旅游干擾的水質模擬對繁殖前期中國大鯢夜間活動節律的影響

羅慶華, 陶水秀, 周立清, 蔣萬勝, 曹 威, 付 磊, 楊水文, 童 芳, 陳榮桂

1 吉首大學大鯢資源保護與綜合利用湖南省工程實驗室,張家界 427000

2 吉首大學林產化學加工工程湖南省工程實驗室,張家界 427000

3 吉首大學土木與建筑學院,張家界 427000

4 桑植縣氣象局,張家界 427400

5 張家界竹園大鯢生物科技有限公司,張家界 427400

動物日活動節律是動物行為生態學的重要研究內容之一。它是動物每天完成各種活動的一個相對穩定的程序,不僅受形態特征、生理和消化等自身特征的影響,還受外界環境因素的制約,是動物對光照、溫度、濕度、食物、天敵和棲息地面積等環境條件的一種綜合適應[1- 3]。因此,研究動物活動節律不僅可了解動物的生活狀態,還可豐富動物行為生態學的研究內容,并為野生動物的保護與管理提供科學依據[4]。

中國大鯢(Andriasdavidianus)(后簡稱大鯢)是起源于中侏羅紀或前白堊紀的兩棲綱有尾目隱鰓鯢科大鯢屬動物。該物種是現存最大的兩棲動物,能有效反映地質演化歷史以及水生脊椎動物向陸生脊椎動物的進化歷程,因而被認為是生物進化的“活化石”[5]。它在食物鏈中處于關鍵地位,是水、陸生態系統的重要組成部分,影響著生物多樣性和生態系統功能[6]。自20世紀50年代起,由于大量收購、非法捕殺和棲息地喪失等原因,大鯢種群數量嚴重下降[7],分布區極度萎縮。因此,大鯢又被列為國家二級重點保護野生動物,在IUCN國際自然保護聯盟的紅皮書中被列為極危物種[8-9]。

湖南省張家界市武陵源自1992年被列入世界自然遺產以來,旅游業飛速發展,2017年全市旅游人數達到各景區共接待游客7336萬人次。張家界市不僅是享譽全球的武陵源風景名勝區所在地,還是大鯢國家級自然保護區所在地,是國內少有的旅游景區和瀕危動物保護區重疊區域。前期研究表明,張家界市的重度旅游干擾(>50萬人次/a)可改變大鯢棲息地水質、增加噪音、減少大鯢洞穴數并降低其生境質量,其中,水質的變化主要表現為水氧(Dissolved Oxygen,DO)含量與大腸菌群數量的變化,且這些變化與游客人數密切相關[10]。那么,在張家界市大鯢保護區旅游人數逐年遞增的背景下,其旅游活動所導致的水質變化是否會以及如何影響大鯢的活動節律？這是張家界市大鯢保護中亟待探討的科學問題。目前,有關旅游活動對野生動物活動節律的影響研究還相對較少。少量研究案例揭示表明：人為活動明顯減弱了梅花鹿(Cervus nippon)和野豬(Sus scrofa)在日本中部地區的活動強度,并使其多選擇在夜間活動[11]；而人工投食和游客干擾等顯著影響了野放獐(Hydropotes inermis)的活動規律[12]。對隱鰓鯢科動物研究發現,有美洲隱鰓鯢(Cryptobranchusalleqaniensis)日活動高峰出現在天黑后2 h左右[13],活動節律主要受性別、水溫(Water Temperature,WT)、光照及季節等因素的影響,且溪流深度與其夜間活動呈正相關[14]。野生大鯢活動具有明顯的晝伏夜出特點[15],且其繁殖前期的行為活動較為活躍。有研究表明這些活動受到光照和WT等環境因子的影響,同時也會影響大鯢的繁殖結果[16]。在旅游活動日益活躍的當今,大鯢繁殖前期的行為活動是否還會受到由旅游干擾所導致水質變化的影響？在自然生境中,野生大鯢通常生存在人類難以到達的石灰巖溶洞和地下陰河中[17],因此很難對其繁殖前期的夜間活動節律進行觀測,也無法監測旅游干擾所導致的水環境變化對其活動節律的影響。為了回答上述所提出的科學問題,本研究在大鯢仿生態繁育池中,通過控制水中DO含量來模擬旅游重度與輕度干擾下大鯢生境的水質變化,比較大鯢繁殖前期的晝夜活動差異,分析旅游干擾與大鯢活動之間的關聯性。以此來揭示旅游干擾對大鯢活動節律的影響,豐富大鯢的行為生態學研究內容,為大鯢生態繁育技術優化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗時間與地點

在湖南省張家界市桑植縣空殼樹鄉,張家界竹園大鯢生物科技有限公司生態繁殖基地(29°28′N,110°22′E,海拔471 m)進行試驗。按照往年記錄,該基地大鯢的產卵時間為8月下旬—9月中旬,確定觀察時間為2017年7月21日—2017年9月21日,共63 d。

1.2 實驗材料與設備

1.2.1觀察大鯢

體重9.8—11.5 kg,體長1.12—1.25 m,9—10齡。

1.2.2人工溪流

溪長、寬與深分別為13.2 m、1.1 m和0.4 m,水深0.2 m,溪岸由卵石和泥土組成,植被覆蓋率30%。試驗用洞穴面積為1.44 m2,洞口高和寬分別為0.25 m和0.3 m,水深0.2 m,底質為砂子和卵石。

1.2.3數字監控系統與生態因子監測

在每條溪流的進出口上方安裝2個攝像頭(HIKvision H.265/MJPEG,圖1),觀察大鯢進出洞以及在溪流中的活動。分別觀察并記錄模擬重度干擾與輕度干擾區各6尾大鯢(3雌3雄),共12尾大鯢的進出洞節律。生態因子監測采用氣象監測儀(廣州暢運TWS- 3N)(圖1)。分2組探頭,分別監測模擬重度干擾與輕度干擾2個組的水質WT與DO。

圖1 大鯢生態繁育池

1.3 試驗方法與觀測指標

1.3.1旅游干擾模擬

在大鯢出/進洞在傍晚至清晨,溪流中DO含量主要由溪流中進水DO含量決定。在基地選擇2條人工溪流通過控制水交換量,來模擬重度和輕度旅游干擾下的水體DO。根據前期研究結果,重度干擾DO約為(6.23±1.16)mg/L,輕度干擾約為(8.83±1.20)mg/L[10]。同時,測定水中大腸菌群數量與前期野外調查的結果進行比較。

1.3.2大鯢繁殖期夜間活動節律的觀察

基于視頻回放記錄每天出洞與進洞時間。出洞活動是指大鯢身體有1/3以上露出洞穴(圖2),在溪流內靜止不動或爬行[14]。記錄的出洞和進洞(圖2)時間分別為首次出洞和最后進洞時間,觀察63 d。

圖2 大鯢出洞、進洞實拍截圖

1.3.3觀測方法與指標

氣象監測儀監測WT與DO,多管發酵法測定大腸菌群[18],在大鯢出洞17:00—20:00時,雌鯢進洞23:00—次日1：00與雄鯢進洞6—8 h[19]每隔1 h取樣。分別于7月21日和31日、8月10日、21日和31日、9月10日與21日,每隔10—11 d采樣測量,共7次。大鯢出/進洞時間大腸菌群的計數根據臨近時間的測量值計算。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0軟件對不同水質下雌/雄大鯢出進洞時間、WT、DO與大腸菌群按日期進行配對樣本T檢驗,比較不同水質下大鯢夜間活動節律以及水生態因子的差別。對不同水質下雌/雄大鯢出洞時間之間進行配對樣本T檢驗,并比較雌雄鯢進洞時間差距,探明大鯢的夜間活動節律。對大鯢出/進洞時間與當時WT、DO、大腸菌群分別做相關性分析,探明大鯢出洞時間與主要水生態因子的關系。

2 結果與分析

2.1 不同干擾強度下大鯢晝夜節律

2.1.1出洞時間

大鯢出洞時,頭部先慢慢伸到洞口,觀察周圍環境5—15 min左右以確認環境安全后完全出洞(圖2)。在模擬重度與輕度干擾區水質下,雌鯢出洞時間分別為介于17:39—20:18與17:48—20:13,高峰期均在18:30—19:30(圖3)；雄鯢出洞時間分別介于17:15—19:13與17:15—19:21,高峰期在18:00—18:45(圖3),雌/雄鯢出洞時間平均值見表1。配對樣本T檢驗表明,在模擬重度下雌/雄大鯢出洞時間均極顯著晚于輕度(P<0.01),平均晚17 min與16 min(表1)。在同一水質下,雄鯢出洞時間極顯著早于雌鯢(P<0.01),在重度與輕度干擾水質下,雄鯢早出洞時長分別為40 min與41 min。

表1 不同干擾強度下雌雄鯢出洞時間配對樣本T檢驗

圖3 雌雄大鯢出進洞時間分示詳圖

2.1.2洞外活動

晴天出洞的大鯢出洞前很少在洞口探頭,出洞后在人工溪流中緩慢爬行,或靜趴在水中,偶爾會翻轉身體,有呼吸、攝食、求偶、沖涼、打架等行為,或串洞、在洞口轉圈、追趕魚群。

雨天大鯢在出洞前多在洞口觀望,1—2 h后露出前肢,有呼吸行為,并且略顯焦躁,白天和晚上都會頻繁進出洞。當周圍環境有動靜,大鯢就會驟然反應并迅速回洞。觀察期間,雌鯢洞外活動高峰期為21:00—23:00,雄鯢為21:30—次日3:00,此外,雄鯢在20:35—21:49與次日2:18—3:52期間會頻繁進出洞(每隔10 min左右進出一趟),雌鯢在21:50—23:50期間頻繁進出洞。不同模擬干擾強度的水中,大鯢的洞外活動沒有明顯的差別。

2.1.3進洞時間

在整個觀察期,雌鯢與雄鯢進洞時間較為穩定(圖3)。在模擬重度與輕度干擾水質下,雌/雄鯢進洞時間均接近,雌鯢進洞時間分別介于23:42—次日1:21(24:10±0:14)與23:45—次日1:20(24:18±0:17),高峰期均在23:45—次日0:30(圖3)。在模擬重度與輕度干擾水質下,雄鯢進洞時間分別介于4:28—8:38(6:44±0:23)與4:51—8:02(6:39±0:29),高峰期在6:00—7:30(圖3)。雌/雄鯢進洞平均值見表1,配對樣本T檢驗表明,雌雄鯢進洞時間在不同干擾強度區之間差異不顯著(P>0.05)。在同一水質條件下,雄鯢進洞時間約滯后于雌鯢5—7 h。

2.2 水生態因子對大鯢晝夜節律影響

2.2.1WT對大鯢出/進洞時間的影響

(1)大鯢出洞WT

觀察期不同水質下大鯢出洞時WT見圖4,在重度與輕度干擾水質下雌鯢觀察期出洞WT分別介于16.70—22.30℃與16.65—22.30℃(圖4),雄鯢觀察期WT分別介于16.70—22.45℃與16.64—22.40℃(圖4),均由觀察前期至后期呈下降趨勢,高峰段分別在17.5—20.0℃。WT的均值見表2,配對樣本T檢驗表明,重度干擾水質下雌雄大鯢出洞WT極顯著高于輕度(表2),平均水溫約高0.05℃。

圖4 大鯢出進洞水溫動態變化

表2 不同干擾強度下雌雄鯢出洞水溫、水氧與大腸菌群配對樣本T檢驗

(2)大鯢進洞WT

觀察期大鯢進洞時WT見圖4,由觀察前期至后期呈先上升后下降趨勢。在不同水質下,雌鯢進洞時WT分別介于15.46—20.80℃與15:43—20.80℃,高峰段在16—19℃(圖4)。雄鯢進洞時WT分別介于15.08—20.20℃與15.10—20.10℃,高峰段在16.00—18.50℃(圖4)。出/進洞時WT平均值見表3,配對樣本T檢驗表明,不同水質下雌雄鯢進洞WT差異不顯著(表3)。

表3 不同干擾強度下大鯢進洞水溫、水氧與大腸菌群配對樣本T檢驗

(3)日均WT

觀察期日均WT介于16.07—21.34℃,平均為(18.20±0.60)℃。從觀察前期至后期呈下降趨勢,見圖5。

圖5 日均水溫變化

2.2.2進/出洞時DO含量與大鯢晝夜節律

(1)大鯢出洞時DO含量。大鯢出洞時水體DO含量見圖6,雌/雄鯢出洞DO含量在模擬重度與輕度干擾水質下見圖6,它們的平均值見表2,不同水質的DO含量每日均值均設置在DO范圍中。配對樣本T檢驗表明,模擬重度干擾強度下雌/雄鯢出洞時DO含量極顯著低于輕度干擾下的(P>0.01,表2)。

(2)大鯢進洞時DO含量。雌/雄鯢進洞時水體的DO含量見圖6,其平均值見表3,配對樣本T檢驗表明,模擬重度干擾強度下雌/雄鯢進洞時DO含量極顯著低于輕度干擾下的(P<0.01,表3)。

圖6 雌雄鯢出進洞時溶解氧變化

2.2.3大腸菌群數量

(1)出洞時大腸菌群含量。雌/雄鯢出洞大腸菌群數量見圖7,各采樣日在觀察前期上升,后期下降,變化趨勢相似,不同水質中雌/雄鯢出洞時大腸菌群數量平均值見表2。7日中大腸菌群配對樣本T檢驗表明,雌雄鯢出洞時大腸菌群在模擬重度區與輕度干擾區差異顯著(P<0.01,表2)。

(2)進洞時大腸菌群的含量。不同時間段雌/雄鯢大鯢進洞大腸菌群數見圖7。各采樣日大腸菌群數在觀察前期上升,后期下降,變化趨勢相似。不同水質下大腸菌群數量平均數見表3,配對樣本T檢驗發現,大腸菌群在重度干擾區極顯著高于輕度干擾區(P<0.01,表3)。

圖7 大鯢出進洞時大腸菌群的數量變化

2.3 大鯢出洞時間與水生態因子的相關性

相關性分析結果見表4,在2種水質狀態下,雌/雄鯢出洞時間與出洞WT、日均WT均極顯著正相關(P<0.01),WT越高,則出洞的時間越晚。雌/雄鯢出洞時間與出洞時DO呈顯著負相關(重度干擾水質下P<0.05,輕度干擾水質P<0.01),與大腸菌群顯著正相關(P<0.05)。在2種水質狀態下,大腸菌群數與雌/雄鯢出洞時間均顯著正相關(P<0.05),但是相關系性遠低于WT、DO與大鯢出洞時間的相關性。雌/雄鯢出洞時間與日均WT極顯著正相關(P<0.01,表4)。

表4 不同干擾區大鯢出進洞時間與水溫、日均水溫、水氧、大腸菌群間的Pearson相關系數

進洞時間僅雄鯢在重度干擾區與WT、日均WT顯著正相關(P<0.05),且進洞時間與WT相關系數小(0.36),其他雌/雄鯢進洞時間與進洞時WT、DO與大腸菌群不顯著相關。

兩種水質條件下,大鯢進出洞時大腸菌群與WT、DO的相關分析結果見表5,可見,大鯢出/進洞時大腸菌群均與WT極顯著正相關(P<0.01),與DO極顯著負相關(P<0.01)。WT越高,DO越低,大腸菌群數量越大,大鯢出洞時間越晚。

表5 大鯢出進洞大腸菌群與大鯢出洞時的水溫、水氧的Pearson相關性

3 討論與結論

3.1 旅游干擾對大鯢活動節律的影響

實驗模擬重度旅游干擾導致的水質變化,使大鯢出洞時間較輕度干擾水質下推遲,雌/雄平均晚17 min與16 min。對進洞時間影響不顯著。為什么重度干擾會導致雌雄鯢出洞時間延遲？

(1)DO含量對大鯢晝夜活動節律影響。重度旅游干擾區顯著增加了大腸菌群數量與降低DO含量,不顯著影響大鯢棲息地WT[10]。DO分別與重/輕度干擾水質下、雌/雄鯢出洞時間顯著負相關。DO含量越高,大鯢出洞時間越早。在相同溫度條件下,水中的DO含量與大鯢的攝食量呈正相關,大鯢在高DO含量水環境下早出洞去尋找食物[20]。WT升高可加速養殖水體中有機物的腐敗和分解進程,消耗養殖水中的DO,WT高時,DO低。因此,輕度干擾區水中DO高,大鯢出洞時間較早,高強度旅游干擾下水中DO低,大鯢出洞較晚去尋找食物。雌/雄鯢進洞時間與進洞時DO含量不顯著相關。

大鯢是兩棲動物,主要生活在水中,用肺呼吸,但其肺不發達,需要通過皮膚來輔助呼吸,因此,其棲息的水中需要有足夠的DO[21]。水中DO大于5 mg/L,能夠保障大鯢正常生長對DO的需要[22-23]。該模擬實驗中輕度與重度干擾區水中DO均大于5 mg/L,因此,模擬重度干擾水質變化對其晝夜節律影響小。

(2)大腸菌群對大鯢的活動節律影響。大腸菌群是一類需氧及兼性厭氧革蘭氏陰性無芽胚桿菌,對旅游人數最為敏感[10,24],大腸菌群生長溫度范圍7—49.5℃,最適生長溫度37℃,在7—37℃之間,隨著溫度的上升而增加[25]。因此,在不同干擾強度水質中大腸菌群數量均與WT極顯著正相關。因此,大鯢出洞時在傍晚,溫度高,大腸菌群數量高,進洞時候在夜間與黎明,水溫低,大腸菌群數量低。當DO高時,水中的有機物分解快,水體中的有機C和N含量降低,大腸菌群數量下降,其與DO極顯著負相關。與雌雄鯢出洞顯著正相關,與雌雄鯢進洞時間無顯著相關(表4)。因此,WT高,DO低時,大腸菌群數量大,大腸菌群數量與雌/雄鯢出洞顯著正相關。但是大腸菌群與大鯢出洞時間的相關性低于WT、DO與大鯢出洞時間的相關性,而大腸菌群與WT與DO極顯著相關,此外,該指標監測困難,操作不易。因此,對于旅游導致的水質變化,可以不監測大腸菌群數,僅監測WT與DO即可。

3.2 大鯢的活動節律

(1)大鯢進出洞時間。通過對6尾/雄鯢與6尾雌鯢的進出洞時間以及當時的WT、DO含量與大腸菌群數量的觀測,發現雌鯢出洞時間介于17:39—20:18,平均19:03±0:28,高峰期在18:30—19:30,雄鯢出洞出洞時間介于17:15—19:21,平均18:20±0:24,高峰期在18:00—18:45。雌鯢活動高峰期為21:00—23:00,雄鯢為21:00—次日1:00。雌鯢進洞時間介于23:01—次日1:21,平均24:13±0:31,高峰期均在23:45—次日0:30。雄鯢進洞時間介于4:28—8:38,高峰在6:00—7:30,平均6:42±0:34。雌鯢出洞時間晚于雄鯢30—45 min,進洞時間早于于雄鯢6—7 h。

Luo等報道了1對雌雄大鯢出洞時間高峰分別為18:15—18:35與18:00—18:15[26],比此次研究結果平均值分別早15—55 min與0—30 min,此小的差異應該為大鯢個體差異。此外,不同年間觀察期內氣候的差異也可能導致此出洞時間差別。Coatney報道,隱鰓鯢白天很少出來活動,每天天黑后2 h活動頻繁[27],本文雌雄鯢出洞高峰期早于其報道,這可能是中國大鯢與隱鰓鯢的活動節律的時間差別。于虎虎等報道,大鯢19:30開始出洞活動,其活動高峰為21:30—1:30,6:30后返回洞穴[16]。本研究中大鯢出洞時間較其報道分別早1—2 h與0—1 h,可能是由于研究地區不同,實驗場地的氣候條件差異造成,但是活動高峰期與本文接近。

該實驗發現雄鯢的夜間活動時間長于雌鯢約6.0—7.5 h,可能是因為繁殖期間雄鯢需要攝取大量食物。此外,一定的運動有益于雄鯢健身,以儲備較為豐富的營養物質及體能,為將來產卵與護卵做準備。此外,繁殖前期雄鯢洞外活動時間長,也益于其并尋覓配偶。而雌鯢此時體內懷有大量卵子,體重較大,因此出洞活動較少[16]。

(2)WT對大鯢出/進洞時間的影響。大鯢最適宜WT為16—23℃[28],在整個觀察期,大鯢出洞WT處于此范圍。雌雄鯢出洞活動時間與WT顯著性正相關,繁殖期間WT越高,出洞時間越遲。觀察期處于高溫季節,洞外溫度高于洞內,溫度越高,出洞時間越遲。冬季,洞外溫度低于洞內,其相關性可能呈負相關,WT越高,出洞時間越早。大鯢出洞時間與溫度的相關性可能有季節性變化。雌/雄鯢出洞時WT在重度干擾水質下極顯著低于輕度水質中WT,約0.05℃,是由于重度干擾水質下DO較小,大鯢出洞晚于輕度水質下,在夏天雌雄大鯢出洞時間17—20點之間,越晚WT越低。

觀察期雌鯢進洞WT也處于或接近大鯢適宜WT(16—23℃)[28]。在整個觀察期,雌/雄鯢進洞時間穩定,WT、DO與大腸菌群對其影響小。進洞時間可能由其生物鐘決定[26]。

于虎虎等報道,大鯢出洞活動的數量與WT相關性顯著,WT是決定其出洞活動高峰期的主要因子,在16.7—16.8℃時回洞隱藏[16],本文觀測的WT值略低于該文研究結果。陳云祥等認為大鯢為變溫動物,日活動節律是隨著氣候WT條件的改變而變化[29]。該文與其報告不同的是大鯢的進洞時間與WT不顯著相關。旅游干擾對水溫影響不顯著,因此旅游干擾對大鯢活動節律影響小。

3.3 結論

通過受控實驗,發現在模擬旅游重度導致的水質變化使雌/雄大鯢出洞時間推遲,推遲時間僅為17 min與16 min左右；大鯢進洞時間受其影響不顯著,其可能更多受到其生物鐘的影響。旅游干擾導致的水質變化對大鯢繁殖期活動節律影響較小,預計其對大鯢的產卵率影響不大。

張家界市部分旅游景點的重度旅游干擾(游客人數>50萬人次/a)降低了水體的質量,但其水質仍能滿足大鯢的生長要求[10],對大鯢活動節律影響小,科學的旅游管理可以達到旅游發展與野生動物保護和諧發展。該文系統記錄了12尾雌/雄親鯢在繁殖前期的出/進洞的時間,以及當時的WT、DO含量與大腸菌群數量,探明了親鯢在繁殖前期夜間活動節律。