三峽水庫香溪河庫灣基于初級生產力的漁產潛力估算

張 琪陳 磊潘婷婷袁軼君高 勇畢永紅胡征宇

(1. 中國科學院水生生物研究所, 中國科學院藻類生態學重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學院大學, 北京 100049；3. 中國長江三峽集團公司樞紐運行管理局； 三峽工程魚類資源保護湖北省重點實驗室, 宜昌 443133)

三峽水庫香溪河庫灣基于初級生產力的漁產潛力估算

張 琪1,2,3陳 磊1,3潘婷婷1,2袁軼君1,2高 勇1,3畢永紅1胡征宇1

(1. 中國科學院水生生物研究所, 中國科學院藻類生態學重點實驗室, 武漢 430072； 2. 中國科學院大學, 北京 100049；3. 中國長江三峽集團公司樞紐運行管理局； 三峽工程魚類資源保護湖北省重點實驗室, 宜昌 443133)

于 2013—2014年在三峽水庫香溪河庫灣開展了浮游植物初級生產力的調查, 并分別采用營養動態模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型計算了該庫灣濾食性魚類的漁產潛力, 以此來評估其水體承載量。結果表明, 香溪河庫灣初級生產力具有顯著的時空異質性； 據此計算的漁產潛力顯示了空間差異和季節動態； 高嵐河水域的漁產潛力較其他水域要大； 夏季漁產潛力最大, 從大到小依次為春季、秋季、冬季。上述方法計算的濾食性魚類漁產潛力分別為7.3×103、1.046×104、1.256×104和2.064×106kg/y。除了Downing模型外, 其他方法的估算結果較接近漁業資源量的真實狀況。以3個模型計算的漁產潛力為核算依據, 確認該庫灣濾食性魚類的水體承載量約為104kg, 最大持續捕撈量可達5×103kg/y。研究結果可為三峽水庫支流庫灣漁業資源的可持續利用提供必要的技術支撐。

初級生產力； 漁產潛力； 生態容量； 香溪河庫灣； 三峽水庫

初級生產力是自養生物在單位時間、單位空間內吸收太陽光能將無機物合成有機物的能力[1]。水體初級生產力不僅直接決定水體浮游動物的生產能力, 而且反映水體漁業生產潛力。Downing等[2]對全球 20個淡水湖泊的研究顯示漁業資源量與水體浮游植物初級生產力顯著相關(R2=0.79), 論證了利用初級生產力估算漁業資源量的可行性, 并提出相關核算的模型方法。盧振彬等[3]應用營養動態模式和Cushing模式[4]估算臺灣海峽及其鄰近海域漁業資源, 王增煥等[5]采用營養動態模型、Cushing模型和Tait沿岸海域生態系統能流模型等 3種方法對南海北部海域的漁業資源量進行評估； 國內用初級生產力估算淡水漁業資源量的研究也常見報道[3—6]。三峽水庫目前已有文獻報道了漁業資源狀況的分析評估工作[7], 但應用初級生產力對漁業資源量進行估算的公開報道尚未發現。

三峽水庫因曾其獨特的地理位置和自然條件,為許多珍稀、特有和經濟魚類提供了適宜的索餌、繁殖和棲息場所, 魚類資源豐富。當前由于多種類型和強度的外界干擾導致三峽漁業資源日益減少,三峽漁業資源的保護和合理利用已成為社會公眾關注的熱點之一。開展三峽漁業資源研究, 認識三峽水域生態系統的狀況與變化, 對三峽生態環境保護具有重要的科學意義。由于支流庫灣為各種魚類提供了良好的攝食、棲息、產卵場所, 是三峽漁業資源的主要聚集地, 本文以三峽水庫香溪河庫灣為研究對象, 通過對初級生產力的調查研究, 開展漁產潛力和生態容量評估, 有助于發展基于餌料生物合理利用的漁業資源調控措施； 本研究結果將為認識三峽水庫庫灣生態系統的結構功能、開展三峽庫灣生態漁業實踐以及進行庫灣生態修復提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 樣點設置

香溪河(30°57′—31°34′N, 110°25′—111°06′E)發源于神農架林區, 于秭歸縣香溪鎮東注入長江, 流域面積3099 km2, 距離三峽大壩38 km, 是三峽水庫蓄水后最先受到影響的大型支流。蓄水后由于回水頂托形成庫灣, 自響灘到河口的庫灣全長33 km[8]。本研究按照距離劃分上中下游, 設定 4個監測樣點, 分別位于香溪河下游HK、香溪河中游XK、香溪河上游PYK和香溪河支流WJW(圖1), 每個樣點進行6次監測。

圖1 香溪河原位調查樣點分布圖Fig. 1 The location of sampling sites in the Xiangxi River

1.2 初級生產力測定方法

2013—2014年度用黑白瓶測氧法[9]對不同水層(0.5、1.0、2.0、5.0和10.0 m)的初級生產力進行測定, 每兩個月對 4個位點分別進行一次實驗, 對 4個位點共進行了23次測量。每層設置1個對照、2個白瓶和2個黑瓶, 均為250 mL溶解氧瓶, 用5 L采水器在對應水層取水灌瓶, 灌瓶時確保完全排空瓶內空氣, 黑白瓶曝光時間為 24h, 起瓶時用堿性碘化鉀和硫酸錳現場固定； 用碘量法測定溶解氧含量。以1 mg O2等于0.375 mg C來換算初級生產力的值[10]。

1.3 漁業資源調查方法

香溪河魚類資源量調查采用設計調查表的問卷調查方法, 通過發放調查表, 以香溪河沿岸的魚販和漁民為調查對象, 獲得漁民全年的捕撈種類和數量, 與魚販收購的種類和數量進行對比, 確定香溪河的魚類資源實際捕撈量。

1.4 估算方法

本研究中相關估算使用的參數中, 香溪河的水域面積核算按照全長33 km, 河道平均寬度200 m進行概算, 水域面積約為6.60 km2。此外, 參照文獻[11]的數據, 鰱每增重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, 以此作為依據計算濾食性魚類的平均碳消耗量為118.6 g/kg, 該數據核算水體的魚類承載量。資源生物(主要是魚類)含碳率取13.5%。按照文獻[12]的數據和方法, 計算確定香溪河的生態效率為12.6%, 營養階層轉換級數為2.43。

營養動態法(Nutritional dynamic method, NDM)營養動態法就是根據食物鏈能量流動理論來對漁業資源量進行估算: 將生態系統的消費者分為不同營養層次, 利用各層次之間的生態效率, 可以估算研究對象的生產量[13]。計算公式為:

式中, P為漁業資源生產量； P0為初級營養階層的生產量, 即浮游植物的生產量； E為生態效率； n為營養階層轉換級數。

本研究中基于香溪河漁業資源調查的結果, 對生態效率取12.6%, 營養階層轉換級數取2.43來估算資源量[5]。

Cushing模型 漁業資源的產碳量等于1%的初級產碳量與10%的次級產碳量之和的一半[4], 即:

G =(0.01P+0.1S)/2

式中, G為漁業資源產碳量, P為初級產碳量, S為次級產碳量。

Tait模型 初級生產力轉化為第三級生物(即漁業資源)的效率為 0.015。據此, 漁業資源的估算公式[14]為:

P = μC

式中, P為漁業資源產碳量, μ為生物的轉化率, C為總有機碳產量。

Downing模型法 根據大量數據進行擬合,所得到的基于初級生產力的核算模型[2]為:

式中, FP為漁業資源年產碳量[kg/(ha·y), 1kg/ha= 100 kg/km2], PP為年初級生產力[即年初級產碳量, g C/(m2·y)]。

1.5 數據分析

全部數據使用Excel 2007進行計算和整理, 數據采用t檢驗和單因子方差分析(ANOVA)進行統計分析以確認數據間的差異。

2 結果

2.1 初級生產力的時空格局

對香溪河春季(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個季節的平均初級生產力調查結果(表 1)。結果顯示, 夏季香溪河年平均水柱日生產力水平最高, 為4.052 g C/(m2·d),冬季最低, 為1.912 g C/(m2·d)。在表1中, 同時計算出有機碳產量, 4個季節的有機碳產量與水柱日生產力的變化趨勢一樣, 為夏季＞春季＞秋季＞冬季, 最大值出現在夏季, 為3.075×103kg C/km2。統計分析表明, 春夏季顯著高于秋冬季(t-Test, P＜0.05)。

香溪河初級生產力的空間分布結果見表 2, 水柱日生產力的分布情況為支流WJW最高, 為4.21 g C/ (m2·d), 上游PYK次之, 為3.51 g C/(m2·d), 下游HK最低, 為2.11 g C/(m2·d)。有機碳產量的分布情況與水柱日生產力的分布一樣, 最大值出現在支流WJW,為4.226×103kg C/(km2·y)。統計分析表明, 上游水域和支流高嵐河水域顯著高于中下游水域(t-Test, P＜0.05)。

2.2 漁業資源和營養級

漁民漁獲物和魚販收購量的調查統計數據顯示,香溪河魚類隸屬于4目8科33屬44種, 魚類群落結構以鯉科魚類為主, 占總種數的61.4%, 全年濾食性魚類的捕撈總量為2050 kg, 主要濾食性魚類包括鰱、鳙。

以各資源生物(魚類、蝦類、底棲動物和浮游動物)的比例進行加權計算漁業資源平均營養級為2.43。香溪河庫灣生態系統中各營養級間的物質傳遞情況為: 營養級Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的傳遞效率依次分別為13.1%、9.08%和15.6%, 該調查研究中模型計算的平均傳遞效率為12.6%。

2.3 漁產潛力的時空動態

分別用4種方法對香溪河不同季節的漁產潛力進行估算(表3)。其中夏季漁產潛力最高, 春季次之,冬季最低。與初級生產力的季節分布規律相同, 統計分析表明, 春夏季顯著高于秋冬季(t-Test, P＜0.05)。但營養動態法的計算數值最小, Downing模型計算的結果最大； 對4種方法的計算結果進行統計分析,確認Downing模型的計算結果與其他三種方法的計算結果間存在顯著差異(ANOVA, P＜0.05)。

表4為4種模型計算的香溪河漁產潛力空間分布的結果, 漁產潛力的最大值出現在高嵐河支流(WJW), 最小值出現在下游HK。與香溪河初級生產力的空間分布規律具有一致性, 統計分析表明, 上游水域和支流高嵐河水域顯著高于中下游水域(t-Test, P＜0.05)。

表1 香溪河初級生產力的季節分布Tab. 1 The seasonal change in the primary productivity in the Xiangxi Bay

表2 香溪河初級生產力的空間分布Tab. 2 The spatial distribution of the primary productivity in the Xiangxi Bay

表3 香溪河漁產潛力的季節動態Tab. 3 The seasonal change in the fishery potential in the Xiangxi Bay [kg/(km2·season)]

表4 漁業資源量的空間分布Tab. 4 The spatial distribution of the fishery potential in the Xiangxi Bay [kg/(km2·y)]

2.4 水體承載量

鑒于Downing模型的計算結果與其他3種方法間存在顯著差異, 且嚴重偏離香溪河水體的實際漁業資源量情況, 在核算水體承載量時, 將其剔除,圖2為以營養動態法、Cushing法和Tait法計算得到的香溪河水體濾食性魚類的承載量； 統計分析結果顯示 3種方法核算的水體承載量沒有顯著性差異(P＞0.05)。基于此, 為盡可能消弭不同核算方法可能存在的誤差, 對3種方法的計算結果進行算術平均,得到香溪河水體年平均承載量為1.011×104kg。

圖2 香溪河水體濾食性魚類的承載量Fig. 2 The phytoplanktivorous fishery resources capacity in the Xiangxi Bay

3 討論

已有研究[15]表明, 初級生產力的季節差異主要是由于光照、溫度等季節性特征的變化導致, 適宜的環境因子是春夏季初級生產力高的主要原因； 冬季水溫低, 光強弱, 浮游植物生命代謝活動較弱,光照和水溫成為水體初級生產力的主要限制因子,使得水體初級生產力最低。本文對香溪河不同位點的監測結果再次證明了該觀點, 香溪河水體的初級生產力具有顯著的季節動態。另一方面, 三峽大壩蓄水后, 作為長江上游主要支流之一的香溪河水文情勢發生深刻改變, 上中下游水體存在顯著不同的水文情勢, 上游依然保持河流態, 存在一定的流速,中下游流速較小, 演變成典型庫灣, 頻繁發生水華。香溪河上游和支流均受到流域來水的影響, 而中下游主要受到干流倒灌的影響, 這樣的水文差異直接導致香溪河初級生產力的水平分布格局為支流＞上游＞中游＞下游。

在這樣的初級生產力時空格局主導下, 香溪河水體的漁產潛力具有相同的時空特征, 采用營養動態模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型核算的結果均顯示了一致的時空動態； 這種一致性是由初級生產力在水域生態系統中的基礎性地位決定的, 已經有大量的文獻報道, 如 Downing等[2]對全球20個淡水湖泊進行研究, 論證了利用初級生產力估算漁業資源量的可行性, 盧振彬和戴泉水[3]以及肖方森[16]也證明初級生產力方法估算漁業資源量是可靠、可行的。另一方面, 需要注意的是, 文中選用了營養動態模型、Cushing模型、Tait模型和Downing模型, 前3種模型主要是根據食物鏈能量流動理論,基于C元素在不同營養級之間的傳遞率來估算水體中漁業資源量, 考察的是生態過程； 尤其是營養動態模型和 Cushing模型, 多用于估算魚類的潛在資源量[4,16,17], 營養動態模型主要使用了浮游植物的含碳量和資源生物的營養級, Cushing模型的關鍵參數是資源生物的含碳率, 對參數的不同取值會直接影響估算結果[12]。Downing模型是通過大量已知數據所擬合的數學估算模型, 考察的主要是生態格局和結果。這種基于不同原理開發的生態核算模型間必然存在一定的差異； 本文基于 4種核算方法計算的數據體現了這種差異, 且通過統計分析, 確認了Downing模型與其他3種模型間存在統計意義上的差異, 其他 3種核算方法間的數據差異不顯著； 說明這 3種方法適用于三峽庫灣的漁產潛力核算, Downing模型不適合用于三峽庫灣。

本文根據其他文獻的研究經驗[3,5,16], 對4種模型相關參數按照實際情況給予合理賦值, 香溪河按水域面積8.05 km2來計算, 每年濾食性魚類的水體承載量約為1.011×104kg, 平均魚產潛力為1.26×103kg/ (km2·y), 較文獻報道的其他水體略小； 如郭村水庫漁產潛力[6]的為5.943×104kg/(km2·y), 柳江河水庫的鰱鱅年平均魚產潛力[18]為 9.075×104 kg/(km2·y)。按50%的開發利用率計算, 香溪河漁業資源的最大持續捕撈量可達5×103kg。

需要指出的是, 由于受捕撈強度過大、水工建筑、環境污染等諸多外部因素的影響, 加上魚類早期資源補充受到的困擾, 長江上游的水生生物受到不同程度的影響[7], 三峽魚類資源量整體呈下降趨勢, 這種趨勢勢必影響支流庫灣的漁業資源, 保護和合理利用支流庫灣的魚類資源, 需要開展更多的研究和實踐工作。其中, 最重要的一項工作是適度補充濾食性魚類的早期資源量, 以確保水體的初級生產力快速轉化, 維護水域生態系統的健康。

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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

中國長江三峽集團公司科研項目(CT-12-08-01)資助

張琪( 1987— ), 女, 湖北黃岡人； 碩士研究生； 主要從事水域生態學研究。E-mail: taoqi1016@sina.com

畢永紅, E-mail: biyh@ihb.ac.cn