不同流速下氣泡幕和閃光對光倒刺鲃趨避行為的影響

羅 佳白艷勤林晨宇王 濤劉國勇劉德富石小濤,

(1. 三峽大學, 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心, 宜昌 443002； 2. 水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室,武漢 430079； 3. 云南大學國際河流與生態安全研究院, 昆明 650091)

不同流速下氣泡幕和閃光對光倒刺鲃趨避行為的影響

羅 佳1白艷勤1林晨宇1王 濤1劉國勇1劉德富1石小濤1,2,3

(1. 三峽大學, 三峽庫區生態環境教育部工程研究中心, 宜昌 443002； 2. 水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室,武漢 430079； 3. 云南大學國際河流與生態安全研究院, 昆明 650091)

魚類運動的定向誘導技術具備重要應用前景, 如海洋捕撈和過魚設施魚類誘集。目前國內外學者建議通過魚類對外界環境因子如氣泡、光照、聲音、水流等響應行為的研究, 來探討魚類的誘趨技術。其中氣泡幕和閃光誘驅魚技術被認為是魚類潛在無損傷定向驅導技術之一[1,2]。氣泡幕通過管中釋放壓縮空氣產生, 閃光則是由光源在短時間內的間歇性變化(包含顏色或光強)形成。魚類對氣泡幕和光既可能產生趨性行為, 也可能產生避讓行為[3]。然而, 目前的研究多是在靜水實驗條件下開展[1], 與自然情況的流水狀態有所不同。相關研究表明流速對于魚類行為有重要影響, 魚類在不同流速下對氣泡幕和閃光的響應行為有待深入研究。

光倒刺 鲃(Spinibarbus hollandi)屬 鯉形目、鯉科、鲃亞科、倒刺 鲃屬, 主要分布于長江以南各水系, 在北盤江流域有廣泛的分布[4]。北盤江流域梯級水電站開發后, 該流域光倒刺 鲃的數量明顯減少, 光倒刺 鲃已經成為該流域的保護魚類[5]。在減緩北盤江流域水電工程生態負面影響的工程措施中, 涉及需要進行光倒刺 鲃的定向趨避。因此, 本研究以光倒刺 鲃為研究對象, 在室內實驗條件下研究了其在不同流速下對氣泡幕和閃光的趨避行為。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用魚為貴州北盤江增殖放流站提供的光倒刺鲃[體長(20.36±1.71) cm, 體重(124.60±33.28) g], 暫養于三峽大學生態水工實驗室, 暫養水槽規格為長4.0 m, 寬4.0 m,高1.2 m。暫養7d, 待其生活狀況穩定, 正常進食和游動后開始進行實驗。實驗用水為曝氣72h以上的自來水, 暫養期間, 持續曝氣, 每天換水 1/4左右。暫養期間水溫(20.2±0.5)℃ ,自然光照周期。共獲得實驗魚的樣本為200尾, 實驗時每次隨機選取5尾大小均等健康的實驗魚。在實驗結束后, 將實驗魚放入另一個直徑 2.0 m、高0.5 m、水深0.3 m的圓形水槽暫養。根據行為學實驗要求, 同一實驗魚不重復實驗, 以防止實驗用魚對實驗環境產生適應, 影響實驗結果的可靠性。

1.2 實驗裝置

實驗水槽為自行設計制作的魚類游泳水槽(圖 1), 水槽建在全封閉室內, 便于控制光照、水溫。水槽上方用日光燈照明, 水溫(20.2±0.5)℃。實驗裝置的工作原理是通過調節電機g的旋轉速度, 改變螺旋槳f的旋轉頻率, 通過兩個多孔整流器 e使游泳槽截面各處水流速度近似均勻。實驗魚游泳區長5.0 m, 寬0.34 m, 高0.7 m, 上游有一個整流篩 e2用于制造相對均勻的流場, 同時作為攔網將實驗魚阻攔在游泳區, 下游設置攔網 b以避免實驗魚被沖走。在距整流篩e2下游1.5 m處鋪設一根內徑為2cm的PVC管i和閃光燈帶j, 底部PVC管的上側鉆有一排小孔, 閃光燈帶固定在水槽兩側和底部, 由控制器控制閃光頻率； 氣泡幕由HG-750旋渦式充氣增氧機h(最大風量72 m3/h)產生的壓縮空氣, 通過 PVC管從水底 PVC管 i上的一排氣孔噴出產生。在距后攔網b上游1.5 m處設置擋板c, b和c之間為實驗魚的適應區。實驗采用視頻監控,在水槽側面安置四個數字攝像儀(SL-6320AK), 用以觀測記錄實驗魚的游泳行為并通過視頻統計實驗數據。

圖1 實驗裝置俯視示意圖Fig. 1 Plan view of the experimental channel

1.3 實驗方法

在實驗前, 將實驗水槽中的水溫保持到與暫養槽中的水溫基本一致, 即(20.2±0.5)℃。實驗用水為曝氣72h后的水, 實驗開始后停止曝氣。實驗水深40 cm。實驗時, 設置4種不同的水流速速, 即v為0、0.11、0.24和0.42 m/s。

氣泡幕實驗 在靜水(v=0 m/s)條件下, 根據產生不同的氣泡幕所需要的孔徑和孔距的大小設置 9種不同的氣泡幕密度(表 1), 在實驗結束后, 選擇對實驗魚阻攔最好的一種密度用于其他3種水流速度下的實驗。靜水實驗中, 開啟增氧機后, 從底部 PVC管上的小孔沖出一排連續獨立的不規則球形氣泡, 形成“氣泡柵”, 氣泡在上升過程中, 隨著外部壓強的不斷減小, 體積隨之不斷膨脹,氣泡間相互連接、混合, 形成“氣泡墻”(圖 2)。不同孔距所產生的氣泡幕視覺效果不一樣, 孔距越大, 氣泡越稀疏, 氣泡墻越小, 水面波動也越小。在靜水條件下, 氣泡幕垂直于底部, 流水條件下氣泡幕與底部形成一定的夾角, 且流速越大, 夾角越小(圖3)。

圖2 “氣泡柵”和“氣泡墻”示意圖Fig. 2 Schematic diagram of “Bubble grid” and “Bubble wall”

圖3 在不同流速下的氣泡幕形態示意圖Fig. 3 The bubble grid under different water velocity

表1 九種氣泡幕的密度Tab.1 The parameter of bubble curtains with 9 kinds of density

1.4 數據處理

統計實驗魚在空白1h內通過PVC管(閃光燈帶)的次數, 氣泡(閃光)開啟后1h內實驗通過氣泡幕的次數。氣泡幕(閃光)對兩種實驗魚的阻攔或誘使效果主要由通過率(PR)和阻攔率(OR)的大小判斷, 氣泡幕(閃光)的阻攔率越大, 通過率越小, 說明氣泡幕(閃光)對實驗魚的阻攔效果越好[5]。通過率和阻攔率的計算公式如下:

PR(%)=NPA/NPC×100%, OR(%)=(1–PR)×100%

PR為通過率； OR為阻攔率； NPC為無氣泡(閃光)時1h內實驗魚通過PVC管(或水池中線)的尾次數； NPA為開啟氣泡幕后1h內實驗魚通過氣泡幕的尾次數。

實驗數據采用SPSS 17.0進行分析, originlab8.1制圖,統計值使用平均值±標準差(Mean±SD)表示, 用單因素方差分析法分析差異性, P＜0.05表示差異顯著； P＜0.01表示差異極顯著。

2 結果

2.1 氣泡幕對光倒刺 鲃游泳行為的影響

在水流速度為 0時, 實驗設計的 9種密度氣泡幕對光倒刺 鲃均有較好的阻攔效果, 且阻攔效果之間不存在顯著性差異(P＞0.05)(表 2)。每種阻攔率都已達到 90%以上, 并且在密度為I、II、III、V和IX時, 阻攔率已接近100%。因此, 在水流速度為0、0.10、0.24和0.4 m/s時, 氣泡幕攔魚實驗都選擇在密度I下進行。

在產生水流后, 在開啟氣泡幕前后實驗魚主要聚集在適應區頂流, 穿過 PVC管的次數相對靜水條件下減少(表3)。與靜水中空白實驗時相比, 產生水流后的空白實驗中實驗魚在流水中穿過PVC管的次數也遠遠小于靜水中。

2.2 閃光對光倒刺 鲃游泳行為的影響

在實驗時, 從距閃光燈帶0.15 m處開始對閃光燈強度進行測試, 然后每隔0.3 m處測試一次(圖4), 距閃光燈0.15 m處強度為134.2 lx (lx為光照強度單位勒克斯), 然后距離燈帶越遠強度越小, 距離燈帶 2.85 m處時, 強度只有3.8 lx, 已接近黑暗。

如圖5所示, 在靜水下(v=0 m/s), 光倒刺 鲃在無光和閃光條件下穿越燈帶的次數都比較頻繁, 二者之間沒有差異(P＞0.05)； 在流速為0.11 m/s時, 在對照實驗中穿越燈帶的次數也沒有差異性； 在流速為 0.24 m/s時存在極顯著差異(P＜0.01)。在水流速度為0.42 m/s時, 光倒刺鲃在對照實驗中穿越燈帶的次數均較少, 且沒有差異性(P＞0.05)。通過開啟水流前后, 光倒刺 鲃穿越燈帶上方的次數對比發現, 在特定的水流條件下, 閃光對魚產生了吸引作用。

表2 靜水下不同密度氣泡幕對光倒刺鲃的阻攔率Tab. 2 The blocking rate of different bubble curtains under still water (%)

表3 氣泡幕開啟前后實驗魚穿過PVC管次數Tab. 3 The traversing times of test fish before and after opening the bubble curtains

3 討論

3.1 在不同水流速度下氣泡幕對光倒刺鲃造成阻攔效應

氣泡幕是通過管中釋放壓縮空氣產生, 從視覺、聽覺以及感覺上來阻攔魚類[3]。現有針對氣泡幕的研究主要是在靜水條件下進行, 陳勇等[6]通過觀察紅鰭東方(Fugu rubripes)在8種不同密度的氣泡幕的行為反應發現, 8種氣泡幕對兩種魚的阻攔率存在明顯的差異性； Kiyama等[7]研究發現, 氣泡幕對日本 鳀(Wngraulis japomicus)和真燕鰩(Prognichthys agooz)能產生聚集作用, 而趙錫光等[8]的研究發現, 氣泡幕對黑鯛有阻攔作用； 白艷勤等[1]通過觀察氣泡幕對光倒刺 鲃和白甲魚的影響研究發現, 同一密度的氣泡幕對兩種魚的阻攔率也不一樣。而本研究中發現,在靜水條件下, 所設9 種密度氣泡幕對光倒刺 鲃的阻攔效果都超過了 93%, 而在 3組流水實驗下, 空白實驗時,光倒刺 鲃大都聚集在后攔網處頂流, 幾乎不向前游動,穿越 PVC管的次數也很少, 與靜水條件下差異顯著(P＜0.05), 產生氣泡幕后, 發現在特定的水流條件下, 氣泡幕具有更好的定向導魚效果。產生這一現象的原因, 可能與水流有關, 在水流條件下, 氣泡幕與底部之間形成了一定的夾角(圖3), 并且流速越大, 夾角越小。而在靜水條件下, 氣泡幕與底面夾角為 90°, 這與白艷勤等[1]研究結果相同。同時, 不同流速下的氣泡幕對光倒刺 鲃的阻攔效果存在一定的差異性, 說明水流速度也是影響氣泡幕效果的主要因素之一, 因此后續研究應結合水流速度和氣泡幕密度來進行研究, 進一步探討不同的水流條件下,氣泡幕的誘驅作用。

圖4 實驗區閃光燈強度Fig. 4 Flash intensity of the test area

圖5 閃光燈開啟前后實驗魚穿越燈帶次數比較Fig. 5 Compare of the traversing times before and after light up

3.2 在不同水流速度下光倒刺鲃對閃光的趨避行為

閃光燈是一種典型的突發光刺激, 通過光強或光色短時間內發生變化而對魚類產生視覺沖擊, 從而阻止或者吸引魚群[2]。現有針對閃光的研究發現, 魚類對閃光一般會產生回避行為。Nemeth等[9]指出, 銀大馬哈魚(Oncorhynchus keta)和大鱗大馬哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)會對閃光燈產生明顯的逃避行為。Patrick等[10]指出, 閃光燈對灰西鯡(Alosa pseudoharengus)、黃魚(Pseudosciaena crocea)和香魚(Plecoglossus altivelis)會有明顯的驅趕效果, 因此可用于水電站的入口處定向導魚。在本研究中卻發現, 在特定水流條件下, 閃光對光倒刺鲃產生了吸引作用, 這可能是由于物種差異性引起的,也可能是特定的水流條件影響了閃光燈的誘驅魚特性。從視頻觀察也發現, 在流速為0.11和0.24 m/s的空白實驗中,光倒刺 鲃很少穿越燈帶, 大都聚集在后攔網處游動； 但是開啟閃光后, 光倒刺 鲃就開始頻繁穿越燈帶, 且喜歡聚集在燈帶附近游動。這與很多研究者的研究結果相反[2,9],可能是由于閃光燈的強度、頻率及顏色所造成的, 且在本實驗中所設閃光強度(閃光燈附近為130 lx)和背景光的顏色(白)有 可能是光倒刺 鲃所偏好的強度和顏色。因此, 在下一步的研究中, 有必要進一步開展光倒刺 鲃對光照強度和光照顏色的偏好實驗。

[1] Bai Y Q, Luo J, Niu J T, et al. Avoidance Responses of Hemibarbus maculates and Onychostoma sima to Bubble Curtains with Different Density [J]. Journal of Hydroecology, 2013, 34(4): 63—69 [白艷勤, 羅佳, 牛俊濤, 等. 不同密度氣泡幕對花和白甲魚的阻攔效應. 水生態學雜志, 2013, 34(4): 63—69]

[2] Arimoto T, Akiyama S, Kikuya K, et al. Fish-herding effect of an air bubble curtain and its application to setnet fisheries [J]. Fish Behavior in Relation to Fishing Operations, 1991, 196: 155—160

[3] Sager D R, Hocutt C H, Stauffer J R. Estuarine fish responses to strobe light, bubble curtains and strobe light/bubble-curtain combinations as influenced by water flow rate and flash frequencies [J]. Fisheries Research, 1987, 5(4): 383—399

[4] Li Z, Zhang Y J, Zheng L T, et al. Study on Feeding Preference of Spinibarbus holladni to Spirogyra, Hydrilla verticillata, Ceratophyllum demersum and effect on water quality [J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2013, 37(4): 735—743 [黎臻, 張飲江, 張樂婷, 等. 光 倒刺鲃 對水綿、輪葉黑藻、金魚藻的攝食選擇性及對水質影響. 水生生物學報, 2013, 37(4): 735—743]

[5] Guan M Shen J. The impact analysis of the hydroclectric development of Beipanjiang cascade to the fish resources [J]. Guizhou Water Power, 2010, 24(5): 5—7 [官民, 申劍. 北盤江流域梯級水電開發對魚類資源的影響分析. 貴州水力發電, 2010, 24(5): 5—7]

[6] Chen Y, Zhang P D, Zhang S, et al. The Intercepting Effects of Bubble Curtains With Different Density on Fugu rubiripes [J]. Journal of Dalian Fisheries University, 2002, 17(3): 234—239 [陳勇, 張沛東, 張碩, 等. 不同密度氣泡幕對紅鰭東方鲀的阻攔效果. 大連水產學院學報, 2002, 17(3): 234—239]

[7] Kiyama S, Arimoto T, Inoue, Fish herding effect by air bubble curtain in small scale experimental tank [J]. Nippon Suisan Gakkaishi, 1991, 57: 1301—1306 (in Japanese)

[8] Zhao X G, He D R, Liu L D. Comparison on The Reactions of Sparus Macrocep Halus and Epinep Helus awoara to A Bubble Curtain [J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1997, 27(1): 33—40 [趙錫光, 何大仁, 劉理東. 黑鯛和青石斑魚對氣泡幕反應的比較. 青島海洋大學學報. 1997, 27(1): 33—40]

[9] Nemeth R S, Anderson J J. Response of Juvenile Coho and Chinook Salmon to Strobe and Mercury Vapor Lights [J]. North American Journal of Fisheries Management, 1992, 12: 684—692.

[10] Patrick P H, Christie A E, Sager D R, et al. Responses of fish to a strobe light/air-bubble barrier [J]. Fisheries Research, 1985, 3: 157—172

THE INFLUENCE OF BUBBLE CURTAIN AND STROBE LIGHT TO APPROACH-AVOIDANCE BEHAVIOR OF SPINIBARBUS HOLLANDI OSHIMA IN DIFFERENT FLOW VELOVITY

LUO Jia1, BAI Yan-Qin1, Lin Chen-Yu1, WANG Tao1, LIU Guo-Yong1, LIU De-Fu1and SHI Xiao-Tao1,2,3
(1. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, China Three Gorges University, Yichang 443002, China； 2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-Projects and Restoration of Aquatic Ecosystem of Ministry of Water Resources, Wuhan 430079, China； 3. Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650091, China)

流速； 氣泡幕； 閃光燈； 光倒刺鲃

Flow rate； Bubble curtain； Strobe light； Spinibarbus hollandi Oshima

Q142.8

A

1000-3207(2015)05-1065-04

10.7541/2015.140

2015-01-12；

2015-07-20

國家自然科學基金(51009082)； 水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室開放基金(2013002)三峽庫區生態環境教育工程研究中心開放基金(No. KF2013-03)資助

羅佳(1988—), 女, 湖北荊門人； 碩士； 主要從事魚類行為學研究。E-mail: jiajiadebaiyangshu@126.com

石小濤(1981—), 男, 湖北紅安人； 博士； 主要從事水生動物生態學研究。E-mail: sxtshanghai@163.com