用水聲學評估水庫魚類資源增殖放流的效果

郭愛環，劉金殿，原居林，郝雅賓，辛建美，顧志敏

(浙江省淡水水產研究所，農業部淡水漁業健康養殖重點實驗室，浙江省淡水水產遺傳育種重點實驗室，中國水產科學研究院 東海水產研究所浙江研究中心，浙江 湖州 313001)

各地因飲水、用電、防洪等方面的需求修建了大量水庫，水庫的運行顯著影響了水體環境。一方面，改變了水域原有的徑流特征，導致水體稀釋降解污染物的能力降低；另一方面由于淹沒區及周邊營養物質的匯集，使得水體營養水平急劇升高，易導致水華爆發以及水環境惡化，進而威脅用水安全。濾食性和碎屑性魚類通過濾食浮游生物和有機碎屑，能吸收水體中的營養物質，有效降低水體的營養水平[1-2]，因此，可通過一些魚類的增殖放流，達到治理水環境的目的。為科學規劃增殖放流與有效實現水環境治理，需對增殖放流后水庫魚類資源量的動態變化進行評估。

基于水聲學的漁業資源量評估與傳統調查相比，具有快速、準確、覆蓋面大、預報及時且不破壞魚類資源等諸多優點，已成為研究魚類資源量和時空動態的重要手段[3]。近年來，國內外應用水聲學方法在海洋[4]、湖泊[5-6]、水庫[7-8]和江河[9-10]等不同水域進行了魚類資源評估研究。如孫明波等[6]采用水聲學的方法對太湖魚類資源進行生態監測；張贊等[7]使用分裂波束科學魚探儀對大伙房水庫魚類密度的季節變動和漁業資源現存量進行調查；Riley等[8]在加拿大曼尼托巴省的寒帶水庫進行水聲學研究，驗證基于魚類個體大小的水聲學調查方法適用于魚類資源量的動態評估。但現有研究很少將水聲學探測方法應用到增殖放流的效果評估中。

老虎潭水庫(E 119°56′31.45″，N 30°40′10.12″)位于浙江省湖州市東苕溪支流埭溪上，總庫容為9.966×107m3。平均水深為17.3 m，最深約為28.96 m，是湖州市最主要的飲用水水源地，承擔著80余萬人的供水功能[11]。水庫集雨面積110 km2，人口約1.6萬。生活污水、農業面源污染、徑流動力學特征改變等因素均直接增加了老虎潭水庫富營養化的可能，使水庫水質管理工作面臨巨大的壓力[12]。自2011年起，水庫通過增殖放流濾食性魚類[鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(Aristichthysnobilis)]和碎屑性魚類[黃尾鲴(Xenocyprisdavidi)]來有效抑制水體富營養化加劇，控制藻類的異常增殖。本研究通過水聲學方法對老虎潭水庫當年增殖放流完成后(夏季)和當年漁獲期(冬季)的漁業資源進行探測，評估增殖放流后老虎潭水庫魚類資源的動態變化，以及增殖放流對水庫水體的凈化效果，為水庫增殖放流提供科學指導，實現水庫漁業資源與水環境治理的共同健康發展。

1 材料與方法

1.1 水聲學調查

使用BioSonics DT-X 科學回聲探測儀，在2015年增殖放流完成后和冬季漁獲期(8月和12月)選擇天氣狀況穩定晴好的上午時間，對老虎潭水庫進行漁業資源的水聲學探測。采用走航式垂直探測的方式，即將換能器用鐵架固定于船舷，入水0.5 m，垂直于船體進行“之”字形航線探測。探測航速約為10 km/h。同時利用Visual Acquistion軟件和GPS(Garmin，17×HVS)同步進行水聲學數據和位置數據的采集存儲。采集過程中換能器脈沖頻率設置為4 pps，脈沖寬度為0.5 ms，回波信號采集閾值為-130 dB。探測區域及探測路線見圖1。

圖1 老虎潭水庫的水聲學探測路線

1.2 數據處理分析和GIS建模

通過Visual Analyzer 4.1分析軟件對獲取的聲學數據進行分析。采用單目標分析方法對水體魚類目標信號個數進行分析，每500個脈沖作為一個分析單元，分析結果包括魚類目標回聲強度值、單位面積魚類個體數量(尾/m2)、單位體積魚類個體數量(尾/m3)、單元起始坐標、單元識別結果、單元平均水深和每個單元的中心脈沖坐標[5]。具體分析處理參數設置見表1。

表1 Visual Anzlyzer 4.1數據分析參數設置

采用ArcGIS10.0軟件，運用反距離插值法進行運算將分析計算出的單位面積魚類個體數量、單元中心坐標GPS數據導入ArcGIS平臺，進行魚類資源分布的建模，獲取魚類密度水平分布圖。

在對老虎潭水庫進行季節性魚類的目標強度值和漁業資源密度差異比較時，所進行的數據描述性分析、正態性檢驗、非參數分析均使用SPSS 17.0軟件。

1.3 魚類長度和資源量估算

參照Foote[13]提出的有鰾魚類經驗公式對魚類長度進行初步估算：

TS=20lgL-71.9

(1)

式中，TS為魚類的目標強度(dB)，L為目標魚類的體長(cm)。

資源質量利用體長與體質量的擬合關系式進行換算，采用鰱魚體長—體質量經驗公式為[14]：

m=0.0052L3.118

(2)

式中，m表示體質量(kg)；L為標準體長(cm)。

參考唐啟升等[15]的方法，即先單獨計算每一采樣單元魚類密度，求出全庫區平均密度。然后利用公式計算老虎潭魚類的資源量：

(3)

1.4 魚類資源調查

利用三層刺網(10、8、5、3 cm)和地籠網采集魚類樣本，每次采集時間為24 h。對采集的漁獲物進行種類鑒定，具體分類方法參照《浙江動物志 淡水魚類》[16]，后對魚體進行體長(精確至0.1 cm)、全長(精確至0.1 cm)和體質量(精確至0.1 g)的測量[17]。

1.5 魚類相對重要性指數(IRI)計算[18]

IRI=(m+n)F

(4)

式中，m為某一種群的生物量占全部生物量的百分比，n為該種群的豐度占全部豐度的百分比，F為該種群的出現頻率。

2 結果與分析

2.1 魚類種類組成及比例

2.2 聲學探測的魚類目標強度

探測結果表明，漁獲期(冬季)魚類目標強度顯著高于增殖放流完成后(夏季)魚類目標強度(df=16，P<0.001)。2015年增殖放流完成后(夏季)水聲學探測的魚類目標強度(-60 dB～-25 dB)均值為(-51.76±3.37) dB，峰值范圍為(-54～-48) dB，魚類目標強度在(-56～-48) dB魚類個體所占的比例為65%；漁獲期(冬季)魚類目標強度均值為(-45.058±4.26) dB，峰值范圍為(-48～-42) dB，魚類目標強度在(-56～-48) dB范圍魚類個體所占的比例為33.1%(圖2)。

表2 老虎潭水庫魚類組成及生態類型

圖2 老虎潭水庫不同季節魚體目標強度分布

2.3 魚類空間分布與季節變化

在垂直空間上，夏季魚類主要集中在水深5～15 m的區域，其中10 m水深的魚類密度最高(圖3a)；冬季魚類主要分布在水深10～20 m的位置，其中15 m水深的魚類密度最高(圖3b)。

在水平空間上，夏冬兩季魚類主要分布區域大致相同，魚類呈不均勻分布。魚類密度最高區域為水庫的最北端、南段以及水庫中心區，夏季魚類分布區域范圍大于冬季魚類分布范圍(圖4)。

漁獲期(冬季)魚類密度顯著低于增殖放流完成后(夏季)魚類密度(P<0.001)。夏季魚類密度為0 ～5.15 尾/m2，平均密度為(0.189 ± 0.58)尾/m2；冬季魚類密度為0 ～10.09 尾/m2，平均密度為(0.095 ± 0.507)尾/m2。

圖3 老虎潭水庫夏季和冬季魚類密度與水深的關系a為夏季，b為冬季.

2.4 魚類資源量與增殖放流凈水效果

根據1.3有鰾魚類經驗公式[公式(1)]和鰱魚體長—體質量經驗公式[公式(2)]計算結果表明，增殖放流完成后(夏季)庫區魚類的個體平均質量為7.9 g，而漁獲期(冬季)庫區魚類的個體平均質量為89.76 g。

圖4 老虎潭水庫魚類密度水平分布

老虎潭水體總體積為7.207×107m3，結合魚類密度結果可知老虎潭庫區夏季魚類的總尾數為1.297×106尾，冬季魚類的總尾數約為4.8×105尾，根據1.3公式(3)，增殖放流完成后(夏季)庫區的資源量約為10 246 kg，而至漁獲期(冬季)時魚類資源量約為43 085 kg。老虎潭水庫的魚類資源量從夏季到冬季增長了32 839 kg。根據賈成霞等[19]研究中提出的北京地區增殖放流品種—鰱從水體中平均去除的碳、氮、磷量分別為102.90、31.40、5.51 g/kg (濕質量)進行推算，老虎潭水庫魚類在一年中相當于從水體中分別轉移出碳、氮、磷的凈含量為3.379×103、1.031×103、1.81×102kg。其中，2015年夏季，老虎潭水庫魚類增殖放流種類和數量分別為鰱魚1.5×105尾、鳙魚2.5×105尾，鯉魚1.0×105尾，放流規模占夏季魚類總數量約40%，若將其凈化貢獻率亦按40%計算，則該規模的魚類增殖放流為老虎潭水庫水體至少減少了碳1.351×103kg、氮0.412×103kg和磷0.072×103kg。

3 討 論

3.1 魚類資源的空間分布

魚類自身的生活習性是影響魚類垂直分布的重要因素。魚類資源調查顯示，老虎潭水庫魚類資源的主要優勢種為增殖放流品種鰱魚、鳙魚。已有研究認為，鰱魚、鳙魚主要分布于10 m附近的水層而較大個體則分布在相對較深的水層[7]。此次聲學調查結果顯示，庫區魚類在5 ～30 m的水深均有分布，且主要集中于10～15 m水深范圍內。聲學調查結果與傳統資源調查結果得到了相互印證。

此外，影響魚類垂直分布的其他因素有水溫、溶氧和餌料等[20-21]。三峽水庫香溪河魚類密度垂直分布研究認為，浮游生物的垂直分布是影響魚類垂直分布的重要因素[10]。對于影響老虎潭水庫魚類密度垂直分布的主要環境因素還需要進一步的研究。

餌料資源和庫區水深是影響魚類水平分布的重要因素。結果顯示，水庫北部、西部和南部魚類密度較高，而東部魚類密度較低。這是由于北部、西部和南部沿岸均有人類居住，生活污水的排放一方面會直接帶來餌料資源，另一方面導致水體營養水平升高，使得浮游動植物數量增加[9]，為魚類覓食提供了有利條件；而水庫其他區域的餌料資源則相對匱乏。此外，在水庫北部、西部和南部水深較淺，但在水庫東部水深超過20 m(圖5)，深水區鮮有魚類分布。這與魚類的密度與水深呈負相關的觀點相符合[22]。

3.2 魚類資源的季節動態變化

在本研究中，冬季魚類主要在10～20 m水深分布，其中15 m水深位置密度最高。魚類垂直密度的季節變化與鰱魚、鳙魚種群的生態習性吻合。冬季鰱魚、鳙魚種群在水體的中下層成群分布，行動緩慢[23]。

圖5 老虎潭水庫水深分布

漁獲期(冬季)魚類在庫區的分布范圍小于增殖放流后(夏季)魚類分布范圍。一方面，冬季隨著水溫的降低，鰱魚、鳙魚出現團聚模式；另一方面，冬季溫度較低，浮游生物生長緩慢，冬季魚類餌料在庫區的分布范圍比夏季小。

漁獲期(冬季)魚類個體大小顯著大于增殖放流后(夏季)魚類個體。一方面由于增殖放流大量投放體長2～3 cm的魚苗，導致魚類個體的平均體長較??；另一方面，放流魚苗經一段時間的生長，到漁獲期(冬季)時個體增大，探測到的魚類個體大小會明顯變大。

漁獲期(冬季)魚類數量顯著低于增殖放流后(夏季)魚類數量。夏季開展的水聲學探測是在老虎潭水庫剛完成鰱魚、鳙魚等魚苗增殖放流活動后進行的，增殖放流活動直接導致了水庫的魚類密度增加。放流后的魚苗(體長2～3 cm)會受到捕食者(例如水庫中存在的鲇魚、翹嘴鲌、烏鱧等)以及自身存活條件的影響，數量會逐漸下降。此外，冬季隨著水溫的降低，鰱魚、鳙魚出現團聚模式，因魚探儀設置分辨率等因素，過大的魚群密度會導致單體目標檢測數量過少而產生采樣偏差[24]。

水聲學探測能較準確獲得水域魚類密度，卻難以判定魚類的種類。因此，在進行魚類資源量評估時需結合其他方法，科學評估魚類資源量變化。本研究采用水聲學探測和漁獲物調查結合的方式對魚類資源動態進行了分析。漁獲物調查的結果表明，老虎潭水庫鰱魚、鳙魚在漁獲物的質量和數量上都具有優勢，是該水庫的絕對優勢種。結合水聲學結果，采用鰱魚的體長—體質量經驗公式，就能較合理準確評估該水庫的漁業資源量變化，從增殖放流后(夏季)的10 246 kg到漁獲期(冬季)增長為43 085 kg。該結果表明增殖放流后水庫的漁業資源量在當年取得了明顯增長。

3.3 魚類增殖放流的凈水效果評價及建議

魚類增殖放流有效地消耗了水域中的營養物，起到了凈化水體的作用。通過分析魚類資源量的動態變化發現，夏季魚類的平均體質量為7.9 g，冬季魚類的平均體質量增至89.76 g，冬季的魚類資源量是夏季的4倍。魚類個體大小顯著增長，庫區魚類資源總量顯著增加。通過對比文獻報道的鰱魚、鳙魚生長特性，發現老虎潭水庫冬季魚類平均體質量約為1齡鰱魚、鳙魚的體質量，而1～2齡的鰱魚、鳙魚的生長速率遠快于其他年齡階段?？焖俚厣L速率亦有助于大量獲取水體中的營養物。已有研究認為餌料生物的保障率和利用率是魚類生長速度的主要制約因素[25-26]，而本研究中老虎潭水庫魚類的生長速度快，表明水庫餌料供應充足，尚未對鰱魚、鳙魚的生長速率造成制約。此次魚類增殖放流數量未超出水庫的容納量，其凈水效果仍可通過增加放流魚體的數量來提高，具體增殖放流的數量需要進一步開展研究。

作為一項控制水體富營養化的生物手段，鰱魚、鳙魚應在其增殖放流后選擇恰當時機進行捕撈。魚類生長速率越快，對營養物質的轉移效率越高，通常0～2齡的個體生長速率最快[25]，而高齡個體對水體中營養物種的轉移作用很小。通過對大個體魚類的捕撈，一方面能加速減少水體中的營養物質累積，另一方面可將成體鰱魚、鳙魚轉換為商品提高經濟收入，進而反饋魚類的增殖放流活動。

根據水體富營養化情況，合理選擇增殖放流區域。本研究中發現，魚類個體多集中于人類活動較多的水域。這些水域通常富營養化水平較高，水體中具有較高的營養物質，能提供魚類生長所需的餌料。因此，應選擇在富營養化水體水域進行放流，一方面可為放流個體快速提供餌料，提高放流存活率；另一方面可直接減輕水體富營養化。

總體上看，老虎潭水庫作為湖州市重要的飲用水源地之一，其水質狀況對周邊居民的飲用水安全具有重要作用，其漁業功能具有維持水庫生態系統穩定和潔水保水的作用。了解庫區魚類的時空動態變化、評估漁業資源量和凈水效果，對于發展庫區的節水保水漁業具有重要意義，也對增殖放流工作提供技術指導。為促進放流魚類的生長有效凈化水體，在魚類生長期可在庫區魚類密度較高的區域，加強監管禁止捕撈，進行針對性管理(如在岸邊設立警示牌等)；而在冬季，可對鰱魚、鳙魚成體進行捕撈，加速水體中營養物質的清除。此外，應對庫區魚類資源進行常年監測，以指導制定合理的放流和捕撈策略。

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