基于聲學標記追蹤法的湖泊魚類時空分布研究

石 磊 葉少文 朱 浩 紀 翔 王佳成 劉傳昂 劉家壽 劉興國

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 大連海洋大學, 大連 116023;3. 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所, 上海 200092; 4. 西南大學水產(chǎn)學院, 重慶 402460;5. 圖索科技(上海)有限公司, 上海 200333)

傳統(tǒng)的水生動物生物學和行為學研究通常采用捕撈及實驗室飼養(yǎng)等方式進行, 而對于水生動物在自然狀態(tài)下的行為模式研究依然較少并存在很大的局限性, 因此生物遙測技術(shù)(Biotelemetry)作為一項能夠監(jiān)測自然狀態(tài)下魚類生活史行為的技術(shù),越來越成為探究水生動物行為學與生物學等的重要研究手段之一[1]。生物遙測技術(shù)是指通過將聲學發(fā)射器安置在自然動物上, 以接收機的數(shù)據(jù)為分析依據(jù), 可在實驗室內(nèi)監(jiān)測動物的位置、生理指標及周邊的棲息生境等[2]。這一技術(shù)的逐步完善, 拓寬了水生動物的研究方向與領(lǐng)域。

生物遙測始于20世紀50年代, 最早是用于海洋生物的聲學標記系統(tǒng), 并隨著生態(tài)學和材料學等方面的進步開始得到發(fā)展[3]。國外學者通過水聲學標記與追蹤系統(tǒng), 針對魚類覓食、遷徙和繁殖等生活史行為進行了廣泛的研究, 包括追蹤監(jiān)測魚類生活范圍、固定活動位點、河口等重要地理位置及產(chǎn)卵行為與幼魚洄游的路徑等[4—10]。而針對魚類的家域范圍, 可通過100%最小凸多邊形法(Minimum convex polygon, MCP)及50%和95%核利用率分布法(Kernel utilization distribution, KUD)確定魚類活動的核心區(qū)域[11—14]。國內(nèi)的生物遙測起步較晚, 最早是用于追蹤和確定珍稀動物的生活史行為, 例如: 危起偉等[15]1995年和1996年期間對15尾繁殖期中華鱘進行標記, 確定各尾鱘的產(chǎn)卵期間的行為軌跡; 其后, 林永兵[16]對18尾中華鱘親鱘進行標記, 探究其在葛洲壩下至長江入?？诮蔚钠脳⒌睾瓦w移速率等。同時, 生物遙測也逐步被用于增殖放流和生態(tài)修復項目, 例如: 郭禹[17]在對增殖放流下的黑鯛與花尾胡椒鯛進行標記, 確定了其生活習性與洄游規(guī)律; 王志超等[18]利用VPS定位系統(tǒng), 對人工礁區(qū)內(nèi)5種魚類進行聲學標志跟蹤, 明確了其家域情況和人工魚礁的整體利用率。目前我國的生物遙測技術(shù)在淡水領(lǐng)域的監(jiān)測活動相對較少, 尚未建立一套完整的針對淺水草型湖泊內(nèi)各種經(jīng)濟型魚類的追蹤監(jiān)測體系, 該研究領(lǐng)域亟需一套較為全面的構(gòu)建與評估系統(tǒng)。

本研究基于白洋淀魚類與水環(huán)境的多次調(diào)查,充分了解實驗地區(qū)的環(huán)境條件, 再利用Vemco定位系統(tǒng)(Vemco position system, VPS), 構(gòu)建完整的淺水草型湖泊的生物遙測系統(tǒng), 評估其監(jiān)測效果并探究接收機接收量與各種非生物因素的相關(guān)性, 為后續(xù)生態(tài)修復提出建議, 同時填補生物遙測技術(shù)在該方面的空白, 為相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗地點

本研究于2019年6月至12月(夏季、秋季與冬季)在河北省保定市雄安新區(qū)境內(nèi)白洋淀區(qū)鰣鯸淀進行(N: 38°50'39.39″, E: 115°59'30.04″), 如圖 1所示, 該淀區(qū)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“白洋淀水生生物資源調(diào)查與水域生態(tài)修復示范項目”的五大示范區(qū)之一,屬于典型的淺水草型湖泊。本次聲學標記追蹤實驗于生態(tài)修復示范區(qū)2 km2圍隔內(nèi)進行, 實驗區(qū)平均水深為3 m。

圖1 白洋淀研究區(qū)域Fig. 1 Study site in Baiyangdian Lake

1.2 實驗方法

標記與監(jiān)測系統(tǒng)本研究使用V8-4L型發(fā)射器, 聲源級144 dB relμPa @1m, 外殼使用耐壓亞克力管, 外觀直徑長20.5 mm, 寬8 mm, 空氣中重量為2 g, 水中重量為0.9 g, 發(fā)射器的使用壽命隨著發(fā)射周期的信號而變化(表 1)。所使用的接收機為VR2Tx型, 其不斷接收并存儲周圍所發(fā)射的唯一編碼的超聲波信號。每個接收機攜帶有溫度傳感器并且能夠與發(fā)射器時間同步, 內(nèi)置電池可使用14個月左右,內(nèi)部可存儲160萬個發(fā)射信號, 并通過獨立的磁吸式開關(guān)打開藍牙系統(tǒng)將信號上傳至計算機(表 2)。

表1 發(fā)射器參數(shù)Tab. 1 Transmitter parameters

表2 接收機參數(shù)Tab. 2 Receiver parameters

現(xiàn)場接收距離測試實驗由于聲學系統(tǒng)性能發(fā)揮與各種因素相關(guān)聯(lián), 包括實驗區(qū)水生植被生長狀況、礁石分布、水溫、風速、降雨及發(fā)射器與接收機的距離等。因此在布設(shè)接收機陣列前, 需對VR2tx型接收機在鰣鯸淀水域接收性能進行科學評估[18,19]。首先在實驗區(qū)內(nèi)進行距離監(jiān)測(圖 2),將測試發(fā)射器放置于試驗區(qū)某處, 沿直線方向上以相同的距離間隔放置實驗接收機。測試結(jié)果表明,當距離為140 m時接收率為73.7%, 當距離為60 m時, 接收率高達93%。為保證接收效率并充分結(jié)合實驗區(qū)地形, 最終確定相鄰3個接收機投放間隔距離約為60 m。在進行陣列設(shè)計時, 對于位置數(shù)據(jù)接收至少需要3個接收機組成三角形確定發(fā)射器位置,而接收機接收量越大, 路徑分析越準確, 因此確定接收機擺放如圖 2右所示。在接收機的固定方式上, 上方采用警示性浮漂用以確定接收機位點, 中心使用寬10 mm尼龍繩用以連接接收機與下方固定物, 接收機使用尼龍扎帶固定于尼龍繩中部, 底部采用水泥澆筑的圓柱型石塊固定, 其重量需保證接收機位置不變。

實驗區(qū)通過人工抓取、以點代面的方式獲取水草種類、分布與生長狀況, 稱取水草鮮重, 利用ArcGis Pro的克里金插值法繪制出試驗區(qū)水草分布狀況。實驗區(qū)的平均水深為3 m, 針對水草、人工魚礁及礁石等對信號接收的影響, 接收機放置位置必須高于人工魚礁且高于水草的平均長勢, 但同時考慮到所追蹤的魚類預期的活動情況更加偏向于中下層水域, 則最終確定接收機放置于水面以下1 m處, 同時將接收機頂端的換能器朝向底層。在接收機矩陣相對接收效果較好的范圍內(nèi)放置參考發(fā)射器(V8-4L型), 用以確定所接收超聲波信號的準確性并校正最終數(shù)據(jù)(圖 2)。

圖2 接收機擺放距離測試(左圖)與擺放位置(右圖)Fig. 2 Range test for location of receivers (left) and location of receivers (right)

魚類標記方法為減少魚類外部損傷同時減小實驗誤差, 本實驗所標記魚類均使用地籠與拖網(wǎng)于白洋淀內(nèi)捕獲。所有實驗魚均在水箱內(nèi)暫養(yǎng)12h并選取具有正常生理活動的個體進行標記, 此外為保證發(fā)射器對魚體的影響較小, 發(fā)射器重量需滿足“2%規(guī)則”, 即發(fā)射器重量需要小于魚體重量的2%[20—26]。標記魚烏鱧體長為34.22—38.65 cm, 體長平均值為36.51 cm, 體重為311.4—356.1 g, 體重平均值為334.15 g; 標記魚鯽的體長為22.95 cm, 體重為216 g, 所用實驗魚詳細形態(tài)特征如表 3所示。為防止發(fā)射器在實驗期內(nèi)脫落, 本研究通過手術(shù)縫合法將發(fā)射器導入實驗魚腹腔內(nèi)。以MS-222為麻醉劑, 當魚類表現(xiàn)為身體側(cè)翻, 尾部停止擺動, 輕觸下無任何應激反應為最佳麻醉期, 此時快速取出標記魚, 以碘伏消毒腹部, 使用醫(yī)用手術(shù)工具輕劃腹部大約10—12 mm傷口, 放置發(fā)射器, 快速縫合, 置水中暫養(yǎng), 手術(shù)期間取少量高溶氧水保持魚類鰓部及其他部位濕潤[23]。暫養(yǎng)24h觀察, 待魚體未有任何異常后, 將追蹤魚放入實驗區(qū)內(nèi)。

表3 發(fā)射器代碼與放流魚類Tab. 3 Record of tagged code and released fish

1.3 數(shù)據(jù)分析

定期收取追蹤數(shù)據(jù), 使用Vemco公司的VUE軟件進行預處理分析, 獲取接收機接收率與接收效果情況, 精密的位置數(shù)據(jù)等由Vemco公司開發(fā)的Fathom Position軟件分析。取夜間的接收量與日間的接收量之差, 作擬合曲線并檢驗顯著性(凌晨6:00至傍晚時分18:00定義為白天, 下午18:00至次日凌晨6:00定義為夜間)。將天氣情況按照等級分為1—6級, 分別代表晴、多云、陰、小雨、中雨及暴雨, 使用一般線性模型(ANOVA方差分析)探究接收量與天氣情況的相關(guān)性, 若天氣對接受量存在影響, 再采用Tukey-Kramer法對不同的天氣狀況進行多重比較, 探究不同天氣之間是否有差異。統(tǒng)計實驗期間逐日的溫度變化, 采用Kendall和Spearman秩檢驗計算溫度變化與接收量的相關(guān)性。在使用以上統(tǒng)計分析之前(除秩相關(guān)性分析), 原數(shù)據(jù)已滿足自變量與因變量的線性關(guān)系以及觀測間相互獨立, 未服從正態(tài)分布及方差齊性的數(shù)據(jù), 通過一定的轉(zhuǎn)換使得數(shù)據(jù)滿足條件(天氣數(shù)據(jù)中中雨與暴雨僅有1例, 因此并未考慮)。本研究顯著性水平設(shè)定為0.05。

統(tǒng)計分析與制圖使用開源統(tǒng)計軟件R 3.6.2(R Core Development Team, 2019)與Excel 2016實現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 水生植被覆蓋

本研究在布置陣列之前預先對實驗區(qū)水生植被覆蓋情況進行調(diào)查, 共鑒定沉水植物3門3屬3科4種, 包括了穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、篦齒眼子菜(Stuckenia pectinata)、菹草(Potamogeton crispus)及金魚藻(Ceratophyllum demersum),水生植被覆蓋情況如圖 3所示。實驗區(qū)內(nèi)中心部分水生植被生長密度較低, 而圍隔邊緣覆蓋密度較高。

圖3 研究區(qū)域水生植被覆蓋狀況Fig. 3 Coverage of aquatic vegetation in study area

2.2 魚類標記

本研究暫養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn), 鯽的死亡率和感染率均達到75%, 初步判斷是由于腹部肌肉較多, 傷口易受感染; 相對的, 烏鱧的腹部肌肉較少, 有輕微感染或無感染現(xiàn)象, 死亡率為41.6%, 同時感染率僅為13.33%(表 4)。烏鱧相對鯽體型狹長, 腹部空間相對較小, 雖然已經(jīng)滿足“2%規(guī)則”, 但通過死亡解剖了解到其存在發(fā)射器壓迫腸道的現(xiàn)象。在多次試驗后發(fā)現(xiàn), 發(fā)射器必須斜放入腹腔, 并進行必要的腹部舒緩平壓, 使得發(fā)射器歸于較為合適的位置;鯽腹部相對于較寬, 從死亡解剖上看, 并不存在發(fā)射標志壓迫腸道現(xiàn)象。在進行手術(shù)縫合時, 因標記魚在水體環(huán)境下的生活史行為易造成手術(shù)結(jié)松動,故不應單純使用普通手術(shù)的方結(jié), 結(jié)果顯示三重結(jié)或者四重結(jié)較為合適。

表4 實驗魚死亡記錄Tab. 4 The death record of experimental fish

2.3 監(jiān)測結(jié)果

如表 5所示, 其中A69-1062-17756和A69-1062-17757雖監(jiān)測天數(shù)達到14d與23d, 但受接收效果的影響, 定位接收量卻小于1000, 因此不予考慮。編號A69-1062-17760實驗魚雖定位接收量較大且監(jiān)測時間較為完整, 但對其路徑分析可知其已在放流不久后死亡, 因此也不予考慮。在其他5尾標記魚中, 編號A69-1062-17758和A69-1062-17762雖監(jiān)測時間僅為10d和9d, 但接收量卻較大, 路徑行為可以看出明顯的偏好。

表5 放流魚類監(jiān)測狀況Tab. 5 Record of the released fish

本研究對所獲取的放流魚類監(jiān)測結(jié)果進行初步分析, 其水平位置如圖 4所示, 路徑均為計算后標記魚的實際地理位置。除去編號為A69-1062-17761的標記魚類未表現(xiàn)出明顯的活動范圍外, 其他4尾均存在一定的沿圍網(wǎng)邊緣活動的行為, 對比圖 3水草分布情況可知圍網(wǎng)周邊水草密度較大, 這可能與烏鱧喜好潛伏水草區(qū)的伏擊捕食行為相關(guān)。

圖4 標記魚水平軌跡Fig. 4 Horizontal trajectory of the marked fish

2.4 野外標記監(jiān)測

如圖 5所示, 由日間接收量與夜間接收量的折線圖可知其之間存在一定的區(qū)別, 而為探究接收機接收率在日間與夜間環(huán)境下是否存在統(tǒng)計學差異,取6個接收機在日間和夜間的接收量之差作出散點圖并獲取擬合曲線。如圖 6所示, 所有接收機的日間接收量與夜間接收量之差所擬合曲線均位于直線y=0之上, 接收機R2、R3、R5和R6所擬合的一般線性模型均存在P＜0.05, 說明模型具有統(tǒng)計學意義,此外模型斜率也均具有統(tǒng)計學意義(P＜0.01,與y=0直線有顯著差別), 因此可以得出日間接收量與夜間接收量存在顯著性差異, 且日間信號接收效果較好。

圖5 日間接收量與夜間接收量Fig. 5 The reception in day and night

圖6 接收機接收量日間與夜間之差Fig. 6 The difference between the reception of day and night

天氣等級與接收量如圖 7所示, 進行ANOVA方差分析后顯示不同天氣下接收量存在顯著性差異(P＜0.01), 說明接收量與天氣具有顯著相關(guān)關(guān)系。Tukey-Kramer法對不同天氣下的多重比較發(fā)現(xiàn)晴天與小雨存在一定差異性(P＜0.05), 而其他分組之間未見顯著性差異。

圖7 天氣狀況與接收量Fig. 7 The weather and reception

溫度與接收量逐日變化如圖 8所示, 通過的Kendall和Spearman秩相關(guān)分析顯示其之間的相關(guān)系數(shù)為0.11和0.17, 且均不具統(tǒng)計學意義(P＞0.05),說明溫度與接收量并不具有相關(guān)性。從趨勢上看,接收機隨著溫度降低總保持較為平穩(wěn)的接收量, 并不隨溫度變化。

圖8 溫度與接收量逐天變化Fig. 8 The trend of the temperature and reception

3 討論

3.1 標記與監(jiān)測系統(tǒng)的評估

標記系統(tǒng)的核心在于發(fā)射器的附著方式及其對實驗對象的影響, 其中手術(shù)植入法被認為是進行長期監(jiān)測的最佳附著方式, 但目前手術(shù)植入法并未有一套完整的標準, 本研究發(fā)現(xiàn)手術(shù)法對于發(fā)射器不僅需要滿足于“2%規(guī)則”, 還需要針對魚類體型對發(fā)射器的植入位置進行篩選。對于狹長型魚類(烏鱧), 在篩選實驗魚時應保證魚體腹腔有足夠空間容納發(fā)射器; 發(fā)射器植入后需對魚體腹部進行適當?shù)厥婢彴磯? 以保證發(fā)射器不壓迫腸道, 導致攝食與排泄受到影響。目前手術(shù)法對標記魚的死亡、傷口愈合及行為狀況等研究大多停留在效果評估層面, 并未深入探討其解決或優(yōu)化方案[27—31]。在手術(shù)過程中, 使用高溶氧或魚類來源地水保持魚體及魚鰓濕潤可減弱手術(shù)傷害, 而在本研究中魚類來源地水質(zhì)較差, 為防止傷口感染, 優(yōu)先選擇高溶氧水。傷口縫合應盡量使用三重結(jié)或四重結(jié), 防止水流沖擊造成縫合結(jié)散開, 但較多的方結(jié)可能會造成縫合線過長, 易滋生菌類導致傷口感染[32]。已有研究表明, 術(shù)后暫養(yǎng)的高溫環(huán)境帶來的負面影響較大并且不利的暫養(yǎng)環(huán)境會增大死亡率[25], 本研究優(yōu)先使用高溶氧水源并在標記魚最適生長溫度下進行暫養(yǎng), 最大限度減小手術(shù)帶來的負面影響。

本研究發(fā)現(xiàn)日、夜間接收量存在顯著性差異且日間接收量較大, 對比王志超等[18]研究顯示, 這可能與夜間存在較大的背景噪聲有關(guān)。在監(jiān)測過程中, 風、雨、晝夜變化等干擾均會對接收效果產(chǎn)生一定的影響[18]。評估天氣對接收量的影響發(fā)現(xiàn)晴與小雨的接收量存在一定的差異性(P＜0.05), 說明雨天對于接收量存在一定的影響, 但中雨與大雨天氣的數(shù)據(jù)量未達到統(tǒng)計學要求而舍棄, 因此在今后的研究中可進一步關(guān)注降雨量大小是否與接收量存在相關(guān)性。溫度作為影響魚類生活史行為的關(guān)鍵因素, 隨著溫度降低會減弱魚類活動并讓其躲避于礁石內(nèi)。本實驗通過Kendall和Spearman秩檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度與接收量并無顯著相關(guān)關(guān)系, 這可能與本實驗區(qū)內(nèi)并無較多可屏蔽信號的礁石和隱蔽區(qū)域有關(guān)。

3.2 魚類活動特征

研究表明水生植被對維持整個水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性方面具有決定性的作用, 同時為魚類提供良好的繁殖、索餌和避敵場所, 且種植水生植被已成為豐富漁業(yè)資源和生態(tài)修復的重要手段之一[33—36]。本研究通過對兇猛肉食性魚類烏鱧3個季度的追蹤結(jié)果并對比水生植被覆蓋度, 發(fā)現(xiàn)其大多喜好于水生植被密度較大的區(qū)域, 進一步直觀展現(xiàn)出烏鱧在棲息地選擇方面對水生植被的依賴性。已有研究表明在植被覆蓋度較高的區(qū)域小型魚類生物量與密度均顯著較大[37], 這為烏鱧提供了豐富的餌料基礎(chǔ), 而水生植被亦為烏鱧提供良好的伏擊場所, 這些因素可能共同造就了其對該區(qū)域的偏好性。但本研究也有部分標記個體對水生植被區(qū)的選擇性并不顯著, 這可能因為烏鱧的捕食方式介于伏擊和追擊捕食之間, 且實驗區(qū)水體透明度并不高(全年平均透明度為1.02 m), 同時當烏鱧攝食后食欲有所下降, 這些均降低了烏鱧對隱匿型水生植被區(qū)的需求。

3.3 應用前景

本次研究構(gòu)建了淺水草型淡水湖泊的生物遙測系統(tǒng), 以兩種經(jīng)濟型魚類(烏鱧與鯽)為實例, 采用手術(shù)法植入發(fā)射器, 歷時3個季度完成, 同時評估了不同環(huán)境因子對接收量的影響。現(xiàn)階段研究主要是追蹤體系的構(gòu)建, 在今后的研究中, 可充分考慮雜食性魚類與草食性魚類, 并增大追蹤面積和增加追蹤時間, 建立標準的研究體系, 為人工魚礁等生態(tài)修復工程的規(guī)劃與實施提供參考, 同時也能夠評價其修復效果。在研究洄游性魚類行為方面, 可探測其洄游路徑、產(chǎn)卵場和在自然條件下生活史行為的變動, 這對珍稀魚類的保護具有深遠的意義。目前生物遙測系統(tǒng)的構(gòu)建成本較大, 無法完成較大規(guī)模的研究, 若能在改進技術(shù)的同時共用接收機、共享追蹤數(shù)據(jù)成果, 將能有更大的應用前景。