CN112862255A - 基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法 - Google Patents

基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法，属于鱼道效果评价技术领域。本发明所述的鱼道效果评价方法，包括稳定同位素比率的测定、营养生态位估算以及鱼道建设的有效性评价。本发明所述评价方法，对水利工程上下游的某一种或某几种洄游性鱼类进行研究，通过稳定同位素的比对分析，从生态系统层面上，判定并量化说明鱼道建设是否消除了水利工程对某一种或某几种洄游性鱼类的影响，具有检测快速、结果稳定等特点。

Description

基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法
技术领域
本发明属于鱼道效果评价技术领域，具体涉及基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法。
背景技术
鱼道作为一种过鱼设施，是新建水利工程的生态补救措施。水利工程的修建会人为阻断河道水流的连通性，影响河流生态系统的物质循环和能量流动，破坏生态系统的完整性，阻挡了洄游鱼类的上溯通道，从而影响其产卵、索饵或越冬等，进而会导致洄游性鱼类种群数量的减少，甚至物种的消失，不仅影响渔业资源，更是会导致生物多样性的降低。为减少水利工程带来的不利影响，鱼道作为一种恢复河流连通性的生态补偿工程受到了高度重视，一般通过在水闸或坝上修建人工水槽供洄游性鱼类上溯，使其可以完成产卵、索饵或越冬等生理活动。
但目前关于鱼道有效性评价的方法大多关注于过鱼种类数、过鱼数量和过鱼效率方面(“过鱼设施设计要点及有效性评价”，侯轶群等，环境影响评价，2020年第3期；“连江西牛鱼道过鱼效果及其影响因子研究”，李捷等，生态与农村环境学报，2019年第35卷第12期，第1593-1600页；“长洲水利枢纽鱼道过鱼种群结构”，谭细畅等，应用生态学报，2015年第5期，第1548-1552页)，通过简单的从鱼道上统计这些数据，来分析判断鱼道的有效性，这些评价虽然也在一定程度上证明了鱼道的有效性，但无法直接说明鱼道是否消除了或者部分消除了水利工程阻断的影响。鱼道的建设是否达到了过鱼的目的，是否从本质上解决了鱼类洄游的问题，能否从生态系统结构层面量化鱼道对某一种或某几种洄游性鱼类的过鱼效果，这些问题仍有待进一步探索和研究，并用以评价和改进鱼道的设计与建设。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法，利用稳定同位素技术，对水利工程上下游的某一种或某几种洄游性鱼类进行研究，通过稳定同位素的比对分析，判定并量化说明鱼道建设是否消除了水利工程对某一种或某几种洄游性鱼类的影响。
本发明的技术方案如下：
基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法，步骤如下：
(1)稳定同位素比率的测定
在鱼道建设工程上游水库和下游河流对优势洄游性鱼类进行采样，测定鱼体中13C比率和15N比率，即13C/12C和15N/14N，与标准物品比较计算碳稳定同位素比率δ13C值和氮稳定同位素比率δ15N值；
(2)营养生态位估算
以测定的δ13C值和δ15N值作为横、纵坐标，建立坐标系；
将上游水库采集的鱼类的δ13C值和δ15N值形成的二维散点集绘制到坐标系中，计算最外缘散点实线连线所围成的凸多变形总面积，这一面积代表了上游水库中该鱼类种群的营养生态位，以TAU表示；下游河流采集的该鱼类的δ13C值和δ15N值也以同样方法绘制形成下游河流中该鱼类种群的营养生态位，以TAD表示；
计算出上游水库和下游河流中该鱼类种群的营养生态位重叠面积，以OA表示；
(3)鱼道建设的有效性评价
当TAU和TAD重合度超过TAD的60％，即OA≥60％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量非常明显，认定鱼道的建设效果达到优秀，基本消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的30％～60％，即60％TAD＞OA≥30％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量比较明显，认定鱼道的建设效果达到良好，大部分消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的10％～30％，即30％TAD＞OA≥10％TAD时，表明有一定数量的该鱼类通过鱼道从下游河流中成功洄游至上游水库，认定鱼道的建设效果达到合格，一定程度上消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度未达到TAD的10％，即10％TAD＞OA时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量较少，认定鱼道的建设效果未达到合格水平，基本没有消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响。
鱼道建设的有效性评价指标是依据稳定同位素的性质来设置的60％、30％、10％，同一个群体经多次采样后基本可以达到60％以上的重叠。
上述技术方案中，步骤(1)采样时，根据水库和河流的面积，每个采样区域不少于3个采样点；并根据优势洄游性鱼类的洄游生理需求选择采样时间。
上述技术方案中，13C比率和15N比率的测定过程为，准确称取定量待测样品，用4×6锡杯包样，利用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机测定鱼类待测样品中13C/12C和15N/14N。
上述技术方案中，稳定同位素比率的计算方法如下：
利用测定的13C/12C和15N/14N，与标准物品比较计算碳稳定同位素比率(δ13C)和氮稳定同位素比率(δ15N)。
碳稳定同位素比率结果用δ13C表示，计算公式如下：
Figure BDA0002895072490000031
式(1)中，13C/12Csample为样品的实际碳同位素比值，13C/12CVPDB为国际标准物VPDB的碳同位素比值；δ13C‰误差率小于0.2‰；
氮稳定同位素比率结果用δ15N表示，计算公式如下：
Figure BDA0002895072490000032
式(2)中，15N/14Nsample为样品的实际氮同位素比值，15N/14Nair为标准大气氮同位素比值；δ15N误差率小于0.3‰；
利用SPSS16.0单因素方差分析(one-way ANOVA)检验筛选出的鱼类样品δ13C值和δ15N值是否存在显著性差异，并去除存在显著差异的数据；
上述技术方案中，鱼类采样的样本数量为至少30尾。在生态学中，30尾可以代表这一种群。
本发明技术方案中，TAU表示该鱼类种群在上游水库中种群的营养生态位，TAD表示该鱼类种群在下游河流中种群的营养生态位，OA表示TAU和TAD重合度。
本发明的有益效果如下：
本发明基于稳定同位素技术，提供一种能够从生态系统结构层面对鱼道建设效果评价的方法。本法明所述评价方法，对水利工程上下游的某一种或某几种洄游性鱼类进行研究，通过稳定同位素的比对分析，从生态系统层面上，判定并量化说明鱼道建设是否消除了水利工程对某一种或某几种洄游性鱼类的影响，具有检测快速、结果稳定等特点。
稳定同位素技术作为一种具有示踪、整合和指示等多项功能的方法，测定出的结果往往是一系列的表示物质信息的原始数据集，通过本方法可以将原始数据集投影到坐标系中，形成直观的描述被研究鱼类的营养生态位信息，并在特定时期通过对水利工程上游水库和下游河流中该鱼类营养生态位信息的对比判断是否可以认定为同一种群，从而评价鱼道的建设效果。
附图说明
图1为鲢鱼在湘江某鱼道A上、下游的营养生态位图；
图2为青鱼在汉江某鱼道B上、下游的营养生态位图；
图3为鳙鱼在湘江某鱼道C上、下游的营养生态位图；
图4为鲢鱼在大渡河某鱼道D上、下游的营养生态位图。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法
步骤如下：
(1)选择采样区域
以鱼道建设工程上游水库和下游河流作为采样区域，开展采样工作时，根据水库和河流的面积，每个采样区域不少于3个采样点；
(2)选择采样物种
根据鱼道所在流域的历史资料以及对当地调研的结果，选择采样区域典型的优势洄游性鱼类开展采样和研究工作；
(3)选择采样时间
根据鱼类洄游生理需求选择采样时间，例如产卵洄游性鱼类选择其产卵季节开展采样工作，索饵洄游性鱼类选择其需要大量觅食的时间开展采样工作，越冬洄游性鱼类则选择其向适宜温度洄游的季节开展采样工作；
(4)采样与筛选
根据鱼类的生活环境不同选择采样工具，中上层鱼类可使用流刺网采集，下层鱼类可使用底拖网或地笼网开展采样工作，从采集样品中随机选择行动敏捷、体色光泽度高、鱼鳍舒展完整的样本30尾，-20℃冷冻保存；
(5)样本处理
去除鱼皮，取其背部肌肉，置于60℃烘箱内烘干48h至恒重取出，研磨成细粉末状放入干燥器保存，形成鱼类待测样品。
(6)稳定同位素比率的测定
准确称取定量待测样品，用4×6锡杯包样，用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机(Flash EA 1112HT-Delta V Advantages，Thermo公司)测定鱼类待测样品中13C比率(13C/12C)、15N比率(15N/14N)，根据公式计算碳稳定同位素比率(δ13C)、氮稳定同位素比率(δ15N)；
碳稳定同位素比率结果用δ13C表示，计算公式如下：
Figure BDA0002895072490000051
式(1)中，13C/12Csample为样品的实际碳同位素比值，13C/12CVPDB为国际标准物VPDB的碳同位素比值；δ13C‰误差率小于0.2‰；
氮稳定同位素比率结果用δ15N表示，计算公式如下：
Figure BDA0002895072490000052
式(2)中，15N/14Nsample为样品的实际氮同位素比值，15N/14Nair为标准大气氮同位素比值；δ15N误差率小于0.3‰；
利用SPSS16.0单因素方差分析(one-way ANOVA)检验筛选出的鱼类样品δ13C值和δ15N值是否存在显著性差异；
(7)营养生态位估算
以测定的δ13C值和δ15N值作为横、纵坐标，建立坐标系；在坐标系中，δ13C值变幅(δ13C Value Variational Range，CR)表示该种鱼类的摄食范围，δ15N值变幅(δ15N ValueVariational Range，NR)表示该种鱼类的营养级范围；
将上游水库采集的鱼类的δ13C值和δ15N值形成的二维散点集绘制到坐标系中，计算最外缘散点实线连线所围成的凸多变形总面积(Total Area，TA)，这一面积代表了上游水库中该鱼类种群的营养生态位，以TAU表示；下游河流采集的该鱼类的δ13C值和δ15N值也以同样方法绘制形成下游河流中该鱼类种群的营养生态位，以TAD表示；
计算出上游水库和下游河流中该鱼类种群的营养生态位重叠面积(OverlapArea)，以OA表示；利用ArcMap 10.1进行OA计算，根据导入的所有坐标点数据生成面积图，并计算出面积数值，通过相交功能生成重叠面积并计算出面积数值。
(8)鱼道建设的有效性评价
当TAU和TAD重合度超过TAD的60％，即OA≥60％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量非常明显，认定鱼道的建设效果达到优秀，基本消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的30％～60％，即60％TAD＞OA≥30％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量比较明显，认定鱼道的建设效果达到良好，大部分消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的10％～30％，即30％TAD＞OA≥10％TAD时，表明有一定数量的该鱼类通过鱼道从下游河流中成功洄游至上游水库，认定鱼道的建设效果达到合格，一定程度上消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度未达到TAD的10％，即10％TAD＞OA时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量较少，认定鱼道的建设效果未达到合格水平，基本没有消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响。
根据上述评价方法对实地鱼道效果进行评价。
实施例2
采样区域：湘江某鱼道A；
采样物种：鲢鱼；
采样尾数：60尾；
采样点数：上下游各3个采样点；
采样时间性质：产卵洄游性；
评价方法：按照实施例1进行评价。
评价结果如图1所示，结果表明：鲢鱼的TAU为35.8，TAD为33.4。OA为25.4，等于76.0％TAD，大于60％TAD，因此认定该鱼道A的建设对于鲢鱼洄游的效果达到优秀水平。
实施例3
采样区域：汉江某鱼道B；
采样物种：青鱼；
采样尾数：60尾；
采样点数：上下游各3个采样点；
采样时间性质：产卵洄游性；
评价方法：按照实施例1进行评价。
评价结果如图2所示，结果表明：青鱼的TAU为20.3，TAD为19.4。OA为9.4，等于48.5％TAD，在30％～60％TAD之间，因此认定该鱼道B的建设对于青鱼洄游的效果达到良好水平。
实施例4
采样区域：湘江某鱼道C；
采样物种：鳙鱼；
采样尾数：60尾；
采样点数：上下游各3个采样点；
采样时间性质：产卵洄游性；
评价方法：按照实施例1进行评价。
评价结果如图3所示，结果表明：鳙鱼的TAU为5.7，TAD为6.7。OA为1.3，等于19.4％TAD，在10％～30％TAD之间，因此认定该鱼道C的建设对于鳙鱼洄游的效果达到合格水平。
实施例5
采样区域：大渡河某鱼道D；
采样物种：鲢鱼；
采样尾数：60尾；
采样点数：上下游各3个采样点；
采样时间性质：产卵洄游性；
评价方法：按照实施例1进行评价。
评价结果如图4所示，结果表明：鲢鱼的TAU为26.4，TAD为21.8。OA为0.9，等于4.1％TAD，小于10％TAD，因此认定该鱼道D的建设对于鲢鱼洄游的效果未达到合格水平。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.基于稳定同位素法的鱼道效果评价方法，其特征在于，步骤如下：
(1)稳定同位素比率的测定
在鱼道建设工程上游水库和下游河流对优势洄游性鱼类进行采样，测定鱼体中13C比率和15N比率，即13C/12C和15N/14N，与标准物品比较计算碳稳定同位素比率δ13C值和氮稳定同位素比率δ15N值；
(2)营养生态位估算
以测定的δ13C值和δ15N值作为横、纵坐标，建立坐标系；
将上游水库采集的鱼类的δ13C值和δ15N值形成的二维散点集绘制到坐标系中，计算最外缘散点实线连线所围成的凸多变形总面积，这一面积代表了上游水库中该鱼类种群的营养生态位，以TAU表示；下游河流采集的该鱼类的δ13C值和δ15N值也以同样方法绘制形成下游河流中该鱼类种群的营养生态位，以TAD表示；
计算出上游水库和下游河流中该鱼类种群的营养生态位重叠面积，以OA表示；
(3)鱼道建设的有效性评价
当TAU和TAD重合度超过TAD的60％，即OA≥60％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量非常明显，认定鱼道的建设效果达到优秀，基本消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的30％～60％，即60％TAD＞OA≥30％TAD时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量比较明显，认定鱼道的建设效果达到良好，大部分消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度在TAD的10％～30％，即30％TAD＞OA≥10％TAD时，表明有一定数量的该鱼类通过鱼道从下游河流中成功洄游至上游水库，认定鱼道的建设效果达到合格，一定程度上消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响；
当TAU和TAD重合度未达到TAD的10％，即10％TAD＞OA时，表明从下游河流中通过鱼道成功洄游至上游水库的该鱼类数量较少，认定鱼道的建设效果未达到合格水平，基本没有消除了水利工程对该种鱼类洄游的影响。
2.根据权利要求1所述的鱼道效果评价方法，其特征在于，所述步骤(1)采样时，根据水库和河流的面积，每个采样区域不少于3个采样点；并根据优势洄游性鱼类的洄游生理需求选择采样时间。
3.根据权利要求1所述的鱼道效果评价方法，其特征在于，13C比率和15N比率的测定过程为，准确称取定量待测样品，用4×6锡杯包样，利用元素分析仪-稳定同位素质谱仪联机测定鱼类待测样品中13C/12C和15N/14N。
4.根据权利要求1所述的鱼道效果评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中，稳定同位素比率的计算方法如下：
利用测定的13C/12C和15N/14N，与标准物品比较计算碳稳定同位素比率δ13C值和氮稳定同位素比率δ15N值；
碳稳定同位素比率结果用δ13C表示，计算公式如下：
Figure FDA0002895072480000021
式(1)中，13C/12Csample为样品的实际碳同位素比值，13C/12CVPDB为国际标准物VPDB的碳同位素比值；δ13C‰误差率小于0.2‰；
氮稳定同位素比率结果用δ15N表示，计算公式如下：
Figure FDA0002895072480000022
式(2)中，15N/14Nsample为样品的实际氮同位素比值，15N/14Nair为标准大气氮同位素比值；δ15N误差率小于0.3‰；
利用SPSS16.0单因素方差分析检验筛选出的鱼类样品δ13C值和δ15N值是否存在显著性差异，并去除存在显著差异的数据。
5.根据权利要求1所述的鱼道效果评价方法，其特征在于，鱼类采样的样本数量为至少30尾。
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