兩種鯉科經濟魚類水聲目標強度的實驗測定與應用評估

陳霄航 連玉喜 黃 耿 項 濤 張堂林 劉家壽 葉少文 李鐘杰

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049;3. 安慶師范大學水生生物保護與水生態修復安徽省高校工程技術研究中心, 安慶 246133)

水聲學是近代聲學的一個重要分支, 隨著水聲學儀器的更新換代和計算機技術的飛速發展, 漁業資源聲學評估法廣泛應用于魚類資源調查及評估[1]。與傳統方法相比, 水聲學調查魚類資源具有快速高效、覆蓋范圍廣、不破壞生境等優點, 在此基礎上能夠得到豐富的魚類行為、分布、密度等信息。在漁業資源的水聲學評估中, 魚體目標強度(Target Strength, TS)是衡量魚體對聲波反射能力的一個物理量, 它從回聲強度的角度描述目標的聲學特性,是將回聲積分值轉換為魚體大小和魚類資源量估值的關鍵參數[2]。用回聲積分法計算魚類密度時,一般是將單個魚體的平均目標強度代表成魚類的總目標強度, 通過計算單位水體內魚類平均體積散射強度(Volume Backscattering Strength, SV)與單個魚體目標強度的比值來估算魚類密度[3]。因此, 魚類目標強度的精確測定對于漁業資源聲學評估的可靠性影響重大[4]。

影響魚類目標強度的主要因素包括魚體形狀、是否有鰾、鰾的大小、魚體相對入射聲波的姿態傾角, 以及探測聲波的頻率等[5—7]。實驗測定法是研究魚類目標強度的一個重要途徑, 使用聲學實驗裝置對受控魚類進行實驗測量, 或利用船載聲學儀器對自然狀態下的魚類進行現場測定并通過船后的拖網取樣比對[8]。采用實驗法測定魚體目標強度通常受到場地、可測量頻率以及測試對象差異等諸多條件的限制, 對一般性規律的把握較為困難, 但具有針對性強、精度高的優點, 在特定種類的漁業資源評估中具有顯著的應用價值。

由于魚體目標強度測定對實驗條件要求較高,繩系實驗法早在70年代便有記載[9], 多使用死魚或麻醉魚。迄今為止國際上僅對幾十種魚類的目標強度進行過研究, 遠遠不能滿足漁業資源聲學評估的需求。我國自1984年將水聲學方法引入漁業資源評估以來, 關于魚類目標強度測量研究的報道較少[7,10—12]。目前國內仍主要使用國際上已有的目標強度與體長關系式, 考慮到魚類種類組成和聲學特性的差異, 會導致資源量估算結果出現一定偏差[13]。通過實驗方法測定在我國廣泛分布和具有重要經濟價值魚類的目標強度, 建立它們的水聲目標強度與個體大小關系式, 將有助于提高魚類種群結構和資源量評估的準確性和可靠性。

鯉(Cyprinus carpio)和鳙(Aristichthys nobilis)是廣泛分布的鯉科經濟魚類, 也是我國養殖的主要品種, 據2016年中國漁業統計年鑒統計, 鯉、鳙約占全國淡水養殖主要魚類產量22%[14]。鯉科魚類更是占我國淡水魚類總數目的一半以上[15]。鯉、鳙和大多數鯉科魚類有著相似的紡錘體體形, 從棲息空間上看, 鯉生活于水體的下層和底層, 鳙生活于水體的中上層, 因而開展這兩種魚類的水聲目標強度測定研究具有一定的典型性和實用性。有鑒于此, 本文采用繩系控制實驗法和Simrad EY60型分裂波束回聲探測儀, 對實驗魚鯉和鳙的目標強度進行單體測定, 建立目標強度與體長的關系式并對實際應用效果進行評價, 旨在探討魚類目標強度測量的實驗方法, 完善我國以鯉科魚類為主的內陸水聲學評估技術, 為漁業資源的可持續利用和保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗場地

魚體目標強度測定實驗地點選在湖北省宜昌市隔河巖水庫一處僻靜的庫灣(N 30.404579°, E 110.980000°), 該水域開闊, 平均水深約40 m, 水面平靜, 無航運和漁業活動干擾, 水中氣泡較少。實驗平臺離岸1 km, 所在位置的水深47 m。經探測,半徑60 m內水下無強聲波反射體, 實驗水域近似滿足聲學自由場條件。

1.2 實驗裝置

實驗裝置結構如圖 1所示。實驗平臺搭建在網箱上(5 m × 5 m × 10 m, 網目2a = 1 cm), 用錨固定網箱, 提高其穩定性。測量實驗在網箱內進行, 可避免其他魚類闖入干擾。通過不銹鋼輔助支臂, 將Simrad EY60型分裂波束回聲探測儀的換能器(頻率120 kHz)固定在網箱中央位置、水面以下0.5 m處。用直徑0.6 mm尼龍絲(釣魚線)將活體實驗魚用長約2 cm魚線一端系住下頜, 另一端連在換能器下方9 m處的塑料環上, 任其圍繞塑料環游動。塑料環下方0.5 m處系上5 kg鉛錘, 保證整個裝置垂直。

圖 1 魚類目標強度測定實驗平臺示意圖Fig. 1 Experimental platform for measuring fish target strength

1.3 實驗材料

材料魚鯉和鳙均就地取自隔河巖水庫, 實驗前在網箱中暫養。根據體長范圍, 實驗時按照4個體長組選取健康無損傷個體, 用于目標強度的單體測定。實驗魚鯉26尾, 全長19.9—29.6 cm, 標準長16.6—24.8 cm, 體重174.5—460.9 g, 相應4個體長組的體征參數如表 1所示。實驗魚鳙26尾, 全長49.2—74.2 cm, 標準長40.5—63.2 cm, 體重1200—4700 g,相應4個體長組的體征參數如表 2所示。

表 1 實驗魚鯉的規格大小(平均值±標準差)Tab. 1 Body size of experimental C. carpio (Mean ± SD)

1.4 實驗方法

水聲學測量水聲學測量實驗時間為2017年5月1—20日, 期間平均水溫25℃、電導率223.2 μS/cm、溶解氧8.14 mg/L、pH 8.38、流速小于0.1 m/s。在實驗平臺上, 使用Simrad EY60型分裂波束回聲探測儀(頻率120 kHz)測量魚體目標強度測量。換能器-3 dB波束為7°×7°, 通過不銹鋼支臂固定在網箱中央位置, 入水深度0.5 m, 垂直向下。在實際測量前, 采用Simrad公司提供的直徑為23 mm標準銅球, 按標準方法[16]對回聲探測儀參數設置進行校正。測量時功率設定為50 w, 脈沖發射頻率10 ping/s, 脈沖寬度64ms。筆記本電腦與回聲探測儀連接, 實時顯示和存儲數據。

將每種實驗魚按照體長組分類, 從小到大逐尾逐次用尼龍線固定連接在換能器下方的塑料環上(圖 1), 使得魚體圍繞塑料環保持正常姿態游動, 發射脈沖并使魚體使其處于換能器波束中央, 每尾魚記錄5min。

數據分析使用Echoview軟件(version 5.2)對采集得到的水聲學數據進行分析。根據魚體目標信號所處水深, 界定回聲映像圖中的分析區域,見圖中方框區域內, 該區域以外不予分析(圖 2)。對分析區域進行除噪之后, 用單體回波探測(Single Echo Detection, SED)方法分析單個魚體信號, 主要參數設置如表 3所示。

表 2 實驗魚鳙的規格大小(平均值±標準差)Tab. 2 Body size of experimental A. nobilis (Mean ± SD)

圖 2 實驗魚體目標強度信號的回聲映像圖Fig. 2 Target strength echogram of experimental fishes

通過Echoview得到的是單體魚信號TS值(單位為dB), 故在計算單體魚平均TS和各體長組魚的平均TS時, 需要先將每個回波數據的TS轉換為反向散射截面σ(單位為m2), 對聲學截面進行平均后, 再將其轉換為TS。相關計算公式如下:

TS與魚體全長(TL, 單位為cm)之間回歸關系依據公式(4)進行擬合[17]:

1.5 應用效果評價

為了評價所得魚類目標強度(TS)與全長(TL)關系式的實際應用效果, 選擇一個面積較小且有較詳細魚產量記錄的封閉水域(鹽龍湖)作為試驗水體,使用本文TS-TL關系式和其他幾個常用TS-TL關系式, 對該湖的魚類資源水聲學調查數據進行分析,估算全湖魚類資源量并與捕撈產量數據作比較, 在此基礎上評價不同關系式在魚類資源評估中的可靠性和適用性。

鹽龍湖位于江蘇省鹽城市龍崗鎮(N 33.334568°,E 120.022081°, 圖 3), 水域面積2.228 km2, 平均水深4.2 m, 無沉水植被分布。于2017年2月14日在該湖開展魚類資源水聲學調查, 將Simrad EY60(頻率120 kHz)換能器固定于船體右側、水面以下0.5 m處, 水聲學探測從鹽龍湖東南角開始, 至西北端結束, 全湖調查路線如圖 3所示, 總航程約為6 km, 水聲學探測時航速控制為5-6 km/h, 探測覆蓋率為4.0, 接近較為可信評估的覆蓋率。

2 結果

2.1 實驗魚體重與體長關系

圖 4所示為實驗魚鯉和鳙的體重與體長(全長、標準長)關系擬合曲線, 符合冪函數(W= a ×Lb)分布。運用最小二乘法得到鯉和鳙的體重與全長關系式的b值分別為3.178和3.227, 經t檢驗均與3無顯著差異 (P＞0.05), 說明兩種魚的生長屬于等速生長。

表 3 分裂波束單體回波探測方法的參數設置Tab. 3 Parameter used in a single echo detection by split beam

2.2 魚體目標強度與全長關系

圖 5為鯉和鳙目標強度與全長關系擬合曲線,實驗所測26尾鯉和26尾鳙的TS值分別為-59.35—-45.20 dB和-34.22— -17.49 dB, 回歸得到的兩種魚目標強度(TS, dB)與全長(TL, cm)關系式分別為:

鯉: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)。

圖 4 實驗魚(a)鯉和(b)鳙的體重與體長關系Fig. 4 Relationships between body weight and length for C. carpio (a) and A. nobilis (b)

圖 3 鹽龍湖水聲學調查路線(圖中箭頭示調查走航方向)Fig. 3 Hydroacoustic sampling route in Lake Yanlong

2.3 TS-TL關系式的應用效果

使用本研究鳙目標強度與全長關系式、Love[18]、Foote[16]和任玉芹等[12]的TS-TL關系式, 對2017年2月14日采集的鹽龍湖水聲學調查數據進行分析, 分別得到該湖魚類資源總量的估值為89360、36630、493650和8244470 kg, 折合生物量估值為40.1、16.4、221.6和3700.4 g/m2(表 4); 另一方面, 得到2017年3月該湖“趕、攔、刺、張”聯合漁法的捕撈產量為73610 kg (即33.0 g/m2), 其中鳙、鰱約占70%。綜合這兩方面信息, 計算捕撈量與4個TS-TL關系式所得魚類生物量的比值(C/B)。

對于本研究TS-TL關系式, C/B值為82.4%, 較為合理; 對于Love[18]的TS-TL關系式, C/B值超過了100%, 說明生物量估值偏低; 對于Foote[16]的TSTL關系式, C/B值較低(14.9%), 說明生物量估值有所偏高; 對于任玉芹等[12]的TS-TL關系式, C/B值僅為0.9%, 說明生物量估值太高。

圖 5 實驗魚(a)鯉和(b)鳙的目標強度與全長關系Fig. 5 Relationships between target strength and total length forC. carpio (a) and A. nobilis (b)

表 4 采用4種不同的目標強度與全長關系式評估鹽龍湖魚類資源量Tab. 4 Assessment of fish resource in Lake Yanlong using four different TS-TL equations

3 討論

目前在我國內陸水域魚類資源聲學評估中, 在將目標強度轉換為魚體長度時多借鑒國外的經驗公式, 使用較多的有Love[18]建立的多種魚類全長和目標強度的回歸關系式、Foote[16]建立的有鰾魚類全長和目標強度的回歸關系式等, 然而, 由于魚類種類組成及其聲學特性的差異, 可能導致魚類資源評估的偏差[19]。本文選擇我國廣泛分布的鯉科經濟魚類鯉和鳙作為研究對象, 具有很強的針對性和代表性; 在環境干擾小的網箱水體里開展繩系控制實驗, 現場測定單體實驗魚游動狀態下的目標強度,建立了這2種魚的目標強度與個體大小關系式, 并取得較好的實際應用效果, 有助于提高以鯉科魚類為主體的漁業資源評估的準確性和可靠性。

在具體實驗過程中, 魚體形狀對目標強度的影響在于相同長度的魚體具有不同的聲學散射截面[20], 本研究實驗魚鯉和鳙為典型的紡錘體體形,與鰱、草魚、青魚、鯽等鯉科常見經濟魚類的體形相近; 另一方面, 鰾是影響魚類目標強度的重要結構因素, 占據魚體散射能力的90%—95%[21], 鯉、鳙和其他鯉科魚類均為有鰾魚, 鯉主要棲息于水體下層和底層, 鳙棲息于水體的中上層, 它們在空間生態位上各具代表性。因此, 以鯉、鳙以及近似體形和具鰾結構魚類為主的水域, 在尚未建立各種魚綜合TS-TL回歸關系的狀況下, 可以借鑒本研究的TS-TL關系式, 用于魚類種群結構和資源量的聲學評估。

魚體目標強度與魚體相對入射聲波的姿態傾角也存在著密切聯系, 魚體姿態傾角的差異可引起聲學散射截面的改變, 進而引起目標強度的變化。由姿態傾角引起的目標強度差異可高達30 dB[22]。本研究用0.6 mm的釣魚線將實驗魚下頜系住, 并未對魚體組織產生任何損傷, 圍繞水下固定的塑料環自由活動, 因此較為接近自然游動姿態, 在此過程中通過分裂波束回聲探測儀不斷錄入數據, 達到減小實驗誤差的目的。

水體背景噪音是影響魚類目標強度測定的主要外界因素[1]。背景噪聲一般來源于聲學設備、調查船只、非目標生物、環境噪聲等, 在目標強度測量過程中會降低回聲信號的信噪比, 增加數據提取的難度, 當背景噪音增大到一定程度時, 魚體的反射信號就很難被檢測出來。本文實驗選擇隔河巖水庫的一個僻靜庫灣, 水環境總體穩定, 周邊無航運、漁業活動等人為干擾, 同時通過網箱將實驗魚與其他魚類隔離開, 這些措施可有效地降低水體背景噪音, 提高目標魚類聲學數據測量的精準度。

回聲探測儀的聲波頻率是影響魚類目標強度測定的另一重要因素, 當外源聲波頻率很低, 接近魚鰾的固有頻率時, 魚鰾會產生低頻共振, 引起反射強度的變化[23]。目前漁業資源評估中常用的換能器頻率為38—200 kHz, 本文實驗采用的換能器頻率適中(120 kHz), 測試目標強度受低頻共振的影響較小, 具有較高的穩定性。

為了評價所獲魚類目標強度與體長關系式的應用效果, 我們選擇一個小型封閉水體(鹽龍湖)大捕撈之前的回聲探測數據作為分析實例, 估算全湖魚類資源總量, 并與聯合漁法大捕撈的產量進行比較。根據捕撈經驗, 使用聯合漁法捕撈的捕撈量約占資源量60%—70%, 結果表明通過本研究TS-TL關系式得到的魚類總產量和總生物量比值(82.4%)較為合理, 基本符合“趕、攔、刺、張”聯合漁法的捕撈選擇性(捕撈對象主要為中上層的鳙、鰱)和高效性(尤其是在該湖形狀簡單且無沉水植被的情況下), 因而在一定程度上反映了本研究目標強度測定及其與體長關系式的可靠性和合理性。

本研究存在的不足之處在于, 由于實驗期間活魚來源的限制, 材料魚鯉和鳙的體長范圍相對較窄,今后仍需補充更多體長組魚類來完善實驗方案, 在本文實驗條件和結果的基礎上進一步描述目標強度隨體長的變化特征; 同時亟需開展更多常見魚類(如鰱、草魚、鯽、團頭魴、鱖、中華鱘等)的目標強度測量實驗, 確定不同形態和生態類型魚類的目標強度與體長關系式, 以滿足我國內陸水域魚類生態學研究、漁業資源可持續利用和瀕危魚類保護等領域對提高水聲學評估精準度的不斷要求[24]。