长江三峡库区铜锣峡江段人工鱼礁生态效果初步评估

潘文杰，张俊锋，刘天云，黄 伟，罗宏伟，王 勖，杨顺益，李 杨

(1.交通运输部长江航务管理局环境监测中心站，武汉 430019； 2.湖北江晓环保科技有限公司，武汉 430019；3.长江航道局，武汉 430019)

长江三峡水库渔业资源丰富，是水生生物不可或缺的栖息繁殖地，对特有鱼类的物种保护具有极其重要的意义[1]。近年来，过度捕捞、环境污染和传统航道建设等不利影响导致长江三峡水库渔业资源出现衰退趋势，部分特有鱼类栖息环境受到了严重威胁。为修复水域生态环境，在生态航道建设过程中实施了多种生态修复措施，其中人工鱼礁是用于修复的有效措施之一[2]。人工鱼礁主要通过流场效应改变水体的理化环境和生物环境，营造适宜鱼类栖息的环境，也为底栖鱼类提供隐蔽物，有效避免敌害生物。

目前，长江三峡库区的研究主要集中于渔业资源现状[3-5]以及其他修复措施的利用效果[6]，人工鱼礁生态效果评估主要集中于长江中下游以及海洋[7-9]中，长江三峡库区缺乏人工鱼礁建设后的修复效果研究。为了解三峡库区人工鱼礁生态效果，本研究对铜锣峡渔业资源现状进行了研究，以期为生态航道建设中人工鱼礁的利用提供数据支持，同时为三峡库区渔业资源的保护提供基础依据。

1 研究区域、材料与方法

1.1 研究区域

本研究集中于长江三峡变动回水区铜锣峡江段。其中，渔业资源调查区域为铜锣峡江段人工鱼礁工程区域，水声学探测区域为了便于分析比较人工鱼礁效果，将调查江段分为上游(YJS)人工鱼礁工程区和下游(YJX)对照区，人工鱼礁布设区域(YJ)为试验区(图1)。

人工鱼礁群布设区域为1.6×104m2，单个人工鱼礁长23 m、宽9 m、厚2～3 m。抛投位置选取水深大于20 m处，以离水面15 m为最高高度，采用开体泥驳运输方式，通过GPS定位后进行抛投，其后进行水下1 ∶500地形图测量，不足部分进行补抛。

图1 研究区域Fig.1 Study area

1.2 材料

于2019年8月(夏季)及12月(冬季)在铜锣峡江段进行了周期性渔业资源调查和水声学探测。其中渔业资源调查利用流刺网(网目3～6 cm)和搬罾网采集，夏季采集6 195尾，共计374 083.1 g，冬季采集4 730尾，共计164 739.6 g，测量其体长、全长(精确至0.1 cm)和体重(精确至0.1 g)[7]。

1.3 方法

1.3.1 渔业资源调查方法

采取现场捕捞、市场考察、水产部门及渔民走访相结合等方法进行。选定有代表性的作业工具，进行渔获量、渔获物组成统计，记录所有所见的鱼类品种；走访调查当地渔民的渔获量和捕捞方式，了解珍稀鱼类活动情况，且随时收集未记录的物种[10-12]。

计算相对重要性指数(index of relative importance，简称IRI)[13]，对群落优势种进行区分：

IRI=(Ni+Wi)×F

式中：Ni为第i种鱼的尾数占总尾数的百分比；Wi为第i种鱼的质量占总质量的百分比；F为某一渔获物种类在总调查站位出现的百分比。

本研究将IRI≥500的物种定位优势种，100≤IRI<500的物种定位常见种，10≤IRI<100的物种定位一般种，IRI<10的物种定为少见种[14]。

统计分析采用SPSS 22.0和相关软件完成。

1.3.2 水声学探测方法

采用EK80型宽带科研鱼探仪对数据进行采集[15]。数据采集时调查船只沿固定路线行驶，上行船速在6～8 km/h，下行船速在10～14 km/h。数字换能器探头入水约50 cm深，进行垂直声学探测，同时采用EK80软件对声学数据进行存储。将Garmin公司生产的GPS-72H接PC端口供软件EK80显示坐标。在仪器运行过程前，在PC端用软件Simrad EK80设置相关参数，设定好之后进行声学数据记录。

采用Echoview9软件转换EK80采集的水声学原始数据。在Echoview9软件中对转换后的数据设置顶部线、底部线，并进行人工校对，去除明显的噪声。利用回声积分法计算鱼类资源量；利用不同区域单体鱼类的现场平均TS(dB)，以及不同区域的TS(dB)分布进行鱼类单体目标检测和轨迹追踪。

本次调查采用回声积分法对鱼类密度进行估算，算法如下：

Sa=NASC/(4π·18522)

σbs=10^(TS/10)

由于调查水域以鲤科鱼类为主，因此参考常规渔业资源调查中目标强度-体长转换公式对鱼类的标准体长进行换算[16]，公式如下：

TS=20logL-71.9

其中：TS为鱼类的目标强度(dB)，L为目标鱼类的体长(cm)。

2 结果与分析

2.1 人工鱼礁区域渔业资源的组成

两次调查，共采集鱼类70种，隶属于6目14科。其中，夏季59种，隶属于5目10科。冬季53种，隶属于5目11科。调查发现2种国家级保护鱼类，分别为达氏鲟、胭脂鱼，发现长江上游珍稀特有鱼类10种，如圆筒吻鮈、岩原鲤、圆口铜鱼、短体副鳅和双斑副沙鳅等(表1)。

鱼类组成以鲤形目和鲇形目鱼类为主，且鲤形目占明显优势，占比为74.29%，其次为鲇形目，占比14.29%。采集到鱼类隶属于14科，其中鲤科鱼类占明显优势，共计40种，占比为57.14%，其次为鳅科鱼类，共计9种，占比为12.86%，鲿科鱼类7种，占比为10.00%，其他各科鱼类均较少。其中，夏季调查结果显示，鲤形目占比为76.27%，其次为鲇形目，占比15.25%，其他鱼类占比均较少(图2)。冬季调查结果显示，鲤形目在鱼类种类中占比为71.70%，其次为鲇形目，占比18.87%，其他鱼类占比均较少(图3)。

表1 渔业资源组成名录表Tab.1 List of fishery resources

图2 夏季鱼类结构组成Fig.2 Structure composition of fish in summer

图3 冬季鱼类结构组成Fig.3 Structure composition of fish in winter

2.2 人工鱼礁区域渔业资源的优势种

对鱼类相对重要性及其规格组成进行相关分析，结果表明人工鱼礁区域渔业资源优势种组成在夏季和冬季均以小型鱼类为主，优势种组成中栖息于各水层的鱼类均有分布。

表2 夏季渔业资源优势种组成Tab.2 Composition of dominant species of fishery resources in summer

续表2

表3 冬季渔业资源优势种组成Tab.3 Composition of dominant species of fishery resources in winter

续表3

2.3 人工鱼礁区域鱼类目标强度特征

经shapiro-wilk正态性检验，研究水域夏季探测到的鱼类回声信号TS值不符合正态分布(P<0.05)。研究江段鱼类种群组成以小个体为主，具体表现为，夏季小个体鱼类于人工鱼礁布设区域及对照区较为均匀分布，冬季小个体鱼类更趋于聚集至人工鱼礁布设区域(图4)。

夏季人工鱼礁布设区目标强度值范围为-64.73～-30.04 dB，平均值为(-54.73±5.44) dB，鱼类TS值主要集中在-60～-50 dB，累计占总数的65.74%；对照区目标强度值范围为-64.85～-30.30 dB，平均值为(-61.57±1.48)dB，鱼类TS值主要集中在-70～-50 dB，累计占总数的93.71%。按照方法中体长转化公式进行转换，夏季调查鱼类平均体长为13.25 cm，以小型鱼类为主，体长大多不超过6 cm。调查江段鱼类可捕捞体长即体长大于6 cm个体累计占总数的20.81%(图5)。

图4 布设区及对照区目标强度分布图Fig.4 Target intensity profile in experimental area and control area

冬季人工鱼礁布设区目标强度值范围为-64.64～-30.15 dB，平均值为(-57.86±8.06) dB，鱼类TS值主要集中在-70～-50 dB，累计占总数的73.57%；对照区目标强度值范围为-64.06～-30.01 dB，平均值为(-45.79±9.46) dB，鱼类TS值主要集中在-60～-30 dB之间，累计占总数的93.26%。按照常规渔业资源调查中目标强度与体长经验公式TS=20lgL-71.9进行转换，冬季调查江段鱼类平均全长为11.75 cm，以小型鱼类为主，体长大多不超过6 cm。调查江段鱼类可捕捞体长即体长大于6 cm个体累计占总数的22.19%(图6)。

图5 夏季鱼类目标强度分布图Fig.5 Target intensity profile of fish in summer

2.4 人工鱼礁区域鱼类密度的时空分布

采用Echoview9软件对人工鱼礁区域探测到的原始数据进行分析，人工鱼礁布设区的鱼类密度分布明显高于对照区。夏季全航段平均密度为27.06 ind/hm2，人工鱼礁布设区平均密度为50.78 ind/hm2，对照区平均密度为21.67 ind/hm2；冬季全航段平均密度为65.76 ind/hm2，人工鱼礁布设区平均密度为86.23 ind/hm2，对照区平均密度为52.22 ind/hm2。

研究水域不同水层鱼类密度分布有一定差异，主要表现为中下层高于上层。将数据分析单元的水深分为3层，水深的0～33%为上层，33%～66%为中层，66%～100%为下层。夏季全航段鱼类主要集中在中层，占55.17%，人工鱼礁布设区鱼类集中在中下层，占87.79%，对照区鱼类主要集中在中层，占41.30%；冬季全航段鱼类主要集中在中下层，占71.88%，人工鱼礁布设区鱼类集中在下层，占48.34%，对照区鱼类在各水层分布较为均匀。

图6 冬季鱼类目标强度分布图Fig.6 Target intensity profile of fish in winter

表4 鱼类密度分布Tab.4 Density distribution of fish ind./hm2

3 讨论

3.1 人工鱼礁对三峡库区鱼类的保护

据相关文献记载，库区干流江段在三峡大坝建设后鱼类种类数呈下降趋势[17-19]。本研究结果显示，三峡水库人工鱼礁区域鱼类为6目14科70种，较三峡大坝建设前后有一定下降，但较2010年[17]、2013年至2015年[19]的结果有一定的上升。其原因可能与人工鱼礁建设后水体的理化环境和生物环境发生变化，营造了适宜栖息的生长环境，从而使得渔业资源得到了一定的恢复。

人工鱼礁结构复杂有利于鱼类的栖息。据相关文献记载，库区干流江段的鱼类在三峡大坝建设前至今以中小型个体为主，栖息水层主要集中于中下层，代表鱼类有圆口铜鱼、南方鲇、黄颡鱼等[17]。通过鱼类对人工鱼礁的反应可以将鱼类分为趋触性鱼类(底层鱼类)、恋礁性鱼类(中层鱼类)和滞留性鱼类(表层鱼类)3种类型。本研究结果显示，鱼类主要分布于中下层水域，其原因不仅为人工鱼礁空隙较多有利于小型鱼类避害，同时，礁体附近水流的紊乱加快了水体和地质中营养物质的循环，引起浮游生物的快速生长，从而有利于鱼类的索饵行为，人工鱼礁的作用效果对栖息于各水层鱼类均有较好作用效果。

3.2 人工鱼礁的集鱼效果

人工鱼礁主要利用鱼类的趋性，以及流场、饵料和避敌等效应聚集鱼类[20]。本研究结果显示，人工鱼礁布设区域的鱼类密度明显高于对照区域，鱼类组成主要以小个体鱼类为主。其主要原因可能如下，一方面人工鱼礁导致水域的营养物质交换方式发生改变，同时鱼礁为水生生物附着提供了更大的面积，更有利于鱼类索饵，另一方面，人工鱼礁导致环境中的流速发生变化，形成了较对照区域中干流环境更为缓和的流场环境，更有利于小个体鱼类的栖息。杜浩等[21]的研究也表明体长较小的鱼游泳能力相对较弱，趋向于选择流速较缓的环境中进行索饵。铜锣峡江段人工鱼礁为鱼类提供了较好的索饵和栖息环境，对鱼类形成了诱集作用。

3.3 人工鱼礁区域鱼类时空分布

人工鱼礁水域鱼类分布呈现季节性变化。三峡库区在冬季蓄水后，水域的整体生境会发生变化[22]，同时水体透明度升高有利于浮游生物生长[23]。本研究结果显示，人工鱼礁布设区域鱼类密度冬季高于夏季，其原因可能为冬季三峡库区蓄水，水流速减缓，水体滞留时间延长，水体环境更适宜鱼类的栖息，同时微环境中饵料生物的生长也有利于鱼类的聚集。另外，结果还显示鱼类少见种由夏季的32.5%升高为冬季的55.1%，表明冬季的鱼类少见种在一定程度上也增加了人工鱼礁的总体鱼类密度。人工鱼礁区域鱼类密度的季节性变化与河流生境的改变以及鱼类生态类型的变化有着一定联系。

人工鱼礁区域鱼类的分布呈现空间变化。据相关文献记载，海洋人工鱼礁鱼类分布的水层会发生季节变化[24]，鱼类主要集中于中上层水域。本研究结果显示，人工鱼礁布设区域中夏季鱼类主要分布在中层和下层，冬季虽然中上层鱼类密度出现了升高，但主要鱼类仍集中分布在下层。本研究结果与张翔[24]的研究结果有一定差异，其原因可能与鱼类的生态类型有关，长江三峡库区铜锣峡江段鱼类以趋触性鱼类和恋礁性鱼类为主。冬季全航段鱼类的整体密度均出现了升高，因此出现中上层鱼类密度升高，下层鱼类密度明显上升，其原因可能为三峡大坝蓄水后人工鱼礁位置水位出现了明显上升有关。表明人工鱼礁水域水位升高时，对趋触性鱼类和恋礁性鱼类作用更明显。