用于评估上尼亚加拉河（美国纽约州）翡翠闪光鱼（Notropis atherinoides）通航性的游泳耐力测试

《Journal of Great Lakes Research》：Swimming endurance tests for fish passage design for emerald shiners ( Notropis atherinoides) in the upper Niagara River (NY, USA)

翡翠沙鳉游泳能力实验研究揭示至少50%个体可在40cm/s流速下持续游泳，为设计尼亚加拉河海墙鱼道结构提供科学依据。

　　在纽约州布法罗市附近的上尼亚加拉河（UNR）区域，自由公园（原称布罗德里克公园）的防波堤建设改变了原有的河道环境，导致水流速度显著增加。这种变化对某些鱼类的上溯迁徙构成了障碍，特别是作为关键生态物种的翡翠虹鱒（emerald shiner，学名 *Notropis atherinoides*）。这些鱼类在防波堤安装前适应的水流速度较低，而现在水流速度普遍超过了100厘米/秒，远高于之前记录的翡翠虹鱒游泳能力，通常在40至60厘米/秒之间。因此，研究的主要目标是确定翡翠虹鱒在特定水流条件下能够维持的游泳速度，以便为防波堤设计提供参考，从而为鱼类上溯创造适宜的通道。

为了实现这一目标，研究团队在实验室中进行了游泳能力测试。实验分为两个阶段，使用了设置在实验室水槽中的游泳隧道，以便精确控制水流速度。第一阶段中，106条鱼被测试，每条鱼单独进行一次测试。然而，有16条鱼在适应阶段未能达到基础游泳速度，因此被排除在进一步分析之外。测试在60分钟内结束，或直到鱼类无法继续游泳为止，以先发生者为准。在第二阶段中，研究人员使用了三个隧道，进一步扩大了实验的规模和数据的代表性。

研究结果显示，翡翠虹鱒在不同水流条件下表现出不同的游泳行为模式。这些模式通常被划分为“持续游泳”、“延长游泳”和“爆发游泳”（或称为“冲刺游泳”）。持续游泳是指鱼类能够在水流中保持较低速度的稳定运动，这种模式可以持续很长时间，甚至无限期。延长游泳则是在中等速度下维持一段时间，通常在几分钟到几十分钟之间。爆发游泳则是短暂的高速运动，通常仅持续几秒钟。通过实验数据，研究人员发现，至少50%的翡翠虹鱒种群在上尼亚加拉河区域能够维持至少40厘米/秒的持续游泳速度，这一速度足以克服防波堤的水流障碍。

为了验证这些结果，研究团队采用了疲劳测试和生存分析相结合的方法。疲劳测试是一种传统的方法，用于评估鱼类在不同水流速度下的游泳耐力。在这一测试中，鱼类被放置在可控水流速度的游泳舱中，持续游泳直到它们疲劳。时间至疲劳（Tf）是指鱼类在暴露于特定水流速度后，无法继续游泳的时间。这种方法可以生成鱼类游泳疲劳曲线，即时间至疲劳与水流速度之间的关系，从而预测鱼类在不同水流条件下的游泳能力。然而，传统的疲劳测试方法通常将测试时间限制在200分钟以内，尽管对于某些鱼类，测试时间可以缩短至60分钟。这种限制可能导致对鱼类游泳能力的估计存在偏差，因为部分鱼类可能在超过200分钟后仍能维持游泳。

为了解决这一问题，研究团队采用了改良的疲劳测试方法，并结合生存分析。生存分析是一种从医学领域引入的方法，用于评估治疗效果随时间的变化。在鱼类游泳测试中，这种方法被用来比较不同水流速度下的鱼类生存能力，即将时间至疲劳视为“事件”，并评估鱼类在不同水流条件下的“生存时间”。这种方法能够更全面地反映鱼类在不同水流速度下的游泳行为，特别是对于持续游泳模式的识别更为准确。通过这种方式，研究人员发现，至少50%的翡翠虹鱒种群能够在防波堤区域维持足够的游泳速度，从而实现上溯。

此外，研究团队还参考了其他测试方法，如“临界速度”测试和开放渠道自愿参与测试。临界速度测试通过逐步增加水流速度，直到鱼类无法维持游泳，从而确定鱼类的临界速度。这种方法可以得到单一的失败速度，但无法区分鱼类的游泳模式。而开放渠道自愿参与测试则更直接地关注持续游泳模式，通过比较不同水流速度下的鱼类存活率，来评估其游泳能力。这些方法在研究中被综合使用，以确保数据的准确性和全面性。

研究的另一个重要方面是考虑了防波堤维护和修复过程中可能遇到的挑战。例如，防波堤在冬季和早春可能受到冰 scour 的影响，因此在设计鱼道时，必须确保其在这些条件下仍能有效运行。同时，鱼道还需要满足公共安全的要求，确保不会对人类活动造成威胁。这些因素使得鱼道设计不仅需要考虑鱼类的游泳能力，还需要综合评估环境条件和工程需求。

在实验过程中，研究人员还特别关注了适应方法对测试结果的影响。适应阶段是鱼类在进入测试前需要适应水流速度的过程，不同的适应方法可能会影响鱼类的游泳表现。通过比较不同适应方法下的测试结果，研究人员发现，适应方法对延长或爆发游泳模式的影响更为显著，而对持续游泳模式的影响相对较小。因此，研究团队建议未来的测试应采用适应方法C，以确保测试结果的准确性和一致性。

研究的最终目标是为上尼亚加拉河区域的防波堤设计提供科学依据。通过确定翡翠虹鱒的持续游泳速度，研究人员能够为鱼道设计提供参考，确保鱼类能够顺利通过防波堤区域，重新连接上尼亚加拉河和伊利湖的种群。这一研究不仅有助于保护翡翠虹鱒这一关键生态物种，还能够为其他依赖翡翠虹鱒的鱼类和迁徙鸟类提供生态支持，促进区域生态系统的稳定和健康发展。

此外，研究还强调了翡翠虹鱒在生态系统中的重要性。作为重要的饵鱼，翡翠虹鱒不仅支持了经济活动，还构成了当地食物链的基础。它们是许多捕食性鱼类的猎物，如鲈鱼、小嘴鲈、虹鳟、黄鲈和黑鲈等。同时，翡翠虹鱒也是迁徙鸟类的重要食物来源，如普通海鸥、普通潜鸟、普通和红胸潜鸭、金眼鸭和长尾鸭等。这些鸟类在尼亚加拉迁徙通道（Niagara Flyway）中迁徙时，依赖于翡翠虹鱒作为食物资源。因此，确保翡翠虹鱒能够顺利通过防波堤区域，不仅有助于保护鱼类种群，还能够维护迁徙鸟类的生态需求。

在实验设计中，研究人员还考虑了鱼类的年龄、体型、体重以及水温等因素对游泳能力的影响。通过综合分析这些变量，研究人员能够更准确地评估不同条件下鱼类的游泳表现。例如，较年轻的鱼可能在较高的水流速度下表现出更强的游泳能力，而较老的鱼可能在较低的水流速度下更容易疲劳。体型较大的鱼通常能够维持较高的游泳速度，而体型较小的鱼可能在较低的水流速度下表现更好。体重也是一个重要的因素，较重的鱼可能在较高水流速度下更容易疲劳，而较轻的鱼可能在相同条件下表现更优。水温的变化也会影响鱼类的游泳能力，较高的水温通常会提高鱼类的活动能力，而较低的水温则可能导致鱼类的游泳能力下降。

这些因素使得研究团队在实验设计中采用了多种条件下的测试，以确保数据的全面性和代表性。通过这种方式，研究人员能够更准确地评估翡翠虹鱒在不同水流条件下的游泳能力，并为鱼道设计提供科学依据。实验结果显示，即使在水流速度较高的情况下，至少50%的翡翠虹鱒种群仍能维持足够的游泳速度，从而实现上溯。这一结果对于设计有效的鱼道结构具有重要意义，因为它表明即使在一定的水流速度下，鱼类仍能够通过特定的工程措施实现迁移。

研究团队还特别强调了实验数据的可靠性。通过疲劳测试和生存分析相结合的方法，研究人员能够更全面地评估鱼类的游泳能力，并减少因单一测试方法可能带来的偏差。此外，实验中使用的鱼类均为本地捕获，以确保数据与上尼亚加拉河区域的实际条件相符。这种方法不仅提高了实验的科学性，还增强了研究结果的实用性。

总的来说，这项研究为上尼亚加拉河区域的防波堤设计提供了重要的科学依据。通过确定翡翠虹鱒的持续游泳速度，研究人员能够为鱼道设计提供参考，确保鱼类能够顺利通过防波堤区域，重新连接上尼亚加拉河和伊利湖的种群。这一研究不仅有助于保护翡翠虹鱒这一关键生态物种，还能够为其他依赖翡翠虹鱒的鱼类和迁徙鸟类提供生态支持，促进区域生态系统的稳定和健康发展。同时，研究还强调了实验设计的科学性和实用性，确保研究结果能够为实际工程提供指导。