中华鲟(Acipenser sinensis Gray,1835)是一种大型溯河洄游性鱼类,主要分布于长江干流、珠江及东亚大陆架水域。1981年葛洲坝水利工程截流阻断了其洄游通道,原来分布在金沙江下游和长江上游的所有产卵场都无法被中华鲟所利用。虽然后来证实中华鲟能够在葛洲坝坝下完成自然繁殖活动,但产卵位置却仅局限在葛洲坝坝下至古老背长约30 km的江段,并且每年都有自然繁殖活动发生的区域仅限于葛洲坝至庙咀长约4 km的江段。与此同时,由于原有产卵场的丧失、环境退化、航运和历史上的过度捕杀等诸多因素,中华鲟野生种群资源量也不断下降。1989年中华鲟被列为国家一级重点保护动物,1996年又被列为IUCN红色目录濒危物种。中华鲟性成熟晚,繁殖间隔长,资源被破坏以后自然恢复缓慢。虽然中华鲟繁殖群体数量稀少,但目前的研究却表明自然繁殖仍然是中华鲟幼鱼补充群体的主要来源,人工繁殖放流数量虽然具有一定规模,但贡献量仍不足10%。在此情形之下,能否为中华鲟自然繁殖活动提供适宜的非生物环境,确保和提高中华鲟自然繁殖规模和效果,就与中华鲟自然种群的保护和恢复密切相关。基于此,本文对与中华鲟自然繁殖活动密切相关的5个非生物因素(产卵场地形、河床质、流速场、自然繁殖活动发生期间水文状况和气象状况)进行了深入研究,并探讨了它们与自然繁殖活动之间的相互关系,以期能为中华鲟现有产卵场和产卵条件的改良或将来人工模拟建造中华鲟产卵场提供科学依据。本研究采用的主要研究方法及获得的主要结果如下:1.通过获取大比例尺河床地形图、航道图和原型观测的方法,获得了5处历史产卵场和2处现存产卵场详细的河床地形数据。采用ArcGIS 9.2软件对此7处产卵场河床形态的分析结果表明,产卵场江段以顺直微弯河型为主(5处历史产卵场平均转折角为31.2°),河宽和水深变化幅度较大(5处历史产卵场平均值分别为167.6 m和16.8 m),位于产卵场下段的负坡的长度和坡度呈现出一定程度的负相关关系(y=-1892.6×Ln(x)+1986.4,R~2=0.625,n=7),并且具有适宜坡长和坡度的产卵场往往具有较好的繁殖效果。葛洲坝下2处现存产卵场与5处历史产卵场相比,其最显著的差异是河宽要比历史产卵场的大得多。现存唯一已知每年都有自然繁殖活动发生的产卵场(葛洲坝坝下产卵场)内“上产卵区”和“下产卵区”的地形结构较为相似,并且“下产卵区”的地形结构与历史产卵场相比更为相似。结合中华鲟自然繁殖的规模和效果(基于产卵场亲鱼的尾数、胚胎和仔鱼数量以及繁殖活动发生频率等),理想状态下中华鲟产卵场的地形应该具备如下特征:产卵场长度(S)为3013m,最大河宽(B)为369m,河道转折角(α)为33.2°,曲折率(S/L)为1.06,B/S值为0.14,B与最小河宽之差为161.2 m,负坡高度差为18.1 m,负坡长度和坡度分别为1337.3 m和1.47%。虎牙滩产卵场的河床地形与理想产卵场的相似度较差,这可能就是中华鲟为何不能每年在此产卵的重要原因。葛洲坝下河势调整工程使得坝下现存产卵场的地形发生了较大改变,在短期内这可能会对中华鲟自然繁殖前期的栖息有利,而对受精卵的散播和孵化产生一定程度的不利影响,其长期影响还有待于进一步的研究。2.采用研究区域河床质相关文献调查、科学回声仪探测(2004～2008年)、水下视频观测(2007～2008年)和现场取样(2007～2008年)的方法对葛洲坝截流以来(1981～2008年期间)坝下宜昌江段河床质的变迁进行了深入调查,利用底质分析专用软件Visual Bottom Typer 1.9提供的首次回波划分(First Echo Division)的方法分析了河床质的超声波回波特性(硬度E1′和粗糙度E1)。文献分析结果表明,葛洲坝水库运行初期,坝下河床冲刷较明显,粗化较快,1984年常年回水区达到冲淤平衡,粗化基本完成,1992年变动回水区达到冲淤平衡,坝下河床质随来水来沙条件而变,发生粗化或细化。但由于推移质过坝量明显减小,坝下整体呈现粗化,原沙质河床转变为沙夹卵石或卵石夹沙河床。2007年中华鲟自然繁殖季节(10～11月)葛洲坝至卢家河浅滩江段(80 km)河床质E1′和E1值的分布范围为0～0.08和0～0.12。从总体上看,一般主流河槽E1′较大,沿岸侧河槽E1′较小,E1的分布也有相似的规律。结合2004～2006年和2008年的分析结果可知,E1′和E1值的空间分布在大范围江段内变化并不明显。现场取样调查表明,二江下槽卵石的平均粒径(95.6 mm)要明显大于庙咀(22.3mm)和大江船闸航道处(65.6 mm)。水下视频观察结果表明葛洲坝至庙咀江段表层河床质主要是由卵圆、扁圆形卵石及沙粒组成。其中卵石长径范围为20～50 cm的约占50%,卵石长径范围为10～20 cm的约占30%,卵石长径范围在10 cm以下的约占20%。卵石之间相互以立方体或四面体方式排列堆叠,形成了许多空隙、隙缝以及卵石夹缝等。卵石间隙冲刷洁净的河床区域是中华鲟受精卵的主要散播位置,受精卵以成团或颗粒形式分布于卵石间隙中。2004～2008年中华鲟自然繁殖季节葛洲坝至庙咀江段河床E1′和E1值的空间分布呈现出逐年渐变的趋势,从总体上看,2004～2007年E1′和E1值高值分布区值逐渐增加,分布范围也逐渐扩大,而2008年较之2007年则有相对缩减的趋势。据E1′和E1值分布特征将葛洲坝至庙咀江段卵石夹沙河床质细分为19小类的分析表明,河床质以1、2、3、5和6小类居多,并且2006～2008年中华鲟自然繁殖活动发生期间,除导流堤尾部区域外,河床质类型的空间分布没有发生明显的变化。3.采用River 2D模型计算(有限元法)和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)原型观测的方法,对1996～2008年中华鲟自然繁殖活动发生期间的流速场特征进行了分析,并提出8个流速梯度指标对2005年12月2～10日葛洲坝至红花套江段285个测流断面的流速梯度特性进行了量化分析。对1996～2003年14次自然繁殖活动发生期间典型流量(最小流量、中值流量和最大流量)状态下流速场的计算结果表明,各批次产卵活动产卵场流速值变化幅度较大,“下产卵区”范围内流速变化尤其明显。采用ADCP对2004～2008年产卵活动发生起始日或产卵发生后2～3日内流速场的现场观测结果表明,各年度的流速场从大尺度范围来看具有一定的相似性,但从小的空间尺度来看,也具有一定程度的差异。2005～2008年的流速场较之河势调整工程进行以前(2004年以前),流速场结构有较大的变化,主要表现为导流堤周围形成了一个流速较缓的区域,V区中部的流速值减小而沿岸两侧的流速值增加。ADCP原型观测结果表明断面流速分布与断面形态密切相关,即与纵方向上的河床形态有紧密关系,但总体上看,一般表层流速高于底层流速,河槽中部的流速高于河槽两侧的流速。2004～2005年中华鲟自然繁殖期间3次流速场测量结果表明,20个断面平均流速变化范围为72.99～175.23 cm/s,平均值为128.89±26.28 cm/s;产卵区内3、4和11号断面的垂向平均流速值较其他断面约高2.10 cm/s;从1至30号断面,各断面的平均流向大约从225.91°下降至164.39°,并且产卵区内3、4和11号断面的流向变幅较大,变异系数比其他断面约高18.4%。2004～2006三个年份中华鲟产卵起始日下产卵区内底层流速值范围为108.74 cm/s～129.30 cm/s,这可能就是中华鲟产卵所需要的最适流速。垂线流速测量结果表明,从表层到底层各水层流速梯度随垂线水深值增大而减小,但各测流垂线时均垂线流速分布均可用指数函数和对数函数来描述。从整体上来看,流速脉动强度和相对脉动强度从表层到底层都是先降低后升高,垂向流速分量脉动强度的变化与流速的具有相似的规律,但垂向流速分量相对脉动强度的变化没有呈现出明显的规律,其值在不同水层深度之间并没有明显的差异,并且其值比流速相对脉动强度要大很多。采用所提出的8个流速梯度指标对庙咀处一断面重复测量9次的统计分析结果表明,所有指标变幅均小于15%,说明用这些流速梯度指标对具有紊动特性的水流进行分析是合适的。基于断面平均流速和8个流速梯度指标共9个参数采用k均值分类法将285个测流断面聚成8类的分析结果表明,整个江段以第7类、第8类和第2类区域占主要优势,这3类区域面积共占葛洲坝至红花套江段面积的88.66%,葛洲坝至庙咀江段为整个研究江段各类区域相间分布最多样化的江段。采用R型聚类方法分析表明,断面平均流速与断面8个流速梯度指标之间没有显著的相关性,即具有相同流速的区域不一定具有相似的流速梯度特征,有必要用这些流速梯度指标描绘水流的特性。4.对三峡水库运行前(1983～2002年)后(2003～2005年)葛洲坝下中华鲟产卵场产卵季节(10～11月)的水文状况进行了比较分析,结果表明,2003年三峡水库运行以来中华鲟产卵场产卵季节的水文状况发生了显著变化,产卵季节平均水温上升了1.48℃,含沙量降低到0.032 kg/m~3(仅为运行前的8.2%)。采用适合度模型的方法对三峡水库运行前(1983～1986年)后(2003～2005年)8个年份产卵季节水文状况对于中华鲟产卵的适合度逐日进行了分析。平均适合度模型的分析结果表明,虽然整个产卵季节水文状况对于产卵的综合适合度呈现出先上升后下降的趋势,但整个产卵季节水文状况的适合度都比较高,并且中华鲟的产卵活动并不总是发生在水文状况适合度最佳(即平均适合度波峰值)的时候,这说明水文状况并不是决定产卵时间的唯一因素。含沙量在产卵前的变动趋势由三峡水库运行前的稳中下降转变为运行后的稳中上升,说明含沙量的剧烈下降对中华鲟自然繁殖活动的影响可能较为复杂。5.对中华鲟历史(1963～1965年,1970～1975年)及现存(1983～2006年)产卵场共55次自然繁殖活动发生起始日的天气类型和气象要素(包括风、降水量、气温、气压、日照时数、湿度和云)状况及其变化进行了统计分析。结果表明:中华鲟自然繁殖行为的发生对阴雨天具有一定的选择性,而对多云天气则具有一定的回避性;产卵起始日前后天气类型的剧烈变化是诱导中华鲟自然繁殖行为发生的一个有利因素,现存产卵场内连续晴天天气也较容易诱发中华鲟自然繁殖行为的发生;除现存产卵场产卵起始日平均气温在第1批和第2批产卵活动之间表现出极显著差异外,产卵起始日其余气象要素在第1批产卵活动、第2批产卵活动和产卵起始日时间窗(最早和最晚产卵起始日的时间跨度范围)范围内三者之间并没有表现出显著的差异:第1批和第2批产卵活动产卵起始日的气压变动呈现出一定程度的相反趋势;与历史产卵场不同,现存产卵场产卵起始日的日照时数与水位和含沙量之间并不具有相互制约和补充的关系。表明气象状况也是影响中华鲟自然繁殖行为发生的重要因素。以上研究结果表明,河床地形、河床质、流速场、自然繁殖季节的水文状况和气象状况与中华鲟的自然繁殖活动都有一定的关系。河床形态在很大程度上决定了河床质和流速场的空间分布特性,而河床质和流速场则与中华鲟的自然繁殖活动直接相关。河床地形、河床质和流速场三者之间相互影响,三者共同形成了中华鲟发生自然繁殖活动所需要的特定空间。水文状况的变化虽然与中华鲟自然繁殖活动发生的具体时间有一定的关系,但并不显著,适宜的水文条件只是决定了一个大致的产卵时间范围。另外,气象状况对中华鲟自然繁殖活动发生的具体时间也有一定的影响。在中华鲟自然繁殖群体数量逐渐减少的情况下,如果能够提供充足的自然繁殖空问和创造有利于自然繁殖发生的条件,确保和提高中华鲟自然繁殖规模和效果,对于大规模提高幼鱼补充群体的数量具有重要意义。而幼鱼补充数量的增加对于中华鲟野生种群的保护和恢复则具有十分重要的意义。在现有的条件下,参照本研究所得出的结果对葛洲坝下现存产卵场的产卵环境进行改良,对三峡大坝和葛洲坝进行生态调度以创造适宜的产卵条件,是现实可行的保护方案。此外,本研究的结果还为以后人工建造中华鲟产卵场提供了理论依据。