表明，渔获期(冬季)鱼类目标强度显著高于增殖放流完成后(夏季)鱼类目标强度(df=16，P<0.001)。2015年增殖放流完成后(夏季)水声学探测的鱼类目标强度(-60 dB～-25 dB)均值为(-51.76±3.37) dB，峰值范围为(-54～-48) dB，鱼类目标强度在(-56～-48) dB鱼类个体所占的比例为65%；渔获期(冬季)鱼类目标强度均值为(-45.058±4.26) dB，峰值范围为(-48～-42) dB，鱼类目标强度在(-56～-48) dB范围鱼类个体所占的比例为33.1%(图2)。

表2 老虎潭水库鱼类组成及生态类型

图2 老虎潭水库不同季节鱼体目标强度分布

2.3 鱼类空间分布与季节变化

在垂直空间上，夏季鱼类主要集中在水深5～15 m的区域，其中10 m水深的鱼类密度最高(图3a)；冬季鱼类主要分布在水深10～20 m的位置，其中15 m水深的鱼类密度最高(图3b)。

在水平空间上，夏冬两季鱼类主要分布区域大致相同，鱼类呈不均匀分布。鱼类密度最高区域为水库的最北端、南段以及水库中心区，夏季鱼类分布区域范围大于冬季鱼类分布范围(图4)。

渔获期(冬季)鱼类密度显著低于增殖放流完成后(夏季)鱼类密度(P<0.001)。夏季鱼类密度为0 ～5.15 尾/m2，平均密度为(0.189 ± 0.58)尾/m2；冬季鱼类密度为0 ～10.09 尾/m2，平均密度为(0.095 ± 0.507)尾/m2。

图3 老虎潭水库夏季和冬季鱼类密度与水深的关系a为夏季，b为冬季.

2.4 鱼类资源量与增殖放流净水效果

根据1.3有鳔鱼类经验公式[公式(1)]和鲢鱼体长—体质量经验公式[公式(2)]计算结果表明，增殖放流完成后(夏季)库区鱼类的个体平均质量为7.9 g，而渔获期(冬季)库区鱼类的个体平均质量为89.76 g。

图4 老虎潭水库鱼类密度水平分布

老虎潭水体总体积为7.207×107m3，结合鱼类密度结果可知老虎潭库区夏季鱼类的总尾数为1.297×106尾，冬季鱼类的总尾数约为4.8×105尾，根据1.3公式(3)，增殖放流完成后(夏季)库区的资源量约为10 246 kg，而至渔获期(冬季)时鱼类资源量约为43 085 kg。老虎潭水库的鱼类资源量从夏季到冬季增长了32 839 kg。根据贾成霞等[19]研究中提出的北京地区增殖放流品种—鲢从水体中平均去除的碳、氮、磷量分别为102.90、31.40、5.51 g/kg (湿质量)进行推算，老虎潭水库鱼类在一年中相当于从水体中分别转移出碳、氮、磷的净含量为3.379×103、1.031×103、1.81×102kg。其中，2015年夏季，老虎潭水库鱼类增殖放流种类和数量分别为鲢鱼1.5×105尾、鳙鱼2.5×105尾，鲤鱼1.0×105尾，放流规模占夏季鱼类总数量约40%，若将其净化贡献率亦按40%计算，则该规模的鱼类增殖放流为老虎潭水库水体至少减少了碳1.351×103kg、氮0.412×103kg和磷0.072×103kg。

3 讨 论

3.1 鱼类资源的空间分布

鱼类自身的生活习性是影响鱼类垂直分布的重要因素。鱼类资源调查显示，老虎潭水库鱼类资源的主要优势种为增殖放流品种鲢鱼、鳙鱼。已有研究认为，鲢鱼、鳙鱼主要分布于10 m附近的水层而较大个体则分布在相对较深的水层[7]。此次声学调查结果显示，库区鱼类在5 ～30 m的水深均有分布，且主要集中于10～15 m水深范围内。声学调查结果与传统资源调查结果得到了相互印证。

此外，影响鱼类垂直分布的其他因素有水温、溶氧和饵料等[20-21]。三峡水库香溪河鱼类密度垂直分布研究认为，浮游生物的垂直分布是影响鱼类垂直分布的重要因素[10]。对于影响老虎潭水库鱼类密度垂直分布的主要环境因素还需要进一步的研究。

饵料资源和库区水深是影响鱼类水平分布的重要因素。结果显示，水库北部、西部和南部鱼类密度较高，而东部鱼类密度较低。这是由于北部、西部和南部沿岸均有人类居住，生活污水的排放一方面会直接带来饵料资源，另一方面导致水体营养水平升高，使得浮游动植物数量增加[9]，为鱼类觅食提供了有利条件；而水库其他区域的饵料资源则相对匮乏。此外，在水库北部、西部和南部水深较浅，但在水库东部水深超过20 m(图5)，深水区鲜有鱼类分布。这与鱼类的密度与水深呈负相关的观点相符合[22]。

3.2 鱼类资源的季节动态变化

在本研究中，冬季鱼类主要在10～20 m水深分布，其中15 m水深位置密度最高。鱼类垂直密度的季节变化与鲢鱼、鳙鱼种群的生态习性吻合。冬季鲢鱼、鳙鱼种群在水体的中下层成群分布，行动缓慢[23]。

图5 老虎潭水库水深分布

渔获期(冬季)鱼类在库区的分布范围小于增殖放流后(夏季)鱼类分布范围。一方面，冬季随着水温的降低，鲢鱼、鳙鱼出现团聚模式；另一方面，冬季温度较低，浮游生物生长缓慢，冬季鱼类饵料在库区的分布范围比夏季小。

渔获期(冬季)鱼类个体大小显著大于增殖放流后(夏季)鱼类个体。一方面由于增殖放流大量投放体长2～3 cm的鱼苗，导致鱼类个体的平均体长较小；另一方面，放流鱼苗经一段时间的生长，到渔获期(冬季)时个体增大，探测到的鱼类个体大小会明显变大。

渔获期(冬季)鱼类数量显著低于增殖放流后(夏季)鱼类数量。夏季开展的水声学探测是在老虎潭水库刚完成鲢鱼、鳙鱼等鱼苗增殖放流活动后进行的，增殖放流活动直接导致了水库的鱼类密度增加。放流后的鱼苗(体长2～3 cm)会受到捕食者(例如水库中存在的鲇鱼、翘嘴鲌、乌鳢等)以及自身存活条件的影响，数量会逐渐下降。此外，冬季随着水温的降低，鲢鱼、鳙鱼出现团聚模式，因鱼探仪设置分辨率等因素，过大的鱼群密度会导致单体目标检测数量过少而产生采样偏差[24]。

水声学探测能较准确获得水域鱼类密度，却难以判定鱼类的种类。因此，在进行鱼类资源量评估时需结合其他方法，科学评估鱼类资源量变化。本研究采用水声学探测和渔获物调查结合的方式对鱼类资源动态进行了分析。渔获物调查的结果表明，老虎潭水库鲢鱼、鳙鱼在渔获物的质量和数量上都具有优势，是该水库的绝对优势种。结合水声学结果，采用鲢鱼的体长—体质量经验公式，就能较合理准确评估该水库的渔业资源量变化，从增殖放流后(夏季)的10 246 kg到渔获期(冬季)增长为43 085 kg。该结果表明增殖放流后水库的渔业资源量在当年取得了明显增长。

3.3 鱼类增殖放流的净水效果评价及建议

鱼类增殖放流有效地消耗了水域中的营养物，起到了净化水体的作用。通过分析鱼类资源量的动态变化发现，夏季鱼类的平均体质量为7.9 g，冬季鱼类的平均体质量增至89.76 g，冬季的鱼类资源量是夏季的4倍。鱼类个体大小显著增长，库区鱼类资源总量显著增加。通过对比文献报道的鲢鱼、鳙鱼生长特性，发现老虎潭水库冬季鱼类平均体质量约为1龄鲢鱼、鳙鱼的体质量，而1～2龄的鲢鱼、鳙鱼的生长速率远快于其他年龄阶段。快速地生长速率亦有助于大量获取水体中的营养物。已有研究认为饵料生物的保障率和利用率是鱼类生长速度的主要制约因素[25-26]，而本研究中老虎潭水库鱼类的生长速度快，表明水库饵料供应充足，尚未对鲢鱼、鳙鱼的生长速率造成制约。此次鱼类增殖放流数量未超出水库的容纳量，其净水效果仍可通过增加放流鱼体的数量来提高，具体增殖放流的数量需要进一步开展研究。

作为一项控制水体富营养化的生物手段，鲢鱼、鳙鱼应在其增殖放流后选择恰当时机进行捕捞。鱼类生长速率越快，对营养物质的转移效率越高，通常0～2龄的个体生长速率最快[25]，而高龄个体对水体中营养物种的转移作用很小。通过对大个体鱼类的捕捞，一方面能加速减少水体中的营养物质累积，另一方面可将成体鲢鱼、鳙鱼转换为商品提高经济收入，进而反馈鱼类的增殖放流活动。

根据水体富营养化情况，合理选择增殖放流区域。本研究中发现，鱼类个体多集中于人类活动较多的水域。这些水域通常富营养化水平较高，水体中具有较高的营养物质，能提供鱼类生长所需的饵料。因此，应选择在富营养化水体水域进行放流，一方面可为放流个体快速提供饵料，提高放流存活率；另一方面可直接减轻水体富营养化。

总体上看，老虎潭水库作为湖州市重要的饮用水源地之一，其水质状况对周边居民的饮用水安全具有重要作用，其渔业功能具有维持水库生态系统稳定和洁水保水的作用。了解库区鱼类的时空动态变化、评估渔业资源量和净水效果，对于发展库区的节水保水渔业具有重要意义，也对增殖放流工作提供技术指导。为促进放流鱼类的生长有效净化水体，在鱼类生长期可在库区鱼类密度较高的区域，加强监管禁止捕捞，进行针对性管理(如在岸边设立警示牌等)；而在冬季，可对鲢鱼、鳙鱼成体进行捕捞，加速水体中营养物质的清除。此外，应对库区鱼类资源进行常年监测，以指导制定合理的放流和捕捞策略。

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