CC BY
41
М.Ю. Кузнецов
Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр,
690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
И ВЕРТИКАЛЬНЫХ МИГРАЦИЙ МИНТАЯ THERAGRA CHALCOGRAMMA В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ОХОТСКОГО МОРЯ В ВЕСЕННИЙ ПЕРИОД
Представлены результаты исследования распределения и суточных вертикальных миграций преднерестового минтая Theragra chalcogramma при проведении ресурсных исследований в северной части Охотского моря в весенний период. С использованием гидроакустических эхоинтеграционных технологий выявлены характерные акустические изображения, иллюстрирующие структуру и вертикальные миграции скоплений минтая в различное время суток. Получены сравнительные оценки вертикального распределения и средневзвешенных горизонтов обитания минтая днем и ночью в зависимости от глубины дна. Определены параметры вертикального перемещения минтая на границе светлого и темного времени суток. Вечерний подъем и утренний спуск минтая аппроксимируются полиномиальной зависимостью, согласно которой на изобатах свыше 250 м средняя скорость подъема и спуска примерно одинакова - 0,3 м/мин. Скорость спуска и подъема была максимальна в средних горизонтах и составляла 0,45 м/мин. Следует продолжить исследования при других физиологических состояниях объекта.
Ключевые слова: гидроакустические измерения, минтай, структура скопления,
распределение, суточные вертикальные миграции, горизонт обитания, изобата.
M.Y. Kuznetsov HYDROACOUSTIC RESEARCHES OF DISTRIBUTION AND VERTICAL MIGRATIONS OF WALLEYE POLLOCK THERAGRA CHALCOGRAMMA IN NORTHERN PART OF OKHOTSK SEA IN SPRINGTIME
Results of research of distribution and daily vertical migrations of prespawning walleye pollock Theragra chalcogramma in northern part of Okhotsk sea in springtime are presented. The characteristic acoustic images illustrating structure and vertical migrations of pollock aggregations during various time of day with use hydroacoustic echo integration technologies are revealed. Comparative estimations of vertical distribution and weight-average horizonts of pollock habitation at day and night subject to bottom depth are obtained. Characteristics of vertical moving of a pollock on border of light and dark time of day are defined. Evening lifting and morning lowering of a pollock is approximated by polynomial dependence, according to which on isobaths over 250 m the average velocity of lifting and descent is approximately identical - 0,3 m./min. The velocity of descent and lifting was maximum in average horizons and reached 0,45 m./min. It is necessary to continue researches at other physiological states of pollock.
Key words: hydroacoustic measurements, walleye pollock, structure of aggregation, distribution, daily vertical migrations, horizont of habitation, isobath.
Введение
Суточные вертикальные миграции являются важнейшей чертой биологии многих морских, пресноводных и проходных рыб и других водных животных. Они различаются по своей протяженности, направлению и формам проявления. Подъем водных организмов к поверхности ночью и опускание их на глубину в дневные часы считаются обычной или типичной суточной вертикальной миграцией [1-3]. Выявление закономерностей проявления суточных вертикальных миграций гидробионтов поможет понять механизмы поведенческих адаптаций той или иной популяции рыб и их роль в трофических отношениях гидробионтов и функционировании экосистемы в целом. Кроме этого, знание стереотипов пространственно-временного распределения и вертикальных миграций рыб
при различном их физиологическом состоянии имеет большое значение при организации рационального промысла и траловых учетных работ.
Большинство работ в этой области посвящено вертикальным миграциям зоопланктона и личинок рыб, а также некоторых видов рыб Северной Атлантики [4-8]. Суточные вертикальные миграции минтая исследованы слабо и в основном для личиночной стадии развития этих рыб и сеголеток [9-11].
В инструментальных исследованиях запасов промысловых видов рыб гидроакустический метод является одним из основных и наиболее перспективных [12]. Преимуществами акустического мониторинга являются непрерывность регистрации эхосигналов в процессе съемки и возможности оценки вертикального распределения и суточных вертикальных миграций гидробионтов. В настоящее время сбор гидроакустических данных в ТИНРО-Центре осуществляется как на судах, оснащенных специализированными научными эхолотами ЕК60, в период проведения ими комплексных учетных съемок, так и на судах, занимающихся промыслом и ресурсными исследованиями, на которых установлены рыбопоисковые эхолоты ES60. Данный прибор, подобно научным эхолотам ЕК60, выдает первичную гидроакустическую информацию в формате, который делает возможным ее сбор и дальнейшую обработку с помощью различных постпроцессорных программных пакетов.
Во время комплексных учетных съемок судно движется по галсам, как правило, поперек изобат и поэтому в этих рейсах трудно оценить пространственно-временную картину вертикального распределения и миграций рыб на определенной глубине и акватории в течение суток. Суда, ведущие ресурсные исследования и траловый промысел в Охотском море, довольно продолжительное время работают на одном участке акватории, производя в различное время суток длительные траления по изобатам. Кроме этого, при промыслово-акустических съемках в одном районе может находиться одновременно несколько судов ТИНРО-Центра, оснащенных эхолотами EK(ES)60, что также повышает плотность акустических проб в заданном временном интервале и диапазоне глубин. Ценность получаемой таким образом информации, включающей большое количество круглосуточно собираемых акустических измерений на одном и том же участке акватории, для таких короткопериодных явлений, которыми являются суточные вертикальные миграции рыб, достаточно высока.
Целью данной работы являлась проверка возможности использования гидроакустических и навигационных данных для исследования вертикального распределения и суточных вертикальных миграций минтая в Охотском море с помощью программного пакета FAMAS.
Объекты и методы исследований
Работы по изучению распределения и суточных вертикальных миграций минтая Theragra chalcogramma в Охотском море проводились на основе данных гидроакустических эхоинтеграционных измерений, полученных в ходе проведения ресурсных исследований минтая в Охотском море в период февраль-апрель 2007-2008 гг. с участием трех судов типа «Атлантик 833»: НИС «ТИНРО», НИС «Профессор Леванидов» и
НИС «Профессор Кизеветтер», - оснащенных эхолотами ES(EK)60.
Для постпроцессорной обработки накопленных эхолотом акустических данных использовалось программное обеспечение FAMAS, разработанное в лаборатории промысловой гидроакустики ТИНРО-Центра. Акустические измерения сопровождались регистрацией в базе данных результатов контрольных тралений, навигационных и других сопутствующих данных. С использованием программного пакета FAMAS собранные данные доступны для визуализации на персональном компьютере и вторичной обработки.
Технология обработки акустических данных строилась на принципе выделения фрагментов эхограмм, соответствующих дневным и ночным периодам съемки, и их раздельной детальной обработки по слоям глубины с шагом 1 м по глубине и 0,5 мили дистанции. В процессе вторичной обработки эхограмм выбирался один пелагический (pelagic) слой. Верхняя граница слоя обусловлена приповерхностной «мертвой зоной» или границей распределения скопления; нижняя - дном или наличием эхозаписей рыб.
При интегрировании порог по уровню объемного рассеяния Sv составлял -70 дБ. Эхосигналы, имеющие силу обратного объемного рассеяния ниже этого порога, исключались из процедуры интегрирования. Порог по силам цели TS для минтая составлял
-65 дБ. В расчетах численности использовалась зависимость силы цели минтая от их зоологической длины: TS = 20 log(X) - 66 [13].
При построении карт вертикального распределения для расчета средневзвешенной глубины обитания рыб на каждой i-й полумиле пути формировались два ряда данных: f(x, y, zj, t), j = 1, ..., ni - плотность гидробионтов (усредненная по 1-метровым интервалам глубины численность рыб на милю2) и Hi(zj) - глубина, где x, y - координаты, zj - интервал глубины, j = 1, ., ni, ni - число интервалов глубины, t - время. Средневзвешенная по численности глубина местоположения рыб на i-й полумиле расстояния определялась как:
Для исследования особенностей вертикального распределения минтая на границе светлого и темного времени суток использовалась средневзвешенная по плотности Sa глубина местоположения рыб с интервалом интегрирования 0,01 мили и с шагом по глубине 1 м. Распределение средневзвешенных глубин аппроксимируется полиномиальной зависимостью, по которой рассчитывается скорость подъема (спуска) рыб.
Судя по плотности акустических проб на акватории съемки (рис. 1), выделены четыре подрайона, для которых можно получить репрезентативные акустические данные: юго -западнокамчатский - между 51° и 53° с.ш. (район 1), западнокамчатский - между 53° и 57° с.ш. (район 2), северо-западнокамчатский - между 57°-58°25’ с.ш. и 154°12’-156° в.д. (район 3) и северная часть Охотского моря - между 56°25’-58°06’ с.ш. и 149°20’-154°12’ в.д. (район 4). В работе приводятся данные для северной части Охотского моря (район 4).
На изобатах меньше 200 м минтай в этом районе моря обитал в придонных горизонтах и не совершал значительных вертикальных перемещений в течение суток. Днем скопления регистрировались, как правило, в виде плотных косяков на дне и вблизи дна с вертикальным развитием до 30 м. Ночью скопления минтая оставались в придонных горизонтах и регистрировались в виде равномерно распределенных протяженных агрегаций с дисперсной структурой высотой до 40 м (рис. 2).
j=і
Результаты и их обсуждение
Рис. 1. Распределение плотности (тыс. шт./миля2) скоплений минтая по результатам акустических измерений в Охотском море в феврале-апреле: А - НИС «ТИНРО» (2007 г.);
Б - НИС «Профессор Леванидов» (2008 г.)
Fig. 1. Density distribution (ths. pcs./n.mi2) of pollock aggregations by results of acoustic measurements in Okhotsk sea in February-April: A - RV «TINRO» (2007);
Б - RV «Prof. Levanidov» (2008)
Рис. 2. Акустические изображения минтая в северной части Охотского моря в различное время суток на изобатах менее 200 м Fig. 2. Acoustic images of walleye pollock in northern part of Okhotsk sea in various time of day on isobaths less than 200 m
На изобатах свыше 200 м минтай был распределен более широко (рис. 3, 4). Соответственно эхолотом были зафиксированы его активные вертикальные перемещения в течение суток, сопровождаемые изменением структуры и плотности агрегаций. Днем скопления минтая регистрировались в виде протяженных плотных или дисперсных слоев
в пелагиали и вблизи дна. С заходом солнца минтай начинает подниматься в верхние горизонты и с наступлением темноты распределяется (рассеивается) в широком диапазоне глубин от дна до глубины 100 м (рис. 3). Перед восходом солнца разреженные в толще воды слои минтая начинают концентрироваться в пелагическом и придонном слоях, а затем происходит плавное погружение пелагического слоя из верхних горизонтов в нижние и уплотнение пелагических скоплений вблизи дна с наступлением светлого времени суток (рис. 4).
При глубине дна меньше 200 м диапазон вертикальных миграций минтая составил в среднем 5,7 м. На изобатах больше 200 м разница горизонтов обитания минтая в темное и светлое время суток варьировала в зависимости от глубины дна от 11,4 м до 42,1 м (максимальная амплитуда миграций в диапазоне глубин 300-325 м) и в среднем составляла 28,2 м (таблица).
Рис. 3. Акустические изображения вертикальных миграций минтая в северной части Охотского моря на границе светлого и темного времени суток Fig. 3. Acoustic images of vertical migrations of pollock in northern part of Okhotsk sea on border of light and dark time of day
Рис. 4. Акустические изображения вертикальных миграций минтая на границе темного и светлого времени суток (переход ночь-день)
Fig. 4. Acoustic images of vertical migrations of pollock on border of light and dark time (transition night-day)
Средневзвешенные горизонты обитания минтая в различное время суток в зависимости от глубины дна в северной части Охотского моря Weight-average horizonts of pollock habitation during light and dark time subject to bottom depth in northern of Okhotsk sea
Диапазон глубин дна, м Средневзвешенная глубина, м
День Ночь Разница
125-150 134.4 125.6 8.8
150-175 156.4 153.8 2.6
175-200 178.0 172.4 5.6
200-225 199.8 188.4 11.4
225-250 223.4 205.1 18.2
250-275 245.1 218.9 26.2
275-300 257.0 225.6 31.4
300-325 267.6 225.5 42.1
325-350 279.8 248.1 31.7
350-400 260.1 231.9 28.2
400-450 293.8 257.4 36.4
Особый интерес представляет детализация и определение параметров вертикальных перемещений минтая на границе светлого и темного времени суток, в результате которых происходит изменение средневзвешенных глубин обитания минтая. Переходные процессы
рассмотрим для изобат более 250 м, где, как показали наблюдения, происходили наиболее значительные вертикальные перемещения минтая в течение суток.
Вечерний подъем минтая в виде средневзвешенных глубин обитания и аппроксимирующей кривой представлен на рис. 5. Фрагменты вечерней миграции соответствуют периоду времени с 7:00 до 10:00 по Гринвичу, или с 19:00 до 22:00 по местному времени.
Перед вечерним подъемом центр массы скоплений имеет тенденцию небольшого начального заглубления и затем период плавного вертикального перемещения и рассеяния в широком диапазоне глубин (рис. 5). Скорость подъема минтая, максимальная в нижних и средних горизонтах (около 0,45 м/мин), по мере приближения к поверхности замедлялась и к концу миграции становилась нулевой.
Время суто1? GMT
7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00
7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00
Время суто1? GMT
Рис. 5. Вертикальные миграции минтая на границе светлого и темного времени суток в северной части Охотского моря: А - амплитуда, Б - скорость Fig. 5. Vertical migrations of pollock on border of light and dark time of day in northern part of Okhotsk sea: A - amplitude, Б - velocity
Утренний ход рыб представлен на рис. 6. Фрагменты утренней миграции соответствуют периоду времени с 17:00 до 21:00 по GMT, или с 05:00 до 09:00 местного времени. Спуск минтая во время утренней миграции был противоположен по фазе вечерней миграции. В начале миграции скопления имеют тенденцию небольшого подъема и затем плавного погружения. Скорость спуска плавно нарастает между 17:40 и 19:00 и к середине периода миграции становится максимальной (0,45 м/мин). Затем скорость также плавно убывает и в 20:20 спуск заканчивается (рис. 6). Средняя скорость спуска и
скорость подъема минтая на изобатах более 250 м были примерно одинаковыми - 0,3 м/мин.
Время суток, GMT
17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00
150
300
¡2 о
а 0 §
° 0
17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00
Время суток, GMT
0
Рис. 6. Амплитуда (А) и скорость (Б) вертикальных миграций минтая на границе темного и светлого времени суток (переход ночь-день)
Fig. 6. Amplitude (А) and velocity (Б) of vertical migrations of pollock on border of light and dark time (transition night-day)
В работе показаны преимущества акустического мониторинга гидробионтов по сравнению с традиционным траловым методом, в частности, возможность оценки вертикального распределения и суточных вертикальных миграций рыб. Это позволяет существенно расширить круг задач, решаемых с помощью прецизионной гидроакустической техники.
Возможности эхолота EK(ES)60 и программного обеспечения FAMAS, благодаря высокому горизонтальному (0,01 мили) и вертикальному (20 см) разрешению, позволяют достаточно точно оценить пространственную структуру и параметры вертикальных миграций рыб в реальном масштабе времени. По результатам выборки фрагментов эхограмм, соответствующих ночным и дневным измерениям, и последующей обработки
данных определена вертикальная структура скоплений преднерестового минтая и количественно оценены характеристики их суточных вертикальных миграций в северной части Охотского моря.
Вертикальные миграции рыб позволяют использовать пищевые ресурсы с наибольшей эффективностью, обеспечивая постоянную, независимую от времени суток, степень доступности кормовых объектов. Ожидается, что максимальные суточные вертикальные миграции минтая будут наблюдаться в нагульный период, который сопровождается высокой (особенно в начальный период) интенсивностью питания этих рыб. Следует продолжить исследования в других районах дальневосточных морей при различном физиологическом состоянии минтая, а также на других объектах массового промысла.
На достоверность результатов оценок пространственного распределения и вертикальных миграций рыб и количественных оценок их запасов влияет поведение объекта исследований, в частности, наличие избегающей реакции на шум судна в зависимости от физиологического состояния рыб [14]. При дальнейшем планировании такого рода работ целесообразно проведение суточных акустических и гидробиологических станций в режиме тишины судна (выключенные главные двигатели) с использованием подкильных стационарно установленных цифровых научных эхолотов. Можно также использовать для этих целей специально разработанные портативные эхолоты, встроенные в гидроакустические буи.
Список литературы
1. Мантейфель Б.П. Вертикальные миграции морских организмов // Об адаптивном значении вертикальных миграций рыб планктофагов [Текст] / Тр. Ин-та экологии и эволюции животных АН СССР. - 1961. - Вып. 39. - С. 5-46.
2. Виноградов М.Е. Вертикальное распределение океанического зоопланктона [Текст]. - М.: Наука, 1968. - 320 с.
3. Зуссер Г. Суточные вертикальные миграции морских планктоноядных рыб [Текст].
- М.: Пищ. пром-сть, 1971. - 224 с.
4. Clark C.W., Levy D.A. Diel vertical migration by juvenile sockeye salmon and the antipredation window // American Naturalist. - 1988. - Vol. 131. - P. 271-290.
5. Bollens S. M., Frost B. W. Diel vertical migration in zooplankton: rapid individual response to predators // Journal of Plankton Research. - 1991. - Vol.13. - P. 1359-1365.
6. Haldorson L., Prichettl M., Paul A. J., Ziemann D. Vertical distribution and migration of fish larvae in a Northeast Pacific bay // Mar. Ecol. Prog. Ser. - 1993. - Vol. 101. - P. 67-80.
7. Bag0ien E., Kaartvedt S., 0veras S. Seasonal vertical migrations of Calanus spp. in Oslofjorden // Sarsia. - 2000. - Vol. 85. - P. 299-311.
8. Onsrud M. S. R., Kaartvedt S., R0stad A., Klevjer T. A. Vertical distribution and feeding patterns in fish foraging on the krill Meganyctiphanes norvegica // ICES Journal of Marine Science. - 2004. - Vol. 61. - P. 1278-1290.
9. Bailey K.M. Interaction between the vertical distribution of juvenile walleye pollock Theragra chalcogramma in the eastern Bering Sea, and cannibalism // Mar. Ecol. Prog. Ser. -1989. - Vol. 53. - P. 205-213.
10. Olla B.L., Davis M.W. Effects of physical factors on the vertical distribution of larval walleye pollock Theragra chalcogramma under controlled laboratory conditions // Mar. Ecol. Prog. Ser. - 1990. - Vol. 135. - P. 105-108.
11. Schabetsberger R., Brodeur R.D., Ciannelli L., Napp J.M., Swartzman G.L. Diel vertical migration and interaction of zooplankton and juvenile walleye pollock (Theragra chalcogramma) at a frontal region near Pribilof Islands, Bering Sea // ICES Journal of Marine Science. - 2000. - Vol. 57. - P. 1283-1295.
12. Николаев А.В., Кузнецов М.Ю. Современные возможности и результаты использования гидроакустической информации в исследованиях рыбных ресурсов ДВ морей [Текст]: тез. докл. Междунар. конф. - Владивосток: ТИНРО-Центр, 2003. -С. 159-161.
13. Traynor J.J. Target strength measurement of walleye pollock (Theragra chalcogramma) and Pacific whiting (Merlucciusproductus) // ICES Journal Of Marine Science. - 1996. - №. 53.
- P. 253-258.
14. Кузнецов М.Ю., Вологдин В.Н. Гидроакустические шумы промысловых и научно-исследовательских судов и их влияние на поведение и оценки запасов рыб (обзор и перспективы исследований) [Текст] // Изв. ТИНРО. - 2009. - Т. 157. - C. 334-355.
Сведения об авторе: Кузнецов Михаил Юрьевич, кандидат технических наук, заведующий лабораторией, e-mail: kuznetsovm@tinro.ru.
