水环境与水生态

长江上游珍稀特有鱼类资源的栖息地生境特征及增殖放流点优化

  • 赵亮 , 1 ,
  • 赵文贵 1 ,
  • 成江 1 ,
  • 胡胜利 2 ,
  • 赵志超 2 ,
  • 刘国旺 , 3
展开
  • 1 中国长江电力股份有限公司 乌东德水力发电厂,昆明 651500
  • 2 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430014
  • 3 湖北中水长江生态保护研究院有限公司,武汉 430072
刘国旺(1995-),男,湖北钟祥人,助理工程师,主要从事鱼类增殖站设备安装工作。E-mail:

赵 亮(1983-),男,湖北汉川人,高级工程师,主要从事水电站运行管理工作。E-mail:

Copy editor: 王 慰

收稿日期: 2023-11-29

  修回日期: 2023-12-31

  网络出版日期: 2025-03-14

基金资助

中国长江电力股份有限公司资助项目(Z522302013)

Habitat Characteristics and Optimization of Proliferation and Releasing Points for Rare and Endemic Fish Resources in the Upper Reaches of the Yangtze River

  • ZHAO Liang , 1 ,
  • ZHAO Wen-gui 1 ,
  • CHENG Jiang 1 ,
  • HU Sheng-li 2 ,
  • ZHAO Zhi-chao 2 ,
  • LIU Guo-wang , 3
Expand
  • 1 Wudongde Hydropower Plant of China Yangtze Power Co., Ltd., Kunming 651500, China
  • 2 Changjiang Institute of Survey, Planning Design and Research Corporation, Wuhan 430014, China
  • 3 Changjiang Ecological Research Co.,Ltd., Wuhan 430072, China

Received date: 2023-11-29

  Revised date: 2023-12-31

  Online published: 2025-03-14

摘要

长江上游地区的水库建设、河道改道、堤防修建和水文调节等人类活动对鱼类栖息地造成了严重影响,导致栖息环境恶化和大量栖息地的丧失。为了深入了解这种情况,选取长江上游保护区中段典型代表性朱沱站中4个典型河流断面近3 a的生境数据,分析典型断面的水文特征、水文情势、水环境质量、流速、水深以及珍稀特有鱼类空间分布特征,获取全面的鱼类生境特征数据。基于分析结果,提出建设完善的珍稀特有鱼类增殖放流措施。研究发现,99%的珍稀特有鱼类信号采集于低流速区(0.0~1.4 m/s),其中80%左右的鱼类聚集在流速低于0.8 m/s的缓流区;在冬季越冬期间,鱼群位置点的水深平均值为44.28 m,最小值为15 m,最大值为57.47 m。长江上游的绝对水深在23~56 m之间时,不足以提供鱼类栖息。但在蓄水期,水位抬高进而在同时满足流速、水深和干扰少等条件下,能够改善珍稀特有鱼类的生存环境。通过研究长江上游珍稀特有鱼类资源的生境特征,可以更好地了解鱼类的分布和迁徙规律,辅助合理规划和管理渔业资源。同时,研究增殖措施可以指导人工放流等管理行为,有助于恢复和增强鱼类种群,维持渔业可持续发展。

本文引用格式

赵亮 , 赵文贵 , 成江 , 胡胜利 , 赵志超 , 刘国旺 . 长江上游珍稀特有鱼类资源的栖息地生境特征及增殖放流点优化[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(3) : 68 -75 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231313

Abstract

Human activities, including reservoir construction, river diversion, embankment construction, and hydrological regulation in the upper reaches of the Yangtze River, have severely impacted fish habitats, causing environmental degradation and substantial habitat loss. To gain deeper insights into this issue, we selected habitat data over the past three years from four typical river sections at Zhutuo Station, which is in the middle part of the Yangtze River protection zone. We analyzed the hydrological features, water environment quality, flow velocity, water depth, and spatial distribution patterns of rare and endemic fish species to comprehensively characterize fish habitats. Based on the analysis results, we propose to establish comprehensive measures for the proliferation and release of rare and endemic fish species. Our research shows that 99% of the rare and endemic fishes aggregate in areas with flow velocities of 0.0-1.4 m/s, among which approximately 80% gather in slow-flow zones with velocities below 0.8 m/s. During the wintering period, the average water depth where fishes gather is 44.28 meters, with a minimum of 15 meters and a maximum of 57.47 meters. When the absolute water depth in the upper reaches of the Yangtze River ranges from 23 to 56 meters, it fails to provide suitable fish habitats. However, during the water-storage period, raising the water level can improve the living conditions of rare and endemic fish species while meeting requirements for flow velocity, water depth, and minimal interference. Studying the habitat characteristics of rare and endemic fish resources in the upper reaches of the Yangtze River enables us to better understand fish distribution and migration patterns, facilitating the rational planning and management of fishery resources. Simultaneously, researching proliferation measures can guide management actions such as artificial release, aiding in the restoration and enhancement of fish populations and ensuring the sustainable development of fisheries.

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0 引言

长江上游地形地貌具有多样性和特殊性的特点,这使得该地区在长期的历史过程中孕育了众多适应不同生境的鱼类[1]。因此,长江上游成为了我国鱼类多样性最为丰富的区域之一,是我国多种珍稀特有水生生物的天然种质基因库[2-3]。分布在长江流域的400多种鱼类中,有285种仅分布在长江上游,其中包括124种长江上游特有鱼类[4-5]。该区域的主要珍稀鱼类有白鲟(Psephurus gladius)、长江鲟(Acipen)以及胭脂鱼(Myxocyprinus asiaticus)。此外,该区域还有38种特有鱼类已经被国家列入了级别保护动物名录。
目前,随着水利水电工程的不断开发以及其他人类活动不断增加,长江上游珍稀特有鱼类的生境条件受到了不同程度的影响,保护区鱼类群落发生了重大改变[6]。刘建康和曹文宣[2]指出长江上游江段以维护生物多样性、保护特有种为主,需要建立鱼类自然保护区,开展就地保护。常剑波等[7]建议从流域层面统筹规划河流的开发和保护,并提出一系列针对措施,包括修建过鱼设施、建立自然保护区、限制捕捞、生态调度等。徐薇等[3]指出,尽管现有的自然保护区和人工繁殖放流等措施取得了一定成效,但长江上游鱼类仍面临巨大的生存威胁。张崇良等[8]探讨了长江上游珍稀特有鱼类资源的增殖过程及机制,并从基本原理、生态效应和空间尺度3个方面设计增殖的研究方向,解决资源增殖未能实现预期效果和带来负面生态影响的问题。此外,还对鱼类生境和增殖效果进行了评估。然而,该方法所需时间较长,且存在效率较低的问题。轩中亚等[9]以耳石元素和沉积特征为依据,综合分析了珍稀特有鱼类的种群生态学特征,提出了获取鱼类增殖途径的方法。然而,该方法在针对部分珍稀特有鱼类时,存在无法准确获取生境特征的问题,因此精度较低。张俊等[10]针对长江上游鱼类栖息地的水动力学研究,通过基于CFD数值模拟和现场试验勘测的方法,解决了该区域栖息地水动力学特性和修复效果评估的问题。
本研究旨在保护长江上游珍稀特有鱼类资源,针对现有方法中存在的问题,通过精确分析这些鱼类的关键生境特征,深入研究珍稀特有鱼类的增殖途径,为长江上游鱼类多样性保护和淡水渔业的发展提供支撑。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

长江上游地形地貌十分独特,许多河道断面高差悬殊,鱼类种类丰富。位于向家坝下游的长江干流河段,由于水利水电开发加快,长江上游保护区的自然水文生态改变,对其珍稀特有鱼类的生殖也带来一定的影响。
长江主要水系分布如图1所示。
图1 长江主要水系分布

Fig.1 Map of main river systems of the Yangtze River

选择保护区中段代表性水文站中的朱沱站江段为主要研究区域,调查近3 a统计数据,并利用数学分析方法和水声学装置DT-X系列回声探测仪(即鱼探仪)实测珍稀特有鱼群位置,研究江段整体断面的划分,通过分析鱼群实测点的起点和终点坐标,得到鱼群所处位置的断面范围,即局部计算区域,示意见图2
图2 研究江段河流断面地形示意图

Fig.2 Topography of the study river section

图2中,a、b、c、d为4个典型断面。选取代表性较高的a类断面开展珍稀特有鱼类的生境特征分析研究。

1.2 生境特征分析方法

对珍稀特有鱼类的生存空间分布产生影响的因素较多,如水域大小、形状、深度、水温、水质、水流速度、水底地形等。这些因素构成了鱼类的生境特征,对鱼类的生存和繁殖具有重要影响,因此选取部分重要特征展开分析。研究江段的河流垂直方向水深分层会造成流速和营养物质种类等的差异性,鱼类受到影响将会选择其他适宜的水深栖息,这种情况将间接影响其洄游和产卵繁殖。为了获取鱼类栖息水深数据,主要采用多普勒流速剖面仪(ADCP)进行实测,并结合其他观测和数据分析方法,综合研究鱼类生境特征和影响因素。

1.2.1 水文情势特征

水文情势[11]是影响鱼类生境的重要特征之一,涨水率的变化可能会影响鱼类的繁殖行为和生存环境。例如,涨水过程可能会改变水流的温度、氧气含量、水质等物理和化学因素,改变了鱼类的食物来源及栖息环境,进一步影响其生存繁殖能力。为研究保护区内珍稀特有鱼类生境特征的影响因素,通过基于IHA指标的RVA(Range of Variability Approach)方法[12]分析研究江段的水文情势变化趋势,为保护区的保护和管理提供科学依据。IHA指标是水文学中常用的评估方法,用于分析江段的水文情势变化趋势。IHA指标通过分析一系列气候和水文数据,如径流量、水位和流速等,计算出一组描述水文情况的指标,包括44个统计指标,如最大流量、最小流量、平均流量等。这些指标代表了江段的水文情况的多样性和变化范围。RVA方法利用IHA指标通过与历史数据进行比较,确定各个IHA指标在不同时间尺度上的平均值、最大值和最小值,并绘制RVA曲线图,展示江段水文变化的范围与趋势。在保护区的管理中,根据RVA曲线图的变化趋势,可以评估长期水文变化对生态系统的影响,为保护区的环境保护和管理提供科学依据。该方法不仅能够帮助识别水文变化趋势,还能够评估水域生态系统的稳定性和适应性,指导保护措施的制定和管理决策的实施。
Di表示第i个IHA指标的变化幅度,用Me表示目标期望年数,具体的计算公式为
D i = M 0 , i - M e / M e × 100 %   ; M e = r   M T  
式中: M 0 , i r分别为各类IHA指标在影响前投入到RVA目标范围的年数以及年数比例; M T为影响后水文系列的总年数,通常≥20 a。
对所有IHA指标的水文变化度作加权平均后,获取综合水文变化度,以此评价研究江段的总体水文情势变化程度。根据综合水文变化度的计算结果,可以对水文情势变化程度进行分级评价。具体的分级标准为:
(1)综合水文变化度在-30%~-10%之间,表示水文情势发生了显著变化。
(2)综合水文变化度在-10%~10%之间,表示水文情势发生了一定程度的变化。
(3)综合水文变化度超过10%,表示水文情势发生了较小的变化。

1.2.2 水环境质量

本研究主要采用水质分析中与鱼类相关性较高的化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)等2个指标作为鱼类适宜生境水质指标进行分析,分类结果参照国家地表水质量标准(Ⅰ—Ⅲ类水)。通过对比消落期和汛期的DO,分析水质在时间尺度的变化。此外,还分析鱼类栖息地的多年平均水温过程变化。
在此基础上选用栖息地适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)[13]作为表征研究江段断面对目标物栖息生境分析和要求的满足程度,取值范围为0~1,1代表满足,0代表不满足,计算公式为
H S I = H i   V i 0.5  
式中 H i V i分别表示水深和流速的适应度指数。

1.3 鱼类空间特征分析方法

珍稀特有鱼类会在不同的水域中生活,从而形成不同的生存空间分布。跟踪监测研究江段目标物种鱼类的空间分布规律,对采取针对性途径增殖鱼类资源的研究具有重要意义。在2022年12月至次年9月期间,选择了5月、8月和11月作为具体的调查月份。将FCV-1150鱼探仪安装在船上,进入目标江段进行探测。将鱼探仪下放至水下,并沿江河线移动,实时接收反射回来的声波信号。根据鱼探仪的探测结果确定潜在的珍稀特有鱼类聚集区域。利用捕捞网、渔具等对目标聚集区进行捕捞操作,获取珍稀特有鱼类的数量和分布情况。在流速消落、蓄水期和汛期等3个时期开展3次鱼类空间分布水声学调查,以此得到3个时期的珍稀特有鱼类生境分布。

1.4 鱼类生境适宜曲线

为了验证长江上游珍稀特有鱼类资源的生境特征分析及增殖途径研究的整体有效性,需要对生境适宜性展开测试。首先分析珍稀特有鱼类资源的适应性,以HSI为计算方法,通过将目标鱼种的数量与它们所生活的生境特征(如水深和流速)联系起来,用0~1之间的数值来描述每个影响特征对目标鱼种的影响程度。其中1代表生境中的每个特征都最适宜目标鱼种的生存;0则表示最不适宜目标鱼种生存的环境条件。本研究选取长江上游鱼类作为本江段的代表性鱼类,进行适应性分析。

2 主要结果

2.1 水文特征

调查的珍稀特有鱼类繁殖期水文特征具体结果见表1
表1 珍稀特有鱼类繁殖期水文特征

Table 1 Hydrological characteristics of rare and endemic fishes in breeding period


流量/(m3·s-1) 涨水过程
平均 最大 最小 平均
次数
平均持
续时间/d
平均涨水率/
(m3·(s·d)-1)
4 3 398 8 798 1 874 3.7 4.5 238.1
5 5 321 15 024 2 088 3.8 4.5 487.5
6 10 234 40 455 2 568 4.0 4.3 1 108.2
7 18 054 49 871 8 012 3.9 3.8 1 754.8
平均 9 252 28 537 3 636 3.9 4.3 897.2
表1的数据可以看出,研究江段在12月份到次年4月份的流量[14]一直处于较低的状态,在汛期的5—7月份,流量处于较快的上升趋势,7—8月份流量为全年最高,9月份进入退水阶段,流量快速回落;此外,研究区内珍稀特有鱼类繁殖期为4—7月份,表1中记录该时期内研究区江段的流量处于迅猛上涨阶段。

2.2 水环境质量

据调查,研究江段中大部分COD[15]及DO处于Ⅰ—Ⅱ 类水标准,仅存在极小部分COD处于 Ⅲ 类水标准。在消落期DO浓度比汛期要高很多。图3展示了多年来研究区江段的平均水温过程,其中冬春季水温较低,夏秋季水温较高,温差较为明显。
图3 研究区江段多年平均水温过程

Fig.3 Annual average water temperature processes in river sections of the study area

图3所示,研究区域内河道水温在1月份和2月份处于较低水平。从3月份开始到4月底,水温随着气温的升高而逐渐上升,至7月份水温一直保持较高。然而,从9月开始,水温开始呈现下降趋势。由图1可知,珍稀特有鱼类在繁殖期的水温最高达到13 ℃,最低为13.7 ℃,平均水温约为13.7 ℃。

2.3 适宜流速分析

绝大多数的珍稀特有鱼类物种都具有趋流性,流速[11]是影响鱼类生境质量的重要特征,反映不同鱼类繁殖的特性参数。流速影响鱼类的产卵,流速越大,刺激产卵时间越短,反之越长。基于此,采用ADCP[16]采集提取研究断面的水深和垂向平均流速,集合珍稀特有鱼类鱼群位置的流场数据,对每一个鱼类栖息地中已识别鱼类位置的流速进行计算和分析,以此获取鱼类生境分布与流速和水深之间的关联。结果见图4
图4 单体鱼类流速统计结果

Fig.4 Statistics of flow rates where individual fishes locate

单体鱼类目标所处位置的流场位置数据统计结果显示:99%的珍稀特有鱼类信号采集于低流速区(0.0~1.4 m/s),其中80%左右的鱼类聚集在流速低于0.8 m/s的缓流区;其余区域很少有鱼类栖息,流速阈值为鱼类栖息地适应性判别的重要条件。

2.4 适宜水深分析

根据ADCP的实测数据,获取珍稀特有鱼类栖息地的平均水深分布,结果如图5所示,标记了3个时间段鱼类栖息地的水深分布特征,总的鱼群断面平均值为44.28 m。
图5 鱼类位置点平均水深散点分布

Fig.5 Scatter plot of average water depth of fish locations

图5可以得出,2020年5月鱼群位置点的水深平均值为44.28 m,最小值为15 m,位于点7,最大值为57.47 m,位于点3。3个时期的整体数据表明,流速和水深是影响珍稀特有鱼类生境栖息适宜度的两个主要因子。

2.5 鱼类空间分布特征

对3次水声学调查的鱼类空间分布展开统计分析,将流速消落期和汛期合并分析,蓄水期单独分析,以此得到3个时期的珍稀特有鱼类生境分布。
(1)消落期和汛期鱼类空间分布。消落期在研究江段断面共发现13个鱼群(珍稀特有鱼类聚集区),汛期发现14个鱼群,其分布情况如图6所示。
图6 消落期及汛期鱼类空间分布情况

Fig.6 Spatial distribution of fishes in fluctuation period and flood season

垂直分布上看,鱼类多集中分布于深潭[17]、回水沱以及礁石掩护区等区域,且处于水深20 m以上的河段中。
(2)蓄水期鱼类空间分布。蓄水期水声学调查结果显示,在监测江段断面共发现8个大型鱼群,回水沱河段分布4个鱼群,占比50%,分汊河段分布3个鱼群,占比38%,深潭分布1个鱼群,占比12%。其垂直分布见图7
图7 蓄水期鱼类空间分布情况

Fig.7 Spatial distribution of fishes in water storage period

通过分析长江上游保护区研究江段断面的水文特征、水文情势、水环境质量、水深流速以及消落期、洪水期、蓄水期的鱼类空间分布,从而总结出该研究区的珍稀特有鱼类整体生境特征,结果分析如下:
(1)通过监测区域内蓄水期鱼类空间分布,分析鱼类栖息地的位置。通常情况下消落期和洪水期流速较大,表层水域流速较快,对于鱼类栖息不利。断面c的绝对水深最小,仅为23 m,相对水深仅为0.75,低流速区域对应较浅的绝对水深,则说明鱼类更倾向于在这些区域寻找栖息地。在深潭中,断面b的绝对水深与相对水深分别为56 m、0.96,相对水深较大,表明流速较缓慢,适合鱼类栖息,深潭的绝对水深较深,提供了足够的空间供鱼类隐藏和避难。
(2)深潭通常具有较大的绝对水深,也是鱼类栖息的重要因素之一。与相对水深的数据相关联,可以了解到断面b的深潭的相对水深较大,为0.96,意味着深潭中的水流速度相对较慢,满足了鱼类栖息的水流特性。同时,由于水流流速的减缓,浮游植物往往会沉积于深潭内,为鱼类提供了充足的食物来源。
(3)在长江上游研究区域,随着季节的变化以及人类对水资源的管理,河道水位会发生相应的变化。冬季水深变深、流速变缓,有利于形成越冬场。此时绝对水深在23~56 m之间变化。由于水深的增加,提供了足够的栖息空间,改善了珍稀特有鱼类的生存环境。蓄水期水位抬高后,在同时满足流速、水深和干扰少等条件下,进一步改善了鱼类的栖息条件。

2.6 生境适宜曲线

根据众多学者的研究,选取水深[18]和流速[19]两个生境特征分别计算研究区域HSI的空间分布,拟合长江上游鱼类的栖息特性与生境条件之间的适宜性曲线。适宜性曲线是一种显示生物物种对特定环境因子适宜程度的函数关系曲线,可呈现出物种对不同环境条件的适应性变化。在分析拟合长江上游鱼类的栖息特性与生境条件之间的关系时,使用适宜性曲线可以提供重要的信息。首先,根据鱼类栖息特性和生境条件,可以收集相关的数据并构建适宜性曲线模型。通过比对实际观测值和模型预测值,可确定各个环境因子对鱼类适宜性的影响程度和范围。
根据图8可以直观地获取目标鱼种生境模拟响应结果,了解鱼类在环境变化中的生存策略和能力,有助于人类更好地保护和利用鱼类资源,为渔业管理提供科学依据。
图8 鱼类栖息对生境特征的响应曲线

Fig.8 Response curves of fish habitats to habitat characteristics

3 保护措施建议

基于分析结果,采取一系列的保护措施,为这些鱼类提供良好的生存环境。目前,除了已经实施了长江十年禁渔政策外,本文还总结了两种主要增殖途径:栖息地保护和增殖放流。

3.1 栖息地保护

为达到鱼类增殖的目的,现有的流水栖息地保护和繁殖期的生境营造是关键的行动领域。为了创造适宜的生态环境,生态调度被用来重建和保护自然的水文情势。在流水生境保护方面,致力于修复和保护重要的鱼类栖息地,包括河流、湖泊和湿地等水体生态系统。通过减少污染物的排放和加强水质治理,可以提高水体的透明度,降低有害物质的浓度,并保持水质清洁。此外,还采取措施限制非法捕捞和破坏性渔业活动,以减少人类对栖息环境的不良影响。
在繁殖期的生境营造方面,关注的是创造适宜的繁殖条件,以增加鱼类的繁衍成功率。通过保护鱼类的产卵场所,如洄游通道和湿地区域,确保它们的繁殖活动能够顺利进行。同时,也注重提供适宜的水质和水温条件,以促进卵的孵化和幼鱼的生长。此外,合理调控放流和捕捞的时机和规模,以保障鱼类种群的可持续增长。

3.2 鱼类增殖放流

从增殖放流点优化的角度来看,夏季是一个适宜进行放流的季节,因为在这个时期食物资源相对充足。因此,在选择放流地点时,最好以夏季调查出的鱼类集中点为准。通过选择这样的地点进行放流,可以增加放流鱼类的生存和适应能力。
然而,冬季并不是进行增殖放流的理想时期。在这个季节,水温较低,食物资源匮乏,因此对鱼类的生存和生长不利。此外,鱼类集中的栖息地研究虽然有利于捕捞,但并不符合本研究的目的。然而,对于濒危鱼类而言,有必要对冬季鱼类集中的栖息地进行研究,并将其作为潜在的捕捞采集点,以供后续的增殖放流使用。通过采集濒危鱼类的种质资源,并在适宜的季节进行人工繁殖和放流,可以有效增加濒危鱼类的数量和种群活力。
综上所述,从增殖放流点优化的角度来看,最好选择夏季食物充分的季节作为适宜的放流时机,并以夏季调查的鱼类集中点为放流地点。冬季不适宜进行增殖放流,但可以将鱼类集中的栖息地研究延伸,作为潜在的濒危鱼类捕捞采集点,用于后续的增殖放流工作。

4 结论

长江上游的珍稀特有鱼类资源丰富,这些鱼类对于水域生态环境十分敏感,各种保护区的建设和保护工作的展开变得格外重要。分析长江上游珍稀特有鱼类资源的鱼类生境特征并研究其增殖途径是保护这些珍贵的生物资源和维护生态平衡的重要条件。
研究区域大部分鱼类聚集在流速低于0.8 m/s的缓流区,流速阈值则为鱼类栖息地适应性判别的重要条件。2020年5月鱼群位置点的水深平均值为44.28 m,最小值为15 m,最大值为57.47 m。流速和水深是影响珍稀特有鱼类生境栖息适宜度的两个主要因子。从鱼类空间分布特征可以看出,消落期和汛期鱼类多集中分布于深潭、回水沱以及礁石掩护区等区域,且处于水深20 m以上的河段中。蓄水期鱼类多集中于回水沱河段。选取水深和流速2个生境特征分别计算研究区域HSI的空间分布,拟合长江上游鱼类的栖息特性与生境条件之间的适宜性曲线,可以直观地获取目标鱼种生境模拟响应结果,了解鱼类在环境变化中的生存策略和能力。
通过分析各个因素下鱼类的生境特征,提出加大渔政管理制度等增殖途径。可得出:鱼类休息时,通常栖息于低流速区域,深潭的缓流区是鱼类天然的避难所。
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