基于雅砻江两种裂腹鱼游泳能力的鱼道设计

为探究雅砻江两种裂腹鱼的游泳能力,给过鱼设施设计和鱼类游泳行为学研究提供基础参数,本研究采用递增流速法对长丝裂腹鱼、齐口裂腹鱼的感应流速、临界游泳速度、突进游泳速度进行测试,采用固定流速法对长丝裂腹鱼的耐久游泳速度进行测试。结果表明: 长丝裂腹鱼与齐口裂腹鱼的感应流速随着体长的增加均出现了先增加后平稳的趋势,但最大感应流速均小于0.2 m·s^-1;长丝裂腹鱼的临界游泳速度与突进游泳速度分别为(0.81±0.20)和(1.49±0.26) m·s^-1,相对临界游泳速度为(4.90±1.73) BL·s^-1,相对突进游泳速度为(9.77±1.72) BL·s^-1(BL为体长);齐口裂腹鱼的临界游泳速度与突进游泳速度分别为(0.73±0.24)和(1.17±0.39) m·s^-1,相对临界游泳速度为(6.88±2.82) BL·s^-1,相对突进游泳速度为(11.75±2.77) BL·s^-1。耐久测试发现,随着流速增加(0.7～1.5) m·s^-1,长丝裂腹鱼持续游泳时间与水流速度呈负相关,疲劳时间(T)与水流速度(V)的关系可以拟合为lgT=-2.52V+5.59,预测鱼道长度(d)与鱼道内可通过的最大平均水流速度(V_fmax)的关系式为V_{f max}=-0.17lnd+1.74。根据试验结果,当以长丝裂腹鱼和齐口裂腹鱼为主要过鱼对象时,建议鱼道内最小水流速度应大于0.2 m·s^-1,进口及竖缝处水流速度为0.73～1.67 m·s^-1,休息池主流水流速度为0.2～0.7 m·s^-1。     

亚成体巨须裂腹鱼游泳能力及活动代谢研究

以野生雅鲁藏布江巨须裂腹鱼(Schizothorax macropogon)为对象,通过自制的鱼类游泳实验装置,测定了4个温度(5、10、15和18℃)梯度下亚成体巨须裂腹鱼的临界游泳速度(Ucrit)及流速变化对耗氧率的影响,并通过摄像记录分析了不同游泳速度下的游泳行为。野生亚成体巨须裂腹鱼的临界游速随着温度的变化呈近似线性的递增趋势(P<0.001),4个温度下的绝对临界游速(Ucrit-a)分别为(0.88±0.07)、(1.09±0.07)、(1.24±0.15)和(1.49±0.15)m/s;若以单位时间内游过的体长倍数(BL/s)表示,相对临界游速(Ucrit-r)分别为(3.96±0.21)、(4.4±0.16)、(4.9±0.18)和(5.35±0.14)BL/s。根据不同温度及流速下耗氧率的变化情况,采用非线性拟合得到了4个温度梯度下耗氧率与游泳速度关系的幂函数模型(P<0.05)。模型表明耗氧率随游泳速度的增大而增加,且温度越高耗氧率随游泳速度的变化越显著。4个温度下的速度指数分别为2.4、2.6,2.8及3.1,表明有氧运动的效率随温度升高有所降低。在自然水温条件下(5—9℃),摆尾频率(TBF)与流速的关系呈线性正相关(P<0.001),而运动步长(Ls)的变化与流速没有显著关系,出现由高至低再升高的三个阶段。录像分析表明在流速逐渐增加的过程中,巨须裂腹鱼采用了三种不同的游泳方式,以实现降低能量消耗的目的。研究可为鱼道等过鱼设施的设计提供参考,对数量日益减少的巨须裂腹鱼保护具有较大的意义。     

叶尔羌河厚唇裂腹鱼的游泳能力

厚唇裂腹鱼(Schizothorax irregularis Ddy)是新疆特有鱼类,由于水电建设导致该鱼种数量急剧下降,亟待保护。鱼类游泳能力的研究可为过鱼设施建设提供重要参考依据。采用递增流速法测定了厚唇裂腹鱼的感应流速、临界游泳速度及爆发游泳速度,利用固定流速法进行了厚唇裂腹鱼的耐力测试。结果表明:实验鱼感应流速为1.41±0.28 BL·s~(-1)(24.50±4.13 cm·s~(-1),BL:体长);临界游泳速度为6.04±1.21 BL·s~(-1)(117.61±12.34 cm·s~(-1));爆发游泳速度为11.41±2.79 BL·s~(-1)(210.24±39.56 cm·s~(-1)),3种速度(BL·s~(-1))均随体长增加呈下降趋势。耐力测试中,随着设定流速(80~135 cm·s~(-1))增加,游泳时间显著下降。疲劳时间与游泳速度之间呈显著负相关。根据研究结果,鱼道高流速区流速小于1.9 m·s~(-1)时可保证80%实验鱼通过,建议厚唇裂腹鱼为过鱼对象的鱼道内最小流速应大于0.3 m·s~(-1),入口及竖缝流速为1.2~1.9 m·s~(-1),休息池主流流速范围为0.3~1.0 m·s~(-1)。     

鳊鱼和宽鳍鱲幼鱼流速选择与运动能量代谢特征的关联

为考察喜好激流环境的宽鳍鱲(Zacco platypus)和喜好缓流环境的鳊鱼(Parabramis pekinensis)的最适游泳速度和流速选择的关联以及运动能量代谢特征对流速选择的影响,在(25±0.5)℃条件下将实验鱼(n=13×2)单尾分别置于梯度流速选择仪(设定流速范围为18.6—102.7 cm/s,等距离划分为5个流速区域)中获取视频资料,采用Ethovision XT19软件分析视频资料并计算两种实验鱼在5个流速区域的平均停留时间百分比(P_t)和平均出入频率百分比(Pf);另外,使用游泳代谢仪测定两种实验鱼的临界游泳速度(U_(crit))和不同游泳速度下的运动耗氧率(M_(O2)),并计算出不同速度下单位位移耗能(COT)、最适游泳速度(U_(opt))、静止耗氧率(RMR)和净单位位移耗能(COTnet)。结果显示:鳊鱼的U_(crit)和RMR均显著小于宽鳍鱲(P0.05),但二者的最大耗氧率(MMR)无显著差异;随游泳速度的增加,两种实验鱼的M_(O2)均显著上升,尽管在较低游泳速度下,鳊鱼的M_(O2)和COT均小于宽鳍鱲,但在高游泳速度下则相反;两种实验鱼的U_(opt)分别为(6.20±1.29)体长(BL)/s和(11.56±1.57)BL/s,鳊鱼显著小于宽鳍鱲;两种实验鱼的COTnet随着游泳速度增加差异逐渐增大,鳊鱼显著高于宽鳍鱲(P0.05);两种实验鱼在最低流速区域(18.6—23.8 cm/s)的P_t和Pf显著大于其他速度区域(P0.05),由此可见两种实验鱼的偏好游泳速度(U_(perf))等于或小于(18.6—23.8 cm/s),然而鳊鱼在最低速度区域P_t和Pf均显著大于且在较高速度区域的P_t和Pf则均显著小于宽鳍鱲(P0.05)。结果表明:有别于过往研究的是两种实验鱼的U_(perf)均与U_(opt)偏离;在激流环境中生存的宽鳍鱲更加偏好较高的水流速度,生境水流对实验鱼的水流速度选择特征存在显著影响,这种影响的主要能量学机制与鱼类的运动能量效率有关。     

齐口裂腹鱼上溯过程中“冲刺-滑行”行为对水动力的响应

研究以西南山区特有鱼种齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)为研究对象, 对其游泳行为模式进行量化解译, 寻找其偏好的水动力学条件, 构建水流条件与生态行为的纽带。运用具有流速梯度的水槽创造非均匀流场条件, 得到齐口裂腹鱼在室内试验水槽内上溯的视频图像。运用图像识别技术, 计算上溯全过程的游泳动力学指标摆尾角度与摆尾频率, 在此基础上实现生态学与水动力学的耦合研究。研究表明, 齐口裂腹鱼在上溯过程中喜好在具有流速梯度处通过改变摆尾角度和摆尾频率等来适应非均匀流场, 其喜好摆尾角度为25°—35°, 喜好摆尾频率为2.5—3.5次/s, 偏好流速为0.20—0.40 m/s。随着水流速度的增大, 摆尾角度呈现逐渐减小的趋势, 且齐口裂腹鱼偏好选择在流速由大变小的区域, 进行摆尾冲刺加速, 且更趋向于摆尾角度变化为“弱强弱”的摆尾模式。滑行阶段引入滑行流速系数, 量化表示摆尾角度、滑行距离和流速三者间的耦合关系, 通过计算滑行距离对水流负方向上位移的贡献率, 得到滑行方向与水流负方向夹角。研究表明, 滑行流速系数为1.0—3.0时具有代表性, 齐口裂腹鱼对滑行方向与水流负方向夹角的偏好为40°—60°。研究利用多指标量化评价的方法, 以复杂流场为背景条件, 进一步满足过鱼设施建设需求。     

不同流速下杂交鲟幼鱼游泳状态与活动代谢研究

为研究水流速度对杂交鲟幼鱼行为和代谢的影响,探讨游泳状态与活动代谢及相关游泳运动参数之间的关系,在26℃水温下,使用特制的鱼类游泳行为和活动代谢同步测定装置,测定了杂交鲟幼鱼在0.1、0.3、0.5 m/s三种流速和静水条件下的游泳状态、趋流率、摆尾频率和耗氧率。结果表明:随着流速的增大,杂交鲟幼鱼逆流前进和逆流静止游泳状态所占时间比例显著减少,而逆流后退所占时间比例显著增加,顺流而下时间比例有所上升。在0.0—0.3 m/s的流速范围内,杂交鲟幼鱼各个时段的平均趋流率、摆尾频率和耗氧率均随着流速的增加而增大,在0.3 m/s流速下分别达到100%﹑(2.53±0.34)Hz和(490.99±164.59)mg O2/(kg.h)。当流速增加至0.5 m/s时,在趋流率仍保持100%的情况下,其耗氧率相比0.3 m/s增加了21.86%,而摆尾频率却减小了6.70%。实验过程杂交鲟幼鱼趋流率与摆尾频率呈显著线性正相关,而摆尾频率与耗氧率在大部分时段却无相关性。随着时间的延长,各流速组杂交鲟幼鱼趋流率、摆尾频率和耗氧率呈现不同的变化趋势,其趋流率均相对稳定;但摆尾频率均随时间延长呈下降趋势,而耗氧率则在实验前9h随时间延长逐渐增加,随后趋于稳定。研究结果提示:杂交鲟幼鱼游泳状态的变化与流速有关,而反映运动强度大小的摆尾频率与活动代谢率的关系受到游泳状态的显著影响,同时也与运动代谢特征的时间变化有关。       

应用于鱼道设计的马口鱼(Opsariichthys bidens)游泳能力

马口鱼(Opsariichthys bidens)广泛存在于长江流域,是体型较小的重要经济鱼种。游泳耐力、临界游泳速度、冲刺游泳速度是鱼类重要的游泳能力参数。本文利用鱼类游泳能力测试环形水槽,在实验水温21.4±0.3℃条件下,用固定流速法对128尾(全长TL:9.60~15.10 cm)测试鱼进行游泳耐力测试,用流速递增法分别对31尾(TL:9.16~15.91cm)、56尾(TL:8.78~16.81 cm)测试鱼进行临界游泳速度、冲刺游泳速度测试。结果表明:在游泳耐力测试中,84%以上测试鱼持续游泳时间集中分布在0~10 min和200 min的范围内;疲劳时间(E)、游泳速度(V)、全长(TL)之间的关系可拟合为lg E=1.603-0.025V+0.146TL(R~2=0.562,P0.001),根据拟合关系式预测全长为9.60 cm(最小长度)测试鱼可连续通过的鱼道长度与允许最大鱼道内平均水流速度的关系曲线为V_(fmax)=223.3973-17.3609ln(d-0.0130);测试鱼的临界游泳速度值为61.07~120.03 cm·s~(-1)(相对临界游泳速度6.57~12.65 BL·s~(-1));冲刺游泳速度范围为65.03~155.07 cm·s~(-1)(相对冲刺游泳速度5.31~17.95 BL·s~(-1)),78%的实验鱼其冲刺游泳速度大于1 m·s~(-1),平均冲刺游泳速度约为平均临界游泳速度的1.23倍。本试验方法和结果可为鱼道设计提供相关依据。     

不同适应条件对细鳞鲑幼鱼游泳能力的影响

为了研究适应条件对鲑科鱼类幼鱼续航游泳能力的影响,在(16.0±0.2)℃和8 mg/L溶解氧条件下,以续航时间作为评定游泳能力的关键指标,通过适应时间、适应流速、加速时间以及测试流速对细鳞鲑幼鱼的续航游泳时间的影响进行了研究,试验采用4因素8水平的均匀设计方案。结果表明,最大适应流速应控制在1—1.5 BL/s为宜,相应的最佳适应时间应为1 h,在合理条件下适应流速和适应时间对续航游泳能力的影响可忽略不计;加速时间只在大流速条件下(0.5 m/s)对续航时间有极显著影响,其他情况的影响可以忽略不计;尽管长时间适应环境更有利于鱼类身体机能的充分调整,但适应时间仍建议控制在1—2 h以内,且受试鱼类要经过试验前的适应能力筛选;测试流速建议控制在3—4 BL/s以内,以避免超过鱼类的最大游泳耐受范围。测试流速对细鳞鲑幼鱼的续航时间有极为显著的影响,其续航时间随测试流速的增加呈幂函数规律衰减。     

不同游泳速度条件下瓦氏黄颡幼鱼的有氧和无氧代谢反应

在(25±1)℃的条件下,测定瓦氏黄颡(Pelteobagrus vachelli Richardson)幼鱼体重(4.34±0.13)g的临界游泳速度(Ucrit),然后分别以临界游泳速度的不同百分比(20、40、60、80、100%Ucrit)将实验鱼分为5个速度处理组,另外设置静止对照组和高速力竭对照组。处理组实验鱼在不同游泳速度下分别游泳20min,在此过程中测定并计算运动代谢率(Activity metabolic rate,AMR),随后测定肌肉、血液和肝脏中的乳酸、糖原和葡萄糖含量。结果显示:实验鱼的绝对临界游泳速度为(48.28±1.02)cm/s,相对临界游泳速度为(6.78±0.16)BL/s;随着游泳速度的提高AMR显著增加(Pcrit时肌乳酸和血乳酸含量显著高于80%Ucrit的水平(P0.05);100%Ucrit时肝糖原含量显著低于40%Ucrit的水平(P0.05)。经计算瓦氏黄颡幼鱼到达临界游泳速度时的无氧代谢功率比例仅为11.0%,表明其游泳运动主要以有氧代谢供能;实验鱼的无氧代谢大约在80%Ucrit才开始启动,与其他鱼类比较启动时间较晚,说明其游泳运动对无氧代谢的依赖程度较低。研究提示瓦氏黄颡幼鱼是一种有氧运动能力较强的鱼类,这一能量代谢特征可能与提高其生存适合度有关。       

不同流速对鱇(鱼良)白鱼游泳行为的影响

在25℃水温下,采用特制的鱼类游泳行为测定装置对实验鱼在静水和0.1、0.2和0.25 m·s-1流速下的游泳状态、游泳速度、趋流率和摆尾频率等参数进行测定,研究水流速度对鱇(鱼良)白鱼(Anabarilius grahami)游泳行为的影响.结果表明:有流速组的趋流率显著高于静水组,但不同流速组间的趋流率无显著差别;在0 ～0.2 m·s-1流速范围内,摆尾频率随流速加快而显著增大,但在0.25 m·s-1流速下40 min后摆尾频率显著低于0.2m·s-1流速组;随着流速的增大,主要游泳状态由逆流前进变为逆流静止;在有流速组,顺流而下状态所占时间比例相对其他游泳状态都较少;在逆流游泳的3种状态中,游泳速度均随流速的增加而增大,在顺流而下状态中,游泳速度和水速间无显著相关;游泳速度、摆尾频率和水流速度两两之间均存在显著的线性相关.     

Effects of acute and chronic waterborne lead exposure on the swimming performance and aerobic scope of fathead minnows (Pimephales promelas)

Fathead minnows were subjected to an incremental velocity test using swim tunnel respirometry for the analysis of aerobic scope and swimming performance, as critical aerobic swim speed (U(crit)), following chronic exposures (33-57 ) to 0.9±0.4, 157±18 or 689±66 nmol L?1 Pb and an acute exposure (24 h) to 672±35 nmol L?1 Pb (mean±SEM). Assessment of Pb-induced anemia and neurological impairment were evaluated by blood hemoglobin (Hb) concentrations and a cost of transport (COT) analysis, respectively. Fish from the acute 672±35 nmol L?1 Pb (24.4±1.2 BL s?1) and chronic 689±66 nmol L?1 Pb (24.6±0.9 BL s?1) treatments exhibited reduced U(crits) compared to control fish (27.6±0.8 BL s?1). Aerobic scope was reduced by acute Pb exposure (8.6±2.6 μmol O? g?1 h?1 vs. 22.6±3.8 μmol O? g?1 h?1 from controls) owing to a decrease in maximum oxygen consumption rate (38.8±0.8 μmol O? g?1 h?1 vs. 54.0±4.2 μmol O? g?1 h?1 from controls). However, no effect on aerobic scope was observed with fish chronically exposed to Pb. Significant differences were not observed for Hb concentrations or COT. These findings suggest that the impaired swimming performances arising from acute and chronic Pb exposures reflect different mechanisms of toxicity.     

水温和体重对白斑红点鲑临界游泳速度和游动耗氧率的影响

为了揭示水温和体重对白斑红点鲑(Salvelinus leucomaenis)临界游泳速度和游动耗氧率的影响, 利用试验生态学方法测定了不同体重(1龄组、2龄组和3龄组)的白斑红点鲑在4、8、12、16、20和24℃共6个水温的临界游泳速度和游泳耗氧率。结果表明: 水温和体重对临界游泳速度的单独效应均显著(P0.05), 但水温和体重交互作用效应却不显著(P0.05), 在相同水温下白斑红点鲑临界游泳速度均随着年龄的增长(体重增加)而增加。水温4℃时3个年龄组白斑红点鲑临界游泳速度均最低, 分别为(21.61.06)、(22.930.61)和(30.271.29) cm/s, 随着水温的升高临界游泳速度均不断增加, 当水温升高到16℃时临界游泳速度达到最大值, 分别为(39.60.80)、(46.800.80)和(53.731.22) cm/s, 此后随着水温进一步升高到20℃, 临界游泳速度虽出现略微降低, 但经统计分析16℃和20℃时临界游泳速度无显著性差异(P0.05), 当水温达到24℃时却出现明显降低。水温和流速以及二者的交互作用对游泳耗氧率的影响均达到显著水平(P0.05), 白斑红点鲑在适宜的相同水温和流速时体重越大其游泳耗氧率越低, 整体观察3个年龄组白斑红点鲑鲑游泳耗氧率均随着水温和流速的增高而增高, 但当水温和流速升高到一定值游泳耗氧率却出现降低。研究得出体重较大的个体在相同水温下抵抗水流的游泳能力较强, 3个年龄组白斑红点鲑适宜的最高水温不应超过20℃, 最高流速依次不应超过32、40和48 cm/s。       

Swimming speed, respiration rate, and estimated cost of transport in adult killer whales

The physiology of free-ranging cetaceans is difficult to study and as a consequence, data on the energetics of these animals are limited. To better understand the energetic cost of swimming in killer whales, total cost of transport ( COT ) was estimated from swimming speeds and respiration rates from wild adult northern resident killer whales ( Orcinus orca ) and reported values of oxygen consumption in captive whales. Respiration rate (breaths per minute) was positively correlated with swimming speed (meters per second), while mass-specific COT (Joules per kilogram per meter) decreased with speed. Lack of data on very fast-swimming animals hindered assessment of the exact speed at which COT was minimal. However, minimum mass-specific COT for killer whales in the present study approached those predicted by a previously published allometric equation for marine mammals, and corresponded to "optimal" swimming speeds of 2.6–3 m/s. Interestingly, the observed average swimming speed (1.6 m/s) was lower than predicted optimal swimming speed. Finally, females with dependent calves had higher respiration rates than females without calves. These findings could be due to synchronous breathing with calves or could result from increased costs of lactation and swimming with a calf in echelon formation. Consequently, females with calves may have much greater COT at optimal swimming speeds than females without calves.     

Power isn't everything: muscle function and energetic costs during steady swimming in Atlantic cod (Gadus morhua)

Power produced by red myotomal muscles of fish during cruise swimming appears seldom maximized, so we sought to investigate whether economy may impact or dominate muscle function. We measured cost of transport (COT) using oxygen consumption and the strain trajectories and electromyographic activity of red muscle measured at anterior (ANT) and posterior (POST) locations while Atlantic cod (Gadus morhua) swam steadily at speeds between 0.3 and 1.0 body lengths (BL) s(-1). We then measured the power produced by isolated segments of red muscle when activated either as in the swimming cod or such that maximal net power was produced. Patterns of activation during swimming were not optimal for power output and were highly variable between tail beats, particularly at the ANT location and at slow swim speeds. Muscle strain amplitude did not increase until swimming speed reached 0.9 (ANT) versus 0.5 (POST) BL s(-1). These limited power to only 53% (ANT) and 71% (POST) of maximum at slower swim speeds and to 70%-80% of maximum at high swim speeds. COT (resting metabolism subtracted) was minimal at the slowest swim speed, surprisingly, where power was most impaired by activation and strain. Thus, production of powered forces for maneuverability/stability appeared to greatly impact red muscle function during cruise swimming in cod, particularly at slow speeds and in ANT muscle.     

Cost of transport and optimal swimming speed in farmed and wild European silver eels (Anguilla anguilla)

A swimming speed of 0.4 meters per second (m s(-1)) is the minimal speed for European female silver eels to reach the spawning sites in the Sargasso Sea in time. As silver eels cease feeding when they start their oceanic migration, the cost of transport (COT) should be minimised and the swimming speed optimised to attain the highest energetic efficiency. In this study, we have investigated the optimal swimming speed (U(opt)) of silver eels since U(opt) may be higher than the minimal swimming speed and is more likely to resemble the actual cruise speed. A variety of swimming tests were performed to compare endurance swimming between farmed eels and wild eels, both in freshwater and in seawater. The swimming tests were run with 101 silver female eels (60-96 cm, 400-1500 g) in 22 Blazka-type swim tunnels in a climatised room at 18 degrees C with running freshwater or seawater. Tests were run at 0.5-1.0 m s(-1) with increments of 0.1 m s(-1), and either 2 h or 12 h intervals. Remarkably, both tests revealed no changes in oxygen consumption (M O2) and COT over time. U(opt) values ranged between 0.61 and 0.68 m s(-1) (0.74-1.02 BL s(-1)) for the different groups and were thus 53-70% higher than the minimal speed. At U(opt), the COT was 37-50 mg O2 kg(-1) km(-1). These relatively very low values confirm our earlier observations. COT values in seawater were about 20% higher than in freshwater. Assuming that migrating female silver eels cruise at their U(opt), they will be able to cover the distance to the Sargasso Sea in 3-4 months, leaving ample time for final maturation and finding mates.     

齐口裂腹鱼幼鱼疲劳后游泳特性恢复状况研究

以中国地质公园（神农架）野生动物繁育基地提供的齐口裂腹鱼（Schizothorax prenanti）幼鱼（体长为14.017.5 cm,体重为39.665.6 g）为研究对象,利用自制鱼类游泳特性（Swimming performance）研究装置,运用递增流速法（Stepped velocity test）,研究了鱼类疲劳后20d和40d的游泳特性恢复状况。结果表明:（1）在20d内齐口裂腹鱼临界游泳速度（Critical swimming speed,Ucrit）相比于初次测试（20d前）有所降低,20d内的恢复状况较差;而在40d后,临界游泳速度已经基本恢复到最初状况,40d内的恢复状况较好。（2）疲劳后鱼类游泳效率显著下降,并且在40d后无法恢复正常。虽然40d后速度指数低于20d后速度指数,40d后游泳效率高于20d后游泳效率,但是相对于初次测试,40d后游泳效率恢复效果并不明显。（3）齐口裂腹鱼在疲劳后40d内,恢复能力（Recovery capability）无法恢复到正常状况,但由于3次测试中疲劳后过量耗氧（Excess post-exercise oxygen cost,EPOC） 波动并不大,说明疲劳对其恢复能力影响并不大。（4）20d后和40d后无氧呼吸时间均较第一次测试时提前,说明疲劳损伤对其有氧呼吸能力产生了持续影响。（5）疲劳对鱼类生态行为（Ecological behavior）影响不明显。研究有利于为鱼道建设提供基础资料,对生物多样性保护具有深远意义。