Investigation on behavioral preferences of Lutjanus erythropterus juvenile towards artificial reef models with different pore shapes and sizes
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摘要:
人工鱼礁构建对维护海洋生态和保护渔业资源至关重要。在人工鱼礁设计中，开孔形状和尺寸是关键要素，对鱼类的聚集行为有着显著性影响。针对人工鱼礁区常见的礁栖鱼类红鳍笛鲷 (Lutjanus erythropterus)，设计制作了不同开孔形状 (圆形、正方形、菱形) 和尺寸 (1.0、2.0、3.0、4.0 cm) 的人工鱼礁模型，观察了在室内实验池中其对幼鱼的吸引作用及其行为变化。结果显示，在未设置人工鱼礁模型的情况下，幼鱼主要聚集在实验池的边缘区域；而放入鱼礁模型后，幼鱼在鱼礁区的平均分布比例显著上升 (p<0.05)。在开孔形状的研究中，3种不同形状组的幼鱼在人工鱼礁放置区 (VI区) 的平均分布率无显著性差异 (p>0.05)，但菱形处理组的比例最高 [(19.84±6.08)%]。在开孔尺寸的研究中，3个处理组的平均分布率存在显著性差异 (p<0.05)，4.0 cm尺寸组 (约为幼鱼体高的2.0倍) 最高 [(25.36±5.04)%]，1.0 cm尺寸组 (约为幼鱼体高的0.5倍) 最低 [(14.54±3.09)%]。在活动能力方面，人工鱼礁模型实验组与空白对照组有明显差异。幼鱼在人工鱼礁模型中的平均速度从对照组的 (13.36±5.21) cm·s−1降至 (4.29±1.59) cm·s−1，平均加速度从 (106.93±69.17) cm·s−2降至 (54.45±21.47) cm·s−2，活动时间百分比从 (68.01±8.61)%减至 (40.29±11.85)%，且在圆形、正方形和菱形4.0 cm组中均为最低。研究表明，这一阶段的红鳍笛鲷幼鱼对开孔为圆形、尺寸为4.0 cm组的人工鱼礁模型有最强的趋向性，同时其活跃程度相对较低，诱集效果最为显著。
Abstract:The construction of artificial reefs is crucial for maintaining marine ecology and protecting fishery resources. The pore shape and size are the key elements for the structural design with a significant impact on the aggregation of fish. We designed and made the artificial reef models with different pore shapes (Round, square, diamond) and different sizes (1.0, 2.0, 3.0, 4.0 cm) for Lutjanus erythropterus, a common reef-dwelling fish in the artificial reef area. Then we observed the attractive effect on the juveniles and observed their behavioral changes in an indoor experimental pool. The results show that without the artificial reef model, the juveniles mainly concentrated in the peripheral area of experimental pool. But when the reef model was placed, the average distribution ratio of the juveniles in the reef area increased significantly (p<0.05). For the pore shape study, there was no significant difference in the average distribution rate of the juveniles in the artificial reef placement area (VI area) among the three treatment groups (p>0.05), with the proportion of the diamond treatment group being the highest [(19.84±6.08)%]. However, for the pore size study, there were significant differences among the three treatment groups (p<0.05), 4.0 cm size group (About 2.0 times the body height of juvenile) being the highest [(25.36±5.04)%], while 1.0 cm size group (About 0.5 times the body height of juvenile) being the lowest [(14.54±3.09)%]. In terms of activity ability, there were obvious differences between the artificial reef model experimental group and the blank control group. The average speed of juveniles decreased from (13.36±5.21) cm·s−1 in the control group to (4.29±1.59) cm·s−1 in the reef group, the average acceleration decreased from (106.93±69.17) cm·s−2 to (54.45±21.47) cm·s−2, and the percentage of activity time decreased from (68.01±8.61)% to (40.29±11.85)%, and all were the lowest in the circular 4.0 cm group, the square 4.0 cm group and the diamond 4.0 cm group. It is showed that at this stage, L. erythropterus juvenile has the strongest tropism to the artificial reef model with a circular pore shape and the size group of 4.0 cm, but the activity level is relatively low, showing the most significant attractive effect.
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Keywords:
- Artificial reef /
- Lutjanus erythropterus /
- Attractive effect /
- Behavioural responses
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鱼类运动轨迹监测技术主要有视觉监测技术和声波监测技术。视觉监测技术以视频、图片观察和手工记录为主[1-7]，可以在鱼类不受干扰的情况下较好地对其行为进行观察、记录和分析，但后期数据处理难度较大、误差大且监测数据连续性差。早期的研究主要是对鱼类的行为特征进行观察和描述，基本处于“定性”分析阶段，很难得到鱼类运动行为响应的量化指标。声波监测技术分为被动声学法和主动声学法两种[8]：被动声学法是通过鱼类发出的声波特征进行探测和识别[9]；主动声学法是通过声波设备接收鱼类的回波信号并进行分析和识别，具有受水域环境影响小、应用范围广泛等优势，是当今国内外研究和应用最为广泛的一种方法[10]。目前，声波监测技术应用最广泛的有鱼探仪，采用鱼探仪对水域鱼类资源的丰度[11-16]、时空分布情况 [17-21]和活动规律[22-23]等方面的研究已取得了很多成果，但该技术仅对鱼群的种类、大小和距离进行探测，无法准确定位到鱼类的位置及其运动轨迹。
声学标签系统 (Acoustic Tag System，ATS) 是声波监测技术的一种被动声学法，根据鱼类个体大小和研究周期选择合适的声学标签 (Acoustic tag，也称声学信号发射器) 类型和参数对鱼类运动轨迹进行监测[24]，已逐步成为鱼类行为学研究最主要的手段。目前，国外对声学标签系统的应用研究成果主要有鱼类资源的丰度评估[25]、鱼类的游泳模式[26]、栖息地特征评价[27-29]、鱼类的产卵场地[30]、鱼类的生存情况[31]、鱼类的行为差异[32]、鱼类行为模型[33]等。我国仅有环境变化对鱼类行为的影响[34-35]和水利工程建设对鱼类洄游能力[36-37]等相关方向的研究成果报道。
声学标签系统主要用于江河湖库、海洋、大坝、河口海岸、船闸码头等的鱼类运动轨迹监测，并通过鱼类运动行为响应情况评估鱼类的丰度、种群结构、生理行为、迁徙及栖息地变化等，但应用在水生态环境对鱼类行为产生影响等方面的研究成果相对较少。因此，可将声学标签监测技术在鱼类运动行为学的应用与养殖、生态学、声学、数学模型以及计算机仿真技术等学科相结合，进行多学科的交叉利用与研究。
1. 声学标签监测技术
1.1 声学标签系统的组成
声学标签系统由硬件和软件2个部分组成。硬件部分由声学标签信号接收器、水听器、标签激活器、标签、标签检测器和电脑组成，软件部分包括Tag Programmer (用于激活及休眠标签)、Acoustic Tag (用于原始数据收集及存储) 和Mark Tags (用于原始数据文件中的环境噪音和标签回声信息处理) 3个模块。
1.2 声学标签系统的工作原理
声学标签系统采用4个水听器 (Hydrophone，简写为H1、H2、H3和H4) 接收移植或捆绑于鱼类身上的声学标签发射出来的声波，通过数据线传输到信号终端处理器进行信号处理，最后经计算机终端去噪处理后即可得到鱼类的二维、三维行为轨迹坐标。
1.3 声学标签系统的操作方法
声学标签系统的具体操作方法为：
1) 水听器布设。将水听器下端固定于2个不同平面 (图1)，并设置水听器底部的三维坐标及相关参数。水听器的坐标可根据监测目的选择大地坐标或相对坐标进行设置。4个水听器监测的水域范围一般为0.5 km。如监测范围为河流等线状水域可进行多个水听器线状布设；如监测范围为大水域可根据水域情况布设多个水听器，最多可布设16个，或将水听器固定于监测船进行监测，如果监测船更换位置需要重新设置水听器坐标。
2) 采用标签激活器对声学标签进行唯一编码 (即发射频率) 激活，并用标签检测器检测是否激活成功。编码根据声波信号的发射频率进行设置，设置范围一般为1 000～6 000 Hz。可根据实际情况需要选择编码大小，如设置的发射频率为3 000 Hz即每3 s可获得1个声波信号，1个信号代表1个轨迹点。每1 h为一组数据计，一组数据有1 200个轨迹点，一年可监测到的轨迹点约1 051.2 × 104个。
3) 将已激活的声学标签捆绑或移植于试验鱼身上，水听器将接收到声学标签发射出来的声波信号并通过信号线传输至信号处理器，在PC终端便可实时监控鱼类的二维、三维运动轨迹 (图2)。
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图 2 实时监测的鱼类三维 (a)、二维 (b) 运动轨迹Figure 2. 3D (a) and 2D (b) motion trajectories of fish in real-time4) 采用数据处理软件Mark Tags模块对采集的原始信号进行去噪处理即可获得鱼类二维、三维运动轨迹坐标。
2. 鱼类运动轨迹数据处理方法
在数据监测过程中，除了接收到这些具有特定发射频率的标签发射的声波信号之外，还会接收到其他噪声的声波信号 (图3)，或者接收的信号不连续，这些信号数据通常被称为“异常数据”。由于异常数据的存在导致监测到的原始轨迹数据杂乱无序 (图2)，很难从这些庞大的试验数据中获取隐藏于其中的信息和数据变化规律。如果对这些原始数据直接进行分析，得到的结果将是不准确甚至是错误的。因此，在数据分析，首先要对这些杂乱无序的大数据进行处理，对原始的运动轨迹数据进行去噪、清洗，转换成简洁、高效的鱼类二维、三维行为轨迹数据 (图4)，最后加载到数据库中。
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图 4 去噪处理后鱼类三维 (a)、二维 (b) 运动轨迹Figure 4. 3D (a) and 2D (b) motion trajectories of fish after denoising监测到的异常数据类型主要有4类：噪声值、缺失值、异常值 (离群值) 和重复值。数据清洗过程通常是将重复和多余的数据筛选后清除、将缺失的数据补充完整、将错误的数据纠正或删除，最后整理可用的数据库，为数据挖掘和分析的准确性奠定基础。以下是根据不同异常数据类型采用不同的数据清洗方法。
2.1 噪声值
在采集声学标签声波信号的同时也会接收到其他噪声声波的信号 (图5)，通过数据处理软件Mark Tags模块设置相关的去噪参数，或者添加噪声过滤器即可对采集到的原始信号进行去噪和过滤处理，得到声学标签的声波信号 (图6)。
2.2 缺失值
缺失值的清洗方法有删除法、均值插补法、热卡填补法、最近距离决定填补法、回归填补法、多重填补方法、K-最近邻法、有序最近邻法和基于贝叶斯的方法等。根据数据的缺失程度选择不同的清洗方法，其中删除法方法适用于数据比较多且缺失值的数量占整个数据的比例相对较小的情况，可以直接将缺失值删除掉，是一种最简单有效的方法。
在鱼类运动轨迹数据采集过程中，会出现由于环境客观条件造成信号无法获取而导致轨迹缺失的情况，可通过均值插补法进行插补 (图7)，但某个时间段的缺失值较多则不再进行插补。如设置的声波信号发射频率为3 s，若信号中断时间超过10 s时将不再进行插补 (图8)。采用数据处理软件的Mark Tags模块过程中即可实现缺失值的自动插补。
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图 7 对缺失值进行均值插补后鱼类运动轨迹Figure 7. Fish trajectories after mean interpolation of missing values2.3 异常值 (离群点)
异常值清洗方法主要有统计分析法、3∂原则、箱型图分析等，其中统计分析法是一种常用的简单方法。对数据库进行简单的筛选和统计，分别对鱼类运动轨迹三维坐标的x、y、z值进行排序，取数据的最大值和最小值来判断是否超出取值范围，若超出该范围则作删除处理。鱼类运动轨迹坐标应出现在水域内如a点，如果轨迹点如b点出现在水域外则显然不合常理，此为异常值，b点坐标应被删除 (图9)。
2.4 重复值
对于数据重复值的判断主要采用排序与合并的方法。重复值的检测方法主要有2个步骤：首先将数据库的数据按一定规律排序，然后通过比较相邻数据的相似情况来检测数据是否重复。对鱼类的三维运动轨迹重复值进行统计，通过判断鱼类在某处的重现性来获得鱼类的运动行为规律以及对栖息场所的偏好等信息。
要从这些庞大的数据中获得鱼类重现频率较高的轨迹坐标，需要采用数据查询语言对数据进行查询以获取有用的数据信息。数据查询语言Frequency函数是统计各区间段数值频率的一个函数，其结构为Frequency (Data_array和bins_array)，其中Data_array是用于判断的数组或者数据区域，而bins_array是用于输出结果数据的分割点。其查询步骤为：输入函数Frequency→设定参数data_array和bins_array→选择输出结果的单元格区域→按F2键输入函数公式→按“Ctrl+Shift+Enter”可返回一个数组。
为获得鱼类的运动轨迹分布情况，可将轨迹坐标分别投影在xy平面和xz平面上即可得到轨迹散点图。散点图在大数据分析中的作用尤为明显，其可以展示数据的分布和聚合情况。通过散点图中散点的疏密程度和变化趋势来获得鱼类运动行为规律，轨迹越密集说明鱼类出现的频率越高。
3. 声学标签系统的应用实例
实测水域为某高校校园的景观湖，水域面积为5.3 × 103 m2，水深为1.6～2.5 m，湖内修建有景观亭 (图10)。湖内水源的主要补给来源为天然降水和校内污水处理站的中水补给，湖中有鲤 (Cyprinus carpio)、鲫 (Carassius auratus) 等湖泊常见鱼种。景观湖为封闭水域，自净能力较差，水中的氮 (N)、磷 (P) 营养元素长期积累容易导致水体的富营养化，尤其是在夏季，气温高容易导致水质恶化，严重影响景观湖的生态功能和景观效果。
由于春、夏季水域生态环境变化较大，因此对鱼类在春、夏季的运动行为轨迹进行了监测。发现春、夏两季鱼类的运动轨迹变化明显 (图11，图12)：春季到夏季，在水平方向上鱼类离污染源的距离越大，垂直方向上鱼类由底层往表层迁移。引起鱼类运动行为发生变化的主要原因除了水温外，还与水中溶解氧 (Dissolved oxygen, DO) 含量和藻类死亡释放的毒素如微囊藻毒素的分布有关。夏季水温高，日照充足，加上N、P营养物质的不断输入，湖内藻类及其他浮游生物迅速繁殖并消耗水中大量的氧气 (O2) 导致水中DO含量不断下降，且得不到及时补充，致使O2收支不平衡，藻类死亡并释放衍生污染物。说明鱼类运动行为发生改变主要与水环境因子有关，通过评价鱼类运动行为与水环境因子的相关性，可为养殖水质及水生态健康评价等提供参考依据。
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图 11 春季 (a) 和夏季 (b) 鱼类运动轨迹在水平面的分布情况Figure 11. Distribution of fish motion trajectories in horizontal direction in spring (a) and summer (b)![]()
图 12 春季 (a) 和夏季 (b) 鱼类运动轨迹在水深方向的分布情况Figure 12. Distribution of fish motion trajectories in vertical direction in spring (a) and summer (b)4. 应用前景
目前，鱼类声学标签监测技术多应用于江河湖库和海洋等鱼类丰度、种群结构等方面的研究。采用该技术对自然水域环境中鱼类的运动行为轨迹进行实时监测，可为研究水利工程建设对鱼类洄游能力、产卵以及栖息地的影响，鱼类在生境变化过程的行为响应，鱼类毒理性行为响应，鱼类行为水质监测系统建设，水生态环境健康评价以及水生态修复效果评价等提供科学的依据，是一种实时有效、快速的先进技术。
此外，根据鱼类对不同养殖水质环境的行为响应可为水产养殖提供重要的指导信息[38-39]。目前，该声学标签监测技术在水产养殖业的应用较少，具有广泛的应用前景。如通过研究鱼类的运动轨迹变化规律，掌握鱼类的栖息场所，指导人工繁殖和幼鱼培育，可以提高幼鱼的成活率和质量；此外，鱼食投放和污染物的排入会引起水质的改变，鱼类如果表现出逃避行为，且大多数都集中在洁净水的一端，表明水质遭受到污染。因此，通过连续测定鱼类的运动轨迹，对比鱼类当前运动轨迹与历史运动轨迹的变化，可实现渔业养殖水质环境的实时在线监测和预警，为提高水产养殖的产量和质量提供可靠的科学依据。
利用声学标签监测技术对鱼类运动行为轨迹进行24 h监测，获得鱼类的实时三维运动轨迹坐标并进行相关的数据分析及应用，是一种先进的技术手段。与其他监测技术相比，声学标签监测技术具有原位观察、数据处理方法简单、可24 h实时监控鱼类的二维、三维运动轨迹等优势。但该技术是通过接收鱼类身上声学标签发送的声波信号来确定鱼类的位置，在数据监测过程中可能会出现鱼类死亡、声学标签丢失和标签电量不足等情况，因此需要技术人员及时对监测数据进行实时监控和数据处理分析，以保证监测数据的连续性和准确性。
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图 3 红鳍笛鲷在不同处理组中的分布图
Figure 3. Distribution pictures of L. erythropterus in different treatments
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图 4 不同开孔形状人工鱼礁模型条件下红鳍笛鲷幼鱼在VI 区的平均分布率
注：不同小写字母之间表示差异显著 (p<0.05)。
Figure 4. Average distribution rates of L. erythropterus juvenile in Area VI with different pore shapes in artificial reef model
Note: Lowercase letters represent significant differences (p<0.05).
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图 5 在不同开孔尺寸人工鱼礁模型下红鳍笛鲷幼鱼在VI 区的平均分布率
注：不同小写字母之间表示差异显著 (p<0.05)。
Figure 5. Average distribution rate of L. erythropterus juvenile in Area VI with different pore sizes in artificial reef model
Note: Lowercase letters represent significant differences (p<0.05).
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图 6 不同开口形状和尺寸人工鱼礁模型下红鳍笛鲷幼鱼在VI 区的平均分布率
注：不同小写字母间表示差异显著 (p<0.05)。
Figure 6. Average distribution rate of L. erythropterus juvenile in AreaVI by artificial reef models with different pore shapes and sizes
Note: Lowercase letters represent significant differences (p<0.05).
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图 7 不同区域红鳍笛鲷幼鱼的平均分布率
注：不同小写字母间表示差异显著 (p<0.05)。
Figure 7. Average distribution rate of L. erythropterus juvenile in different regions
Note: Lowercase letters represent significant differences (p<0.05).
表 1 红鳍笛鲷幼鱼不同处理组在各区域的平均分布率
Table 1 Average distribution rate of L. erythropterus juvenile of different treatment groups in each area
礁体类型
Reef type分布区域 Distribution area I II III IV V VI 对照组 Control 18.73±6.65 17.16±5.96 13.66±4.57 19.64±8.68 18.69±6.15 10.16±3.02 圆形1.0 Circle 1.0 22.59±5.59 17.42±2.95 15.50±5.78 14.95±5.97 16.41±2.80 12.33±4.20 圆形2.0 Circle 2.0 16.38±2.95ab 17.96±3.99ab 13.47±0.86b 14.11±2.46b 16.86±3.28ab 20.44±2.42a 圆形3.0 Circle 3.0 15.63±6.83 17.78±4.68 17.69±7.27 16.78±7.12 15.23±1.67 16.69±1.47 圆形4.0 Circle 4.0 16.29±1.39b 14.22±1.50b 14.02±3.05b 11.34±2.09b 12.23±5.90b 26.69±3.07a 正方形1.0 Square 1.0 19.38±0.80a 16.38±3.30ab 15.43±3.50ab 12.06±4.11b 15.24±0.47ab 16.79±0.27a 正方形2.0 Square 2.0 18.60±3.56a 20.54±3.61a 13.16±0.17b 12.57±1.99b 15.74±3.20ab 19.38±0.80a 正方形3.0 Square 3.0 14.81±3.94ab 20.05±4.47a 15.66±4.91ab 13.96±1.82b 15.54±1.02ab 19.99±0.71a 正方形4.0 Square 4.0 15.57±5.94ab 20.69±2.08a 13.14±2.10b 16.29±6.95ab 10.97±1.88b 22.78±2.00a 菱形1.0 Dimond 1.0 20.25±11.5 20.90±2.20 13.17±2.99 13.18±6.30 17.46±2.74 14.32±2.04 菱形2.0 Dimond 2.0 21.59±2.23a 13.35±3.47b 17.98±6.18ab 14.10±4.69b 14.03±3.18b 18.94±2.64ab 菱形3.0 Dimond 3.0 22.60±5.79a 14.90±1.34b 12.67±7.51b 12.63±1.74b 14.31±2.77b 19.48±1.82ab 菱形4.0 Dimond 4.0 17.59±4.67ab 15.39±5.63b 12.50±4.59b 15.05±1.37b 12.65±2.72b 26.62±8.54a 注：表中分布区域代表实验池中划分的区域，VI区为放置人工鱼礁模型的区域，同行不同字母表示同一处理组不同区平均分布率存在显著性差异 (p<0.05)。其中，Control代表空白对照组，Circle代表开口形状为圆形，Square代表开口形状为方形，Diamond代表开口形状为菱形，数值代表开口分别为1.0、2.0、3.0和 4.0 cm。 Note: Distribution areas in the table represent the areas divided in the experimental pool. VI area is the area where the artificial reef model was placed, and different letters within the same row represent significant differences in the average distribution rates of fish in different areas for the same treatment group (p<0.05). Among the reef types, Control represents the blank control group; Circle represents the circle pore shape; Square represents the square pore shape; Diamond represents the diamond pore shape, and the numerical values represent the sizes of the opening, which correspond to 1.0, 2.0, 3.0 and 4.0 cm, respectively. 
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表 2 不同人工鱼礁开孔尺寸和形状及其相互作用对红鳍笛鲷幼鱼平均分布率的影响
Table 2 Effects of different artificial reef pore sizes and shapes and their interactions on average distribution rate of L. erythropterus juvenile
因素
Factor平方和
Sum square自由度
Degree of freedom均方
Mean squareF 显著性
Significance尺寸 Size 0.054 3 0.018 16.983 0.000 形状 Shape 0.000 2 0.000 0.227 0.799 形状×尺寸 Shape×Size 0.008 6 0.01 1.272 0.304 误差 Error 0.027 26 0.01
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表 3 红鳍笛鲷在不同处理组中的行为指数
Table 3 Index of behavior of L. erythropterus in different treatment groups
处理
Treatment平均速度
Average speed/(m·s−1)平均加速度
Average acceleration/(m·s−2)活动时间百分比
Percentage of activity time/%对照组 Control 13.36±5.21a 106.93±69.17a 68.01±8.61a 圆形1.0 Circle 1.0 cm 4.93±2.04bc 65.51±23.15bc 43.42±8.58bc 圆形2.0 Circle 2.0 cm 2.61±0.13c 35.62±5.67bc 31.54±4.46cd 圆形3.0 Circle 3.0 cm 4.45±0.44bc 54.81±5.68bc 45.81±8.16b 圆形4.0 Circle 4.0 cm 2.57±0.63c 28.94±12.86c 25.91±9.03d 正方形1.0 Square 1.0 cm 5.08±0.17bc 62.81±13.50bc 45.76±7.86b 正方形2.0 Square 2.0 cm 6.09±0.45b 77.84±14.67b 52.75±12.10b 正方形3.0 Square 3.0 cm 5.48±1.06bc 69.67±17.59bc 44.66±8.29b 正方形4.0 Square 4.0 cm 2.22±0.32c 27.60±12.86c 26.30±5.67d 菱形1.0 Diamond 1.0 cm 6.34±0.42b 80.68±19.32b 55.10±5.34b 菱形2.0 Diamond 2.0 cm 4.59±0.69bc 60.53±8.60bc 45.18±8.91b 菱形3.0 Diamond 3.0 cm 4.92±0.61bc 62.09±8.38bc 46.01±5.45b 菱形4.0 Diamond 4.0 cm 2.21±0.24c 27.25±7.31c 20.99±2.20d 注：不同字母表示人工鱼礁处理组的鱼类运动数据在同一运动参数上存在显著性差异 (p<0.05)。 Note: Different letters represent significant differences in fish movement data for the same movement parameter in different artificial reef treatment groups (p<0.05).
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