探究网箱控制法和模型法下的4种长淡水鱼目标强度情况.docx

探究网箱控制法和模型法下的4种长淡水鱼目标强度情况在渔业资源评估方法的选择上,相比于传统的渔获物调查法,渔业声学调查法能覆盖更多的水体体积,具有快速、连续、无伤害及投入小等优势,受到全球范围内的关注[1,2]在水域环境方面,渔业声学技术广泛应用于海洋[3,4]、河口[5]、河流[6,7,8]、湖泊[9]及水库[10,11]渔业资源监测;此外,在鱼类行为[12,13]、鱼种鉴定[14]、大坝过鱼设施效果评估[15]、重要经济鱼类[16,17]和珍稀濒危鱼类繁殖群体监测[18,19]等方面有大量应用目标强度(targetstrength,TS)是描述作为声散射体对声波反射能力的物理量,是将声散射积分值转化成绝对资源量的关键参数,同时也是渔业声学技术的热点研究内容目前,全球已标定目标强度的淡水鱼类仅数十种,且大多集中在具商业价值的品种,尤其是鲑科类(salmonids)、鲤科类(cyprinids)、鲈类(percids)、胡瓜鱼类及鲱类(clupeids),占该领域已发表文献数量的85%,具有不同鳔室结构和体型特征的鱼类很少被关注而基于不同鱼体结构等因素对声波反射的差异特征是运用声波对鱼类进行鉴别的基础,也是未来渔业声学发展的方向[20]。

国际上鱼类目标强度研究起步较早,但研究鱼类的种类比较有限,特别是应用在实际资源评估中中国情况更加复杂,主要体现在多鱼种混栖,为资源监测和评估增加了难度,也对鱼类目标强度研究提出了更高的要求[21,22]为促进渔业声学技术在我国的发展和应用,开展目标强度这一基础研究成为当务之急根据被研究对象所处的状态,目标强度的测定方法可分为原位测定法(insitu)[23,24,25,26,27,28]和非原位测定法(exsitu)非原位测定法又可细分为绳系法[29,30]、网箱控制法[3,31]及模型法[32,33,34,35]等模型法主要有球体模型(sphere)、有限圆柱体模型、畸形圆柱模型和基尔霍夫近似模型模型法的基本原理为将影响目标强度的因素(鳔和鱼体的生物学结构、体型及声波入射角度等)作为参数,运用相关声波散射原理来进行计算相比于其他模型法,基尔霍夫近似模型能够很好地反映鱼的目标强度特征,在国外有着广泛的研究,而国内研究的不多[32,35,36,37,38,39]目前,内陆水体目标强度的测定常采用单一的方法,而采用模型法对实测法结果进行比较的研究极少，两种方法结合使用能够提高鱼类目标强度测定结果的准确性。

基于长江淡水鱼类鳔室数量、骨板有无、栖息类型及形态学特征,选取代表性种类鳊、鲢、鲇和长江鲟作为实验对象,使用网箱控制法进行现场测定,同时采用模型法对实测结果进行比较,尝试建立以上4种鱼目标强度与其生物学参数的回归关系,并研究不同鳔室结构、身体构造及声波入射角度等因素对目标强度的影响,旨在丰富长江淡水鱼类目标强度数据资料,为采用渔业声学方法进行长江淡水鱼类垂直原位监测评估资源量提供可供参考的相关参数1、材料与方法1.1网箱控制法1.1.1实验平台实验水域选在湖北省宜昌市三峡库区(三峡大坝上游约5km)的中华鲟养殖网箱基地(30°52.1310′N,110°58.8554′E),该水域水深60～80m,水流速0.01m/s,网箱离岸约300m实验网箱规格4.5m×4.5m×15m(长×宽×深),网目(2a=12mm),换能器发射的声波在网箱底部(15m),波束直径约为1.78m(小于网箱宽度4.5m),故网箱四周网衣对声波信号无干扰网衣底部四角悬挂10kg的铅球,确保网衣竖直实验装置及实验鱼回波图(示例长江鲟)如图1所示1.1.2实验鱼的选取与来源鳊:体长为体高的2.3～3.0倍,体高,甚侧扁,呈长菱型。

鳔3室,中室最大,后室小而末端尖栖息于水体的中下层,广布性种类鲢:体长为体高的2.7～3.6倍,体侧扁,稍高,腹部扁薄鳔大,2室,前室长而膨大,后室锥形,末端小分布极广,栖息于江河干流及附属水体的上层广布性种类鲇:体长为体高的4.3～6.1倍,体延长鳔1室,心形栖息于水体底层,广布性种类长江鲟:体长为体高的6.0～9.9倍,体长,呈梭型鳔1室,体具5行骨板实验于2012年12月及2013年6―7月开展鳊和鲢由定制刺网和板罾采集于三峡库区长江鲟随机取自中华鲟基地网箱,鲇购买自临近养殖户1.1.3数据获取使用BioSonicsDT-X分裂波式科学回声仪(BioSonicsINC,USA)应用网箱控制法测定TS值,该仪器相关参数见表1换能器固定于自制金属浮筒,由两根从网箱对角线发出的绳索将浮筒置于网箱正中央,换能器入水0.45m,朝向垂直向下(图1)使用13.7mm标准铜球对仪器进行校准,铜球参考目标强度值为-45dB(图2)实验前,挑选不同大小规格且体表无明显伤痕的实验鱼暂养于备用网箱中2周以上,然后转入实验网箱中适应至少12h实验过程中,每次测定1尾由于换能器声波束覆盖水体体积小,实验鱼自由游入声波束内的概率低,故每尾实验鱼测定耗时24～72h,尽可能采集多的鱼类回波信号。

测定后,使用MS-222(Sigma)对实验鱼进行麻醉处理,测量其全长(mm)、体长(mm)和体重(g),部分实验鱼进行X光拍照,用于模型法计算实验期间,水银温度计读取水温范围为14.2～26.8℃,盐度计(台湾衡欣,型号AZ8371)读取盐度为(0.17±0.03)mg/L图1实验装置(A)及长江鲟的回波测定(B,C,D)图2校准铜球回波映像1.1.4数据处理与分析使用Sonar-5Pro软件对采集的声学数据进行处理流程为:(1)将原始数据(.dt4格式)转化为软件能处理的格式(.uuu格式);(2)设置表层和底层2条线来屏蔽掉近场(nearfield)回波以及网箱底部盲区,近场设定为2m,底部盲区为0.5m;(3)进行单体检测(singletargetdetection),相关参数设定见表1;(4)导出单个体实验鱼的数据结果如波束补偿目标强度(meanTSc)、未补偿的目标强度(meanTSu)、目标所在水深(depth)等数据;(5)将Sonar-5Pro软件输出的单体鱼TS值换算为反向散射截面,然后计算平均目标强度[1]计算公式如下:公式1式中,sbs为目标物体对声波的反向散射截面强度,即为TS的线性值,与目标物线性长度的平方相关,N为目标信号的数量。

数据统计分析和制图使用软件IBMSPSSStatistics22(IBM,USA)和OriginPro20161.2模型法1.2.1基尔霍夫近似模型基尔霍夫近似模型假设鱼体在任意界面的每个点的声波反射(例如在任意闭合曲面上的密度不连续)与来自于无限的切向界面的无限平面波相同对有鳔鱼类而言,鱼的声散射包括鱼鳔散射和鱼体散射,而相较于与水介质声阻抗相近的鱼体而言,充气的鱼鳔相对于水介质的声阻抗较大,即鱼鳔对声散射的贡献率最大,超过90%[40]基尔霍夫近似模型是沿着鱼体和鱼鳔的轮廓等距离垂直切片,将鱼体的每一部分切片当成是一系列充满液体的不规则柱体的组合体,而把鱼鳔的每部分切片当成是一系列充满气体的不规则圆柱的组合体,分别计算出两者目标强度进行叠加,得出鱼类整体目标强度计算公式主要参考文献[35,36]1.2.2数据获取实验鱼生物学参数获取于鱼类X光影像本次实验使用X光机(Dongfang500mA,上海)对实验鱼体侧向和背腹向分别拍摄X光影像根据基尔霍夫近似模型需要,在PhotoshopCS5软件(Adobe,USA)中对所拍摄的实验鱼X光影像进行等距离切片,并测定每切片与鱼体(鱼鳔)相关点坐标(图3),代入MatlabR2016a软件编程进行TS值计算,程序代码来源于文献[41]。

入射声波倾角选择清晰度较高的-50°～50°,来研究该范围内TS值随不同声波入射角度的变化(入射声波与鱼体垂直方向为0°,鱼头朝上的姿态为正)鱼体姿态倾角ξ分布函数参考Furusawa[38],淡水与淡水鱼体(鱼鳔)典型声学参数参考Clay等[35]水体声速计算所需的水温、盐度等参数与网箱控制法现场测定数据一致图3实验鱼(鱼体和鱼鳔)X光影像及切片划分坐标(鱼体侧面为x-z轴;背面为x-y轴)示意图a.鲇的X光影像;b.鲇的解剖图.2、结果与分析2.14种鱼生物学特征根据4种实验鱼(鳊、鲢、鲇和长江鲟)的生物学资料,经点图分析,其体重(W)与体长(L)呈幂函数关系,符合W=a×Lb的规律,且拟合度较好(图4)由于实验组鲇取自养殖网箱,可能在解剖学上与长江野生个体有差异,选取186尾野生鲇(未发表数据)作为对照组进行生物学特性比较,比较指标为体长-体重关系曲线及肥满度两组鲇体长-体重曲线关系为:实验组(养殖)鲇:W=0.0163L2.8579,R2=0.9941对照组(野生)鲇:W=0.0126L2.9294,R2=0.9834式中,W为鱼体重(g),L为鱼体体长,a、b为参数,R为体重与体长的相关系数。

此外,实验组(养殖)鲇与对照组(野生)鲇的肥满度计算公式参考黄祥飞[42]:公式2式中,K为肥满度系数(%),L为体长(cm);W为体重(g)实验组鲇的肥满度为0.61%～1.05%,对照组为0.62%～1.70%采用独立样本T检验对两组鲇肥满度进行统计分析,结果表明二者无显著性差异(df=194,P>0.05)由于缺少野生长江鲟生物学数据,故未对实验组长江鲟(养殖)与野生群体做对比分析图44种鱼体长与体重的关系曲线2.2网箱控制法测定实验鱼平均TS值与生物学指标的关系采用网箱控制法对4种不同生物学特征鱼类TS值进行标定,实验鱼相关生物学参数与标定结果见表2鳊共计标定6尾,体长范围19.2～39.5cm,体重范围65～1512g;目标强度(TS,dB)与体长(BL,cm)的标准方程为TS=20lgBL-70.1(R2=0.94)表2鱼类体长(BL,cm)/全长(TL,cm)与目标强度TS的回归方程注:SE为标准误.Note:SEdenotesthestandarderror.鲢共计标定8尾,体长范围17.1～51.3cm,体重范围78～2223g;目标强度(TS,dB)与体长(BL,cm)的标准方程为TS=20lgBL-67.0(R2=0.80)。

鲇共计标定10尾,体长范围26.7～82.3cm,体重范围59～4716g;目标强度(TS,dB)与体长(BL,cm)的标准方程为TS=20lgBL-74.5(R2=0.80)长江鲟共计标定7尾,体长范围28.0～63.2cm,体重范围127～2150g;目标强度(TS,dB)与体长(BL,cm)的标准方程为TS=20lgBL-66.1(R2=0.94)2.3模型法测定结果选取不同体长规格的鲇3尾、鲢2尾、鳊1尾及长江鲟1尾,采用基尔霍夫近似模型进行目标强度的模型法计算其中鲇、鲢及鳊为网箱控制法测定过的实验鱼,而该尾长江鲟为补充拍摄的X光影像,未进行网箱控制法测定,其数据仅用于分析不同鳔室结构的实验鱼在38kHz换能器频率下TS值随声波角度的变化(图5)200kHz频率下模型法与网箱控制法TS值测定结果见表3其中,对于较大全长的鲇和鳊,网箱控制法测定的TS值明显小于模型法测定的结果,如全长为86.2cm的鲇,网箱控制法测定的TS值为-29.09dB,明显小于模型法测定的-25.72dB;全长为24.5cm的鳊,网箱控制法测定的TS值为-43.81dB,明显小于模型法测定的-36.61dB。

将网箱控制法与模型法测定的实验鱼TS值进行配对样本T检验,结果显示差异不显著(P>0.05,表4)图54尾不同鳔室结构的实验鱼在38kHz换能器频率下目标强度(TS)值随声波角度变化图表3。