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论文重读 逆流而上的鱼

发布日期: 2020-10-22 阅读次数:
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郭荣华


 颜色橙红,肉质细腻,入口爽滑,在食客眼中,三文鱼的颜色、手感和口感是成就一份美味的关键(图1。三文鱼这种美食怎么就与地貌剥蚀扯上了关系呢?且看地质地貌界的蝴蝶故事及其背后的科学原理。

 

1  三文鱼刺身与三文鱼,图源自网络


1 逆流而上的三文鱼

这一切都得从三文鱼独特的生物习性——生殖洄游(图2说起。为了产卵,不少鱼类都会洄游到出生地产卵,距离可长可短。而三文鱼的一生,有近3/4的时间都在洄游中度过。

洄游中的三文鱼(图源自网络)及三文鱼洄游过程简图

不仅如此,在产卵以前,雌性三文鱼会用鱼尾用力拍打河床,制造出一个坑或者一片凹陷的产卵区。为保护鱼卵,产卵后雄性三文鱼会用上游砾石充填产卵区,远远望去,三文鱼产卵区下部的鹅卵石经过鱼尾翻动,与周边未产卵区的颜色差异明显,并且结构上也比未产卵之前更加疏松(图3

那么,这样一种生物扰动行为是否会对河流地貌产生影响?如果是,影响的程度有多大?这是一个有趣且鲜少人关注的科学问题。

三文鱼用鱼尾用力拍打河床来制作产卵区;三文鱼产卵区远观图。


2 三文鱼与地貌剥蚀

华盛顿州立大学的Alexander Fremer以及美国一些其他的科学家注意到了这个问题,他们认为这是一个非常生动的生物对岩石循环进行物理干预的例子。他们利用地貌物理模拟、水槽实验等手段发现(图4,三文鱼的产卵过程对河流地貌会产生极大影响。其中,高程,产卵地点、河流剖面形态,三文鱼种类(包括PinkSockeyeAtlanticChinook,以及以上多种鱼类混合)等因素被全面考虑。

地貌物理模拟和水槽实验,A阻力测试,B粒度图像流速测试,C颗粒移动和推移质捕捉的视觉测量

第一,三文鱼产卵前后,河床上沉积物的粒度和地貌之间并没有关系,只存在由三文鱼种类不同而导致的适宜产卵的粒度的差异。以Chinook为例,D50D80代表最适宜产卵的粒度范围,高程和海拔的变化分数都在1左右,意味着粒度对河道纵剖面没有影响(图5。没有鱼类洄游之前,要产生用于产卵的砾石,需要非常大的河道坡度和足够的剪切应力,而河道坡度对粒度的影响远高于剪切应力;三文鱼洄游产卵后,剪切应力又远大于三文鱼洄游产卵所带来的影响,因此三文鱼对粒度的变化无法控制。

5  Chiook产卵百分比与高程和地貌变化分数之间的关系,地貌变化分数越靠近1,说明产卵作用对其影响约小。

第二,不管是什么种类的三文鱼都会引起剥蚀程度系数的增加,增加的幅度则依赖于产卵发生的位置。Pink三文鱼产卵的粒度范围最小,地貌分数的变化范围较小;Chinook可以在最大的粒度范围内产卵,地貌分数的变化范围较大;如果将不同种类的三文鱼混合后,地貌分数的变化范围也很大(图6 

不同种类的三文鱼产卵百分比与高程和地貌变化分数之间的关系。总体来看,产卵百分比越高,地貌影响越强,其原因是由于三文鱼种类不同导致的。

第三,通过模拟四种初始条件,发现三文鱼产卵的位置会极大影响河流纵剖面的形态和海拔的变化。如果三文鱼在低海拔地区产卵,会增加低海拔地区的地貌系数,导致产卵区坡度降低;如果是全流域产卵,整个河道的坡度都会减缓;如果在裂点产卵,会造成局部地区海拔和地貌的改变,;而如果是只在河流源头产卵,河道的凹陷度和地貌都没有变化(图7

四种不同初始条件模拟三文鱼产卵对河流从剖面的影响。A低海拔产卵,B裂点产卵,C全流域产卵,D源头产卵。


3 结语

漫长的地质历史时期,三文鱼的祖先逐渐演化出生殖洄游的习性。这种看似微不足道的习性却打破了宏观尺度地貌剥蚀平衡,并共同参与到河流地貌的塑造之中。三文鱼的一生,都在不断影响和改造着河流地貌。

另外一个不容忽视的事实是,由于大坝建设和过渡捕捞,三文鱼的数量正在不断减少,河道的滞留沉积物也因此增加。虽然,一些渔民们和科学家尝试通过人造管道等设施,帮助三文鱼保持洄游习性。但是我们不得不思考的问题是,如果三文鱼的洄游习性逐渐消失,或者三文鱼逐渐灭亡,蝴蝶效应之下,现今地球表面的地貌演化是否会被打破,是否会在意想不到的地方干扰或反噬人类未来的命运?

 

本文作者为南京大学地球科学与工程学院博士生。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱guorh@smail.nju.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。


主要参考文献

[1] Fremier, A.K., Yanites, B.J., Yager, E.M., 2017. Sex that moves mountains: The influence of spawning fish on river profiles over geologic timescales. Geomorphology, 305: 163-172.

[2] Buxton, T.H., Buffington, J.M., Yager, E.M., Hassan, M.A., Fremier, A.K., 2015. The relative stability of salmon redds and unspawned streambeds. Water Resouces Research, 51(8): 6074-6092.

[3] John E.T, 1988. Salmon migration, Science progress, 72,3(287):345-370

[4] 纪录片, To the Journey’s End, the life cycle of the Atlantic Salmon

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