摘要
随着水资源开发、水体污染、过度捕捞等人类活动的加剧，鱼类多样性及数量呈现严重下降趋势，如何系统监测鱼类应对变化环境时的运动行为及内在生理响应，科学解析其行为响应与环境要素之间的关联，塑造以鱼类生态需求为核心的生境要素条件，对于鱼类资源可持续性保护至关重要。声电标记系统的发展为鱼类保护研究提供了科学的技术手段，不同功能的标记可通过植入鱼体内或附着于体表，实现对鱼类运动行为或生境信息的系统监测。本文系统梳理了目前应用于鱼类保护研究中常见的声电标记信息，按照其不同的功能分为短程编码识别计数、空间寻踪定位、生理状态测定及环境信息采集4类标记。首先介绍了不同功能标记的基本信息，然后分别阐述了不同功能声电标记在过鱼设施效果监测、鱼类运动追踪、生理状态测定及生境信息调查中的具体应用及其研究进展，最后基于目前的应用现状，对声电标记技术在鱼类保护中亟待解决的技术难题及未来发展方向进行了展望。本文旨在总结梳理声电标记技术在鱼类保护研究中的应用现状与发展趋势，以期为水生态系统保护提供科学技术指导。
Abstract
With the intensification of anthropogenic disturbances, such as water resource development, water pollution, and overfishing, fish diversity and population abundance have significantly declined, posing a severe threat to aquatic ecosystems. Systematic monitoring of fish movement behavior and physiological responses to environmental changes, along with the scientific analysis of the relationship between behavioral responses and environmental factors, is critical for designing habitat conditions centered on the ecological needs of fish species. This is essential for advancing fish conservation research. The development of acoustic and electronic tagging systems has provided a robust scientific tool for fish conservation studies. These tags, with diverse functionalities, can be implanted in fish bodies or attached externally to enable systematic monitoring of fish movement behavior and habitat information. This paper provides a comprehensive review of the acoustic and electronic tags commonly used in fish conservation research, classifying them into four categories based on their functions: short-range coded identification and counting tags, spatial tracking and positioning tags, physiological state monitoring tags, and environmental data logging tags. First, the fundamental features and technical principles of these tags are introduced. Then, the applications and research progress of each tag type are discussed in detail, focusing on areas such as fish passage efficiency monitoring, fish movement tracking, physiological state assessment, and habitat information evaluation. Finally, the existing challenges and future development directions of acoustic and electronic tagging technologies in fish conservation are highlighted based on the current state of applications. This study aims to systematically summarize the application status and developmental trends of acoustic and electronic tagging technologies in fish conservation research, providing scientific and technical guidance for aquatic ecosystem protection.
鱼类应对不同环境时的行为及生理响应规律对于开展鱼类保护研究至关重要。如在过鱼设施微生境中，鱼类应对不同结构型式的鱼道水流环境时，其轨迹分布、运动时长及上溯成功率的变化规律[1-4]；在近坝区水流环境中，鱼类在水库不同调度方式下的上下行运动过程[5-7]；在天然流域中，鱼类种群的洄游路径及动态时空分布特征[8-11] 等，都对实施有效的鱼类保护措施及维持鱼类资源稳定具有重要指导意义。
针对鱼类在不同环境中复杂多变的表观行为研究，方法通常可分为非标记和标记两大类别。非标记方法主要包括视频录制、人工目测和声呐探测等，主要用于非侵入性的表观行为监测；标记方法则主要包括物理T形标记、化学荧光标记及声电标记设备等，侧重追踪个体行为。在鱼类资源保护实际应用中，这两类方法各有其适用范围和技术优势，相辅相成，共同构建了鱼类表观行为研究方法体系。其中，视频录制是指通过在研究区域四周或上方架设摄像机记录鱼类完整运动过程，然后对实验视频进行分帧处理，分析鱼类行为特性[12-14]。然而，视频录制方法存在数据后处理繁琐、人为误差等缺点。其中，人为处理误差主要体现在视频图像模糊、鱼体个体跟踪丢失、鱼群交叉重叠不易识别等方面，且视频录制方法不适用于浑浊水体[15]。因此传统的视频录制或人工目测法容易出现重复计数或遗漏的情况，且耗时耗力，显著影响了研究结果的准确性和处理效率[16-17]。对于鱼类内在生理状态的研究，国内外学者主要通过化学测试对比分析鱼类在运动前后血液指标及皮质醇等的变化水平，以推测鱼类运动时的生理代谢状态[18-19]，然而通过运动结束后的血液指标对运动时的生理状态进行评估具有一定的滞后性，不能准确识别水动力环境与鱼体内在生理调节之间的实时关联性。鉴于鱼类行为的复杂性及其所处环境的多变性，传统的研究手段如视频分析、人工计数、血液分析等，虽然提供了一定的研究数据支持，但受限于观测条件和时空范围，无法全面捕捉鱼类的自然行为和环境信息。这些方法在实际应用中显示出诸多局限性，亟需发展和应用更先进的技术手段，以提高鱼类行为研究的准确性和系统性[20-21]。
在“长江大保护”及“生态保护修复重大工程”等国家战略实施过程中，拯救鱼类及其多样性显得尤为迫切。声电标记技术的发展，为不同环境下鱼类表观行为及内在生理研究提供了先进有效的技术手段[22-23]。声电标记能够在室内研究与野外调研中实现连续实时的监测作业，具有原位监测、定位准确、数据处理高效等特点，极大丰富了鱼类行为研究数据[24-25]。然而，目前应用于鱼类保护研究的声电标记种类众多，功能多样，国内外缺乏系统深入的梳理和总结，使得科研人员或野外作业人员缺少有效指导。本文系统梳理了常见声电标记的功能及其种类，根据功能将标记分为短程编码识别计数、空间寻踪定位、生理状态测定及环境信息采集4类，分别阐述了不同功能标记在鱼类保护中的应用。基于目前的应用现状，进一步从声电标记面临的技术挑战及未来各类标记在鱼类保护研究中的应用提出了展望，以期为鱼类资源保护、栖息地修复等提供技术支撑与科学指导。
1 声电标记功能分类及其主要工作原理
1.1 短程编码识别计数类
射频集成应答器（passive integrated transponder，PIT）系统是一种基于射频识别和电磁感应的编码自动识别技术，具有标记编码唯一性、信号和能量非接触传输等特点[26]。其工作原理为当电子标签进入感应天线周围的电磁场时，标签通过电感耦合获得的能量发送存储在芯片中的唯一编码，天线捕获编码信号，最后将信号传输至控制终端进行数据解码记录。该标记系统共包含电子标签、天线线圈及控制终端3个部分（图1）。
图1短程编码识别标记系统组成部件及工作原理
Fig.1The components and working principle of the close range encoding identification tagging system
短程编码识别计数类标记系统主要部件及其特征：（1）电子标签是一种生物兼容性较好的可植入应答器，用于对鱼类个体进行唯一标识，其体积小，信息传输频率高；（2）天线线圈是系统的关键部分，它能够发射特定频率的射频信号以激活电子标签，并将编码信号传输给控制终端；（3）控制终端是系统的数据处理中心，它负责收集接收到的标签信息，并进行解码和计数。通过上述各部件的协同工作，短程编码识别计数类系统能够实现在鱼类保护研究中对鱼类身份识别、养殖管理等应用[27]。PIT标记系统主要优点包括：① 标记编码具有唯一性，可实现特定鱼体跟踪监测；② 标记无内置电源，基于天线电磁感应完成信息传输，可在野外环境中长期作业；③ 标记成本较低，适合大规模应用。然而，受限于PIT标记系统电磁感应的工作原理，PIT标记在应用过程中的局限性主要包括：① 监测量程距离短，PIT标记数据读取范围在几十厘米到几米，限制了其在大范围中个体识别及计数上的应用；② 高密度信号交叉干扰，在个体密集的监测环境中，可能导致控制终端无法有效识别个体编码差异；③ 难以捕捉鱼体游泳细节，PIT标记系统仅能统计研究区域内鱼体通过数量及时长，无法刻画鱼体游泳行为，因此一般用于小范围内鱼类通过行为的监测评估。
1.2 空间寻踪定位类
鱼类声学定位系统（vemco positioning system，VPS）是一种基于水声学原理对鱼类进行精确定位和追踪的技术，其工作原理为当声学标签进入由多个接收器组成的水下定位网时，接收器会接收声学标签发出的特定超声波信号，最后经过控制终端去噪处理后可解译出鱼类的具体位置[25，28]。该系统包括声学标签、接收器、搭载VUE或Fathom数据分析软件的控制终端（图2）。
图2鱼类声学定位系统组成部件及工作原理
Fig.2The components and working principle of the vemco positioning system
空间寻踪定位类标记系统主要部件及其特征：（1）声学标签，标签内含有微型电池、发射器和信息存储单元，标记会定期发射由电能转化的带有唯一编码的声学脉冲信号；（2）接收器阵列，布设在水下不同位置的接收器阵列通过分析声学脉冲信号到达的时间差（time difference of arrival，TDOA）计算声学标签的具体位置（图2），单个接收器作业范围通常在1.5 km内，多个接收器组网协作可实现高精度的三维定位；（3）控制终端，接收器采集的数据通过通信链路传输至控制终端，软件对数据进行处理和解码，生成可视化的轨迹图、迁徙路径及行为模式分析结果。结合文献和产品信息调研，VPS定位系统主要优点包括：① 高精度定位，通过接收器阵列分析声学信号到达时间差，实现多维高精度定位；② 数据实时传输，通过有线电缆或无线传输功能，可实时获取接收器内存储的鱼体位置信息，实现对鱼体运动位置的实时追踪。同时，VPS定位系统在应用过程中也存在如下局限性：① 标记系统整体成本较高，主要体现在电子标记、接收器阵列及监测数据解码等方面；② 接收器稳定布设难度高，受水体振荡及波动影响，接收器作业过程中会发生位置偏移等情况，影响计算精度。因此VPS定位系统在应用过程中需要根据环境条件合理设计布设方案，确保结果的精度与可靠性。
1.3 生理状态测定类
鱼类生理状态测定标记是基于传感器及电磁感应原理对鱼类生理参数进行感应测算的系统，其工作原理为：标记中的高精度传感器实时采集目标生理参数，并将数据转化为电信号存储在标记芯片中；当通信盒发出电磁波能量时，标记中的芯片被激活后输出数据；最后经计算机终端处理后输出随时间变化的生理参数，如体温、压力及心率等（图3）。
图3Star-Oddi标记系统组成部件及工作原理
Fig.3The components and working principle of the Star-Oddi tagging system
鱼类作为生物体，在应对外界环境变化时，除了表现出外在行为外，其内在生理状态也会发生复杂的调节变化。通过生理类标记技术深入了解鱼类内在生理变化特性，对于评估鱼类生理机能和健康状况，以及揭示鱼类对环境变化的内在响应机制具有重要意义。以常用的鱼体生理状态测定标记 Star-Oddi系统为例[29-30]，该系统主要部件及其特征为：（1）Star-Oddi 标记（Star-Oddi Tag），不同功能的标记内置有ECG（electro cardio gram）传感器、温度传感器或三轴加速度计等，根据自主设定的时间频率进行特定数据采集，并将数据存储在标记内置芯片中；（2）通信盒（Data Logger Communication Box），当研究结束后，从鱼体内取出Star-Oddi 标记，放置于通信盒中，通信盒发射电磁波激活标记内的存储芯片，以发送存储的数据信息；（3）控制终端（Terminal），数据传输至控制终端后，专用软件（如Star-Oddi的Mercury软件）将这些原始参数数据进一步解码并进行可视化呈现（图3）。结合相关文献和产品信息调研，以Star-Oddi标记为例，生理状态测定标记系统主要优点包括：① 生理状态的实时评估，克服了传统通过血液指标对鱼体生理状态进行评估的滞后性；② 多重参数同时采集，因标记内置多种传感器，可支持多种数据并行测定记录。然而，生理状态测定标记系统应用的局限性也较明显，主要包括：① 标记采集信息后需回收以进行数据解码，因此应用的研究范围不宜过大，避免回收困难；② 标记电池续航能力较弱，标记激活后即开始自耗电，因此对使用时间有严格限制；③ 标记系统成本较高，系统主要包括标记、通信盒两个部分，其中单个标记的价格根据测量参数的不同，大概在 ￥4000~8000范围内，通信盒价格约为 ￥4000，因此标记系统整体使用成本较高。
1.4 环境信息采集类
在鱼类保护研究中，鱼类生境的环境参数信息是探究其生态习性的重要依据。环境信息采集标记通过多种传感器对鱼类的环境参数进行实时监测和采集，是研究鱼类栖息地特性的关键技术。此类标记主要采集的环境信息包括水流速度[31]、水温[32]、光照强度[33]、溶解氧水平[34]、盐度[35]和pH值[36]等。环境信息采集标记的工作原理是：传感器实时感应环境的细微变化，通过数据采集单元记录鱼体所处的环境信息，并将这些信息保存在内部存储器中，最后通过控制终端对收集的环境信息数据进行处理和分析（图4）。
图4环境信息采集标记系统组成部件及工作原理
Fig.4The components and working principle of the environmental information collection tagging system
环境信息采集类标记在监测鱼类生境信息方面发挥着越来越重要的作用，对评估鱼类栖息地质量演化具有重要意义。结合相关文献和产品信息调研，环境信息采集类标记系统在应用于鱼类保护过程中的主要优点包括：①生境要素信息实时测定，及时感应环境变化，高效评估鱼类生境质量；②高灵敏精细探测，环境传感器能够检测细微的环境变化，提供精细连续的数据。同时该系统的缺点主要包括：①系统整体成本较高，高精度、多功能的环境传感器价格相对昂贵，初期投资较大；②环境适应性限制，在极端环境条件下（如高温、高湿、强腐蚀性环境），传感器性能可能受到影响，需要特殊设计或保护措施；③能耗较大，某些传感器功耗较高，在缺乏稳定电源的情况下，可能需要频繁更换电源或采用其他供电方案。综上，环境信息采集类标记技术的应用，能够更深入地理解鱼类在自然环境中的活动规律及其对环境变化的适应策略，从而为水生生态系统的保护和管理提供科学依据。
2 不同声电标记在鱼类保护研究中的主要应用情景
2.1 编码识别类标记在过鱼效果监测中的应用
过鱼设施指能够帮助洄游性鱼类顺利通过大坝完成上溯及下行，到达其繁殖场、索饵场或越冬场的工程设施。过鱼效率监测结果有助于评估过鱼设施进口、内部主体及出口结构的合理有效性。随着国内外大批过鱼设施的建设运行，科学合理的过鱼效率评价方法是实现过鱼设施优化设计及有效运行的基本保障。
PIT标记技术利用其唯一编码特点，常被用于追踪特定目标鱼体在过鱼设施中的运动过程，包括进入效率、通过效率、运动时间、运动路径等，在国内外已经得到了广泛的应用。Kelley等[37]在美国San Juan河流的PNM大坝中，通过向3种非鲑科鱼体中植入PIT标记，监测2015—2021年间目标鱼类在鱼道的进口、池室及出口处的出现及通过情况。监测结果表明，目标鱼类在鱼道池室结构中的运动效率高于进口及出口，且将出口处的格栅移除后能显著改善过鱼效率。为了解鱼体体长与过鱼效率之间的关系，Grimardias等[38]结合无线电遥测与PIT技术，监测了3种不同种类且不同体长的鱼在竖缝式鱼道中的运动过程。结果表明，鱼道进口吸引率与鱼类种类、体长、鱼体富尔顿状况系数（Fulton's condition factor）存在相关性，且鱼道通过效率显示鲑科鱼类要低于另外两种鲤科鱼类。此外，为探明影响过鱼效率的关键环境因子，焦易林[39]和石小涛等[40]利用PIT遥测技术对金沙江支流黑水河松新鱼道的过鱼效率进行了监测，结合Cox风险比例回归模型揭示了鱼道内流量、水温、昼夜节律是影响短须裂腹鱼（Schizothorax wangchiachii）上溯效果的关键因素，该研究为黑水河开展鱼类栖息地修复及鱼类资源保护提供了参考（图5）。为评估目标鱼类寻找鱼道进口及通过鱼道所用时长情况，宋韵涛等[41]在老口航运枢纽鱼道内布设了5个监测断面，利用PIT标记跟踪系统揭示了多数鲮个体放流后进入鱼道进口的时间超过10 h，通过整个鱼道的历时为648~5359 min，总通行率为50.79%，该研究为国内过鱼设施通行效率的量化及鱼道内鱼类上溯行为特征研究提供了参考。
综上，PIT编码识别类标记技术被广泛应用于过鱼设施过鱼效果监测评估领域，包括进口吸引率、主体结构通过效率及过坝后的上溯行为等。此外，PIT技术也被用于评估不同鱼种及其生态特性、不同环境因子对过鱼效率的影响等。相关应用研究为已建或拟建的过鱼设施结构优化设计或水利枢纽生态调度等提供了科学依据。
图5PIT标记系统典型应用环境及部分监测结果：（1）松新大坝枢纽整体结构布置示意图[39]； （2）鱼道内部PIT标记系统布置示意图[40]；（3）昼夜节律[39]、流量变化[42]、水温变化[40]及不同鱼种[43]对过鱼效率的影响
Fig.5Typical application environment and selected monitoring results of PIT tagging system: (1) Schematic diagram of overall structure layout of Songxin Dam hub[39]; (2) Layout diagram of PIT marking system in fishway[40]; (3) The effect of circadian rhythm[39], flow discharge[42], water temperature change[40] and different fish species[43] on fish efficiency
2.2 定位类标记在鱼类运动追踪中的应用
鱼类定位标记技术通过精确的定位和追踪，能够提供不同生境中鱼类运动过程的位置信息，在研究大流域尺度中鱼类全生命周期运动迁徙，以及小流域尺度中应对环境因子的游泳行为响应方面具有广泛应用。
在大范围鱼类运动迁徙跟踪监测研究中，科学家利用声学定位标记技术在加利福尼亚州附近的海岸中对粉鲍鱼（Haliotis corrugata）的种群聚集和迁徙行为开展了14个月的跟踪监测，研究表明大多数鱼体的活动范围较小，只有小部分鱼体表现出游牧式的迁徙行为[44]。此外，在美国东海岸Winyah海湾，鱼类定位标记（Vemco/Amirix V16-4H）被用于研究幼年沙洲鲨（Carcharhinus plumbeus）季节性迁徙、栖息地利用及种群分布等方面的信息，轨迹寻踪结果表明，幼年沙洲鲨会选择一条特定的越冬洄游路线，且主要在海湾的下游及中游栖息[45]。定位标签也被用于研究鱼类产卵行为对其空间分布的影响，如Dean等[46]利用定位标签研究了不同性别的大西洋鳕（Gadus morhua）在连续两年产卵期内空间分布的变化，结果表明雌性大西洋鳕的空间分布较集中，且不会受年际及昼夜节律的影响，而雄性大西洋鳕的空间分布较分散且易受时间变化的影响。鱼类定位标记除了应用于大流域尺度外，也被应用于小范围河流内鱼类运动轨迹定位。如Liao等[47]利用定位标记验证了BHT水电站不同调度方式下，不同目标鱼种在坝下的运动轨迹及集群区域的变化，寻踪结果表明随着调度流量的增大，坝下鱼类上溯屏障面积增加，鱼类主要沿河流两岸上溯并在低流速区域聚集，研究结果为过鱼设施进口位置布置提供了科学参考（图6）。此外，鱼类定位标签也被应用于监测鱼类在小型湖泊中应对化学元素时的分布规律及响应模式。监测结果表明鱼类运动行为的变化主要与水温、溶解氧及微囊藻毒素等有关[48]。
鱼类定位标记具有原位观察、定位准确和数据连续性好等优点，被广泛应用于大尺度范围内的鱼类资源分布、栖息地评价、产卵场利用等方面。在小尺度研究中，该技术主要用于评估鱼类对环境因子（如水动力环境、化学元素、水温、溶解氧等）的行为响应。随着鱼类定位技术的不断进步，该技术已逐渐发展为在多种环境中研究鱼类行为的核心手段。
图6空间追踪定位类标记典型应用环境及部分监测结果： （1）大流域尺度内鱼类运动迁徙；（2）局部河段鱼类运动过程；（3）坝前鱼类运动定位跟踪[49]; （4）鱼类三维轨迹、垂向分布、水平分布[50]及流场中运动轨迹[47]结果
Fig.6Typical application environment and selected monitoring results of spatial tracking and positioning tags: (1) Fish movement and migration in large river basin; (2) Fish movement process in local river section; (3) Fish movement positioning and tracking in front of the dam[49]; (4) The results of fish movement trajectories in three dimensions, vertical distribution, horizontal distribution[50], and trajectories in the flow field[47]
2.3 生理类标记在鱼类生物特性研究中的应用
生理类标记技术的运用实现了对鱼体内生理状态的实时监测，为“环境胁迫—内在调节—行为反应”的融合响应研究提供了技术支撑。在实际应用中，生理类标记常被用于表征鱼类在水温变化环境下的内在调节过程[51]，如当鱼类处于水深变化的环境中时，生理类标记可测定环境因子（水温、溶解氧等）及静水压力等多种因素作用下的鱼类内在生理变化过程。研究结果表明，与无压空白对照组相比，考虑静水压力作用时，鱼类应对环境因子改变时心率变幅更加显著[52]。在鱼类水产养殖研究中，生理类标记被用于研究鱼类在不同水温下连续捕捞和放流过程中的心率变化及能量消耗情况。研究结果表明，与冷水（6℃）环境相比，在温水（11℃）操作环境中，鱼体的生理恢复时间和心率范围显著增加[53]。此外，生理标记也被用于探明鱼类在封闭与开放游泳环境中生理特性响应差异，如研究发现，在低氧与变温环境中，鱼体在封闭环境下的心率显著高于开放环境，表明封闭游泳环境限制了鱼体的自然游泳行为特征，开放游泳环境更能反映鱼体真实游泳行为[54]。鱼类生理标记除了测定鱼体心率指标外，还能测定鱼体在野外环境中身体随时间变化的三维加速度，从而量化鱼体的精细运动和游泳姿态，据此远程研判鱼体运动模式及能量消耗情况[55]。
鱼体在应对天然生境或人工建筑物时的生理状态及能耗变化过程是鱼类保护研究中的重难点，利用生理类标记深入了解鱼类“储能—耗能—赋能”的变化过程与所处环境关键要素之间的动态响应关系，对营造符合鱼类生理规律的生境具有重要意义（图7）。
2.4 环境标记在鱼类生境探索中的应用
声电标记技术不仅在鱼类自身行为研究中发挥着重要作用，还广泛应用于鱼类生境信息调查研究，包括水温、光照强度、水压力、盐度及pH等多重环境因子的实时连续测定。环境标记技术有助于探索鱼类在运动过程中对生境要素的选择及其偏好规律。
水体温度会影响鱼类运动活性、捕食成功率、生长发育及产卵过程。水温传感器的应用为研究“气候变化—水温调节—鱼类活动”的传导影响过程提供了可靠的技术手段[62]。有科学家将鱼体生理特征、游泳姿态及环境因子（水温、水压力和地磁场）等多重监测传感器集成融合为一体，同步监测了当环境水温发生变化时不同鱼种生理特性变化规律。研究发现当水温下降到一定数值时，鱼体心率趋于稳定，表明鱼体可以适应水温变化幅度[32]。另外科学家用附着于鱼体的传感器监测海洋洋流盐度信息时，发现将鱼体周边的光照强度与盐度信息相结合时，通过对比卫星遥感海洋信息图，可定位出迁移鱼类大致地理位置，且变化的盐度信息也能用于评估鱼体对海洋生境的利用情况及生物盐度指数[35]。在研究鱼体应对水体化学污染的行为响应时，有学者利用水体电导率传感器监测水体被金属铝处理前、处理中及处理后目标鱼体活动范围的差异。传感器监测结果表明，环境水体电导率在铝处理过程中显著增加，表明鱼体成功暴露于铝环境中并未发生逃逸行为[63]。同时也有学者将能够测试水下电导率、水温、水深和应力应变的环境传感器搭载于机器鱼系统用于监测水下环境参数，该技术有助于鱼类行为学、海洋信息学及水下机器人的学科融合研究[64]。在商业化水产养殖中，水压力传感器被用于了解数量庞大的养殖鱼体的水深活动范围，以此推断鱼体的跳跃、浮头、摄食及昼夜运动活性差异等行为参数，为水产养殖精细化管理提供了科学参考，有助于推动水产养殖业向更加高效、绿色、可持续的方向发展[65]。
图7生理类标记系统典型应用环境及部分监测结果：（1）标记型号及植入过程[56-57]； （2）海洋环境应用场景[56]；（3）室内试验应用场景[56]；（4）鱼体心率[58]、体温[59]、活性[60]及压力[61]随时间变化监测结果
Fig.7Typical application environment and selected monitoring results of physiological tagging system: (1) Tag model and implantation process[56-57]; (2) Marine environment application scenarios[56]; (3) Laboratory test application scenarios[56]; (4) Monitoring results of changes in heart rate[58], body temperature[59], activity[60] and pressure[61] of fish over time
环境标记通过加载多重传感器，能够提供鱼类运动过程中详细的环境数据，丰富了鱼类生态学和环境科学的相关研究，同时有助于理解鱼类行为对环境因子变化的响应模式，为鱼类栖息地修复、水产养殖等提供了科学技术手段（图8）。
2.5 不同功能标记信息小结
根据鱼类保护研究中标记系统发挥的不同功能，本文将标记划分为编码识别、寻踪定位、生理测定和环境探索4个大类（表1）。这些不同功能标记分别广泛应用于鱼道过鱼效率评估、鱼类运动轨迹定位、生理特性测定以及生境信息调研方面。但在实际应用中，不同标记系统也显现出一些局限性，如标记的植入与运行可能对鱼类行为模式（游泳性能、捕食行为等）产生短期影响，同时对鱼类的免疫反应和逃避能力也可能产生一定干扰[70]。未来的研究应致力于标记技术完善、数据库构建、生态修复及孪生生境构建等方面，以进一步提升声电标记在鱼类保护研究中的综合效能。
3 声电标记技术的未来研究展望
本文系统梳理了鱼类保护领域不同功能的声电标记技术，介绍了各标记技术的基本信息及主要工作原理，阐述了不同标记技术在鱼类保护中的应用场景及测定的各类参数信息，分析了声电标记技术在鱼类保护研究中的应用进展。综合考虑当前声电标记技术具体应用现状及其局限性，本文围绕标记面临的技术挑战及未来的科研方向提出了以下4点研究展望。
Fig.8Typical application environments and selected monitoring results of environmental information collection tagging systems: (1) Typical monitoring indicators of tags; (2) Monitoring results of changes in conductivity[66], water temperature[67], salinity[68] and water depth[69]
表1不同功能标记系统信息
Tab.1Brief summary of different functional tagging systems
3.1 声电标记系统在鱼类保护领域面临的技术挑战
声电标记系统在鱼类保护研究中提供了关键的技术支持。然而，系统梳理相关研究资料发现，标记系统目前存在植入过程对鱼体造成损伤、标记自耗电以及难以回收等问题。这些难题为未来标记系统的技术更新与完善指明了方向。（1）植入过程对鱼体的损伤，标记在体型设计上应朝着“更小、更轻”的方向发展。通过减少标记的尺寸和重量，可以显著降低植入过程对鱼体的损伤程度，促进标记系统在鱼类保护中的应用。（2）电池续航问题，目前标记系统的自耗电问题限制了其长期监测的能力。为延长电池使用寿命，可通过更新电池材料，或者研发“生物自主发电电池”等创新技术，实现对鱼类全生命周期运动过程的持续监测。这些技术革新将有助于克服现有电池续航的限制，延长监测周期。（3）标记功能集成。未来的标记系统应具备多功能集成能力，将不同监测功能结合在一起，同步监测鱼体运动行为、生理响应及生境要素信息的变化过程。这种集成化的标记系统能够识别鱼类行为与环境变化之间的实时作用关系，为鱼类保护研究提供更加全面和准确的数据支持。（4）监测数据后处理。在监测数据的后处理环节，可融合先进的统计和机器学习技术来处理电信号信息。同时，将监测数据库与高空间分辨率的地理数据集相连通，可以共同提升监测数据的精度。这种方法不仅提高了数据处理效率，还增强了数据的实用性和科学性。（5）适应极端环境的灵活性。为了应对极端气候及环境对声电标记系统监测带来的挑战，未来的标记设计应具备高适配性特点。通过这种形式，标记系统可以适应不同环境的干扰，确保在各种复杂环境条件下仍能提供稳定可靠的监测数据。
尽管声电标记系统在鱼类保护研究中的应用面临若干技术挑战，但通过技术的不断更新与完善，特别是在标记体型、电池续航、功能集成、数据处理及适应性设计等方面的改进，可以显著提升其在鱼类保护研究中的应用效果。这些改进方向不仅为未来研究提供了科学的技术方法，也为生态保护和可持续发展提供了坚实的技术保障。
3.2 定位类标记在鱼类全生命周期运动监测及全球洄游数据链建立中的应用
定位类标记技术的应用目前主要集中在鱼类特定生活史阶段的运动行为研究，而针对鱼类全生命周期运动轨迹的监测仍显不足。然而，全面、持续地跟踪鱼类全生命周期的运动过程，可揭示鱼类在不同生命周期阶段的运动规律及其生态需求，对于深入理解其洄游路径和空间分布具有重要的科学意义。针对鱼类的繁殖洄游特性，可大致分为“上行溯流”及“下行入海”两种生殖洄游类型。对于“上行溯流”洄游型鱼类，其幼鱼时期主要活动在上游河流中，然后随着主流漂流到河湖中生长觅食，发育为性成熟的成鱼后再溯流而上完成产卵。对于“上行溯流”洄游性鱼类的全生命周期运动轨迹持续监测，能够捕捉鱼类在生长、洄游、繁殖等各个关键时期的运动和行为变化。同时通过记录鱼类在不同水流环境下的运动轨迹，可以深入分析其克服洄游障碍的行为策略。例如，根据鱼类在特定地点的停留时间和行为变化，可揭示其是否放弃了最优产卵地而选择了次优产卵地。这些数据对于理解鱼类的生态适应能力和生存策略至关重要，同时也为鱼道设计和管理措施提供了关键的科学依据。“下行入海”产卵繁殖鱼类幼鱼阶段在海洋中生活，随后溯流进入淡水环境中生长发育，最终性成熟后返回海洋进行产卵。在这过程中，鱼类的下行洄游行为尤其关键。为深入研究鱼类的下行路径，定位类标记技术可以从幼鱼阶段起，精确追踪鱼类迁徙轨迹，并详细记录鱼类在筑坝河流中下行经过各种设施（如溢洪道、水轮机或旁通道）的情况。这些数据对于优化鱼类下行过坝通道设计至关重要。同时，鱼类在通过大坝时常面临物理伤害和生理压力，这可能影响鱼类下行过坝存活率。因此，通过对不同下行通道的长期跟踪数据分析，设计适当的下行通道或改进现有设施的结构，可以显著减少对鱼类的负面影响，提高鱼类下行洄游成功率，为未来大坝工程的鱼类生态保护提供科学依据。此外，将来自不同国家和地区的鱼类运动轨迹监测数据进行联合分析，可以构建全球鱼类洄游数据链。全球洄游数据链的构建不仅有助于揭示鱼类跨区域洄游的生态连通性，还能为国际间协同保护与管理鱼类资源提供科学依据。通过全球化的数据整合与共享，研究人员能够更加全面地理解鱼类洄游规律，识别出重要的洄游通道和关键栖息地，从而推动制定跨国保护措施，确保洄游鱼类的可持续保护和生态平衡。
3.3 融合环境信息与鱼类生理响应的水产养殖技术优化研究
水产养殖系统中，鱼体生理响应对养殖效益具有直接影响。传统的养殖环境评价方法通常依赖于鱼类存活率、密度分布、年龄结构及体型性状等静态指标，然而，这些方法在捕捉环境变化对鱼类实际影响的动态性方面存在不足。作为生物个体，鱼类在应对环境变化时表现出的生理响应，诸如心率、体温和压力水平的变化，能够提供更为直接清晰的反馈，是评价养殖环境适宜性的重要因素。与此同时，随着环境信息采集技术的快速发展，水产养殖环境的动态监测能力显著提升。现代技术，如高精度传感器网络、物联网（IoT）和自动化监测系统，能够连续监测水体温度、pH值、溶解氧及污染物浓度等关键环境因子。这些环境数据不仅能够反映养殖环境的动态变化，还为鱼类生理响应的综合分析提供了背景信息，从而大幅提高养殖环境优化的科学性和全面性。将鱼类生理响应与环境因子信息有机结合，可以构建一个多层次、动态化的养殖环境优化评估体系。这一体系能够通过分析鱼类生理状态与环境因子之间的关系，更精准地评估养殖环境的合理性，并识别和量化潜在的环境压力源。例如，通过环境丰容手段，增加水体中栖息结构的复杂性或优化水质参数，能够显著改善鱼类的适应性及其生长性能，这不仅为提升养殖环境适宜性提供了新思路，也为识别关键制约因素及制定针对性措施奠定了基础。综上，将鱼类生理响应与环境因子监测相结合，不仅深化了对养殖环境动态变化的理解，还为优化养殖丰容技术等提供了多维度的数据支持，为水产养殖的科学管理和可持续发展提供了有力保障。
3.4 基于声电标记系统大数据的“数字鱼体孪生生境”模型构建
鱼类保护主要涵盖两个方面，一是鱼类本体，二是其所处生境的保护。不同功能的声电标记系统通过对鱼类和其生境的全面持续监测，提供了详实的鱼体数据及环境信息，为鱼类保护工作提供了科学依据。结合机器学习及大数据分析技术，“数字鱼体孪生生境”系统模型构建为鱼类保护提供了先进的解决方案。该系统依托声电标记技术所生成的大量数据，通过应用现代数据分析和机器学习方法，可实现对鱼类行为和生境变化的全面模拟与预测。模型主要分析及构建过程如下：（1）数据挖掘与模式识别，这是数字孪生系统的核心组成部分。机器学习算法（如聚类分析和主成分分析（PCA））能够从大量的鱼类行为和环境数据中提取有意义的模式和信息，帮助识别鱼类在不同环境条件下的行为特征，并揭示环境变量与鱼类生理反应之间的非线性关系。（2）行为预测与动态建模，采用深度神经网络（DNN）、卷积神经网络（CNN）以及递归神经网络（RNN），系统能够对鱼类在不同环境条件下的运动轨迹和行为模式进行准确预测。模型基于历史数据和实时输入，能够动态调整预测结果，为保护措施的优化提供科学依据。（3）实时监测与自适应调整，该步骤使系统能够响应环境的动态变化。机器学习中的强化学习算法可以自动调整模型参数，以适应新的环境数据输入。当鱼类生境要素发生变化时，系统能够迅速更新其预测模型，以保持保护措施的适时性和有效性。这种自适应能力提高了目标鱼类对环境变化的响应速度和灵活性，使得保护策略能够实时调整以应对环境变化。（4）全球数据整合与协同保护。通过将来自不同国家的鱼类和环境数据汇总，系统能够进行跨区域的分析，揭示全球范围内的鱼类保护热点和主要难题。这一整合能力支持国际合作，优化全球鱼类保护策略，并推动资源的协调管理。机器学习技术在数据整合与分析中的应用使得全球范围内的保护措施能够依据统一的科学数据进行优化，提高了国际保护合作的效率和效果。“数字鱼体孪生生境”系统通过结合最新的机器学习和大数据分析技术，不仅实现了对鱼类行为和生境变化的高效模拟与预测，还增强了对全球鱼类保护的科学性和实用性。这种技术的进步为制定精准的保护措施和推动国际合作提供了强有力的支持，为全球鱼类资源的可持续管理奠定了坚实的基础。
在“长江大保护”和“生态文明建设”背景下，拯救“鱼类”及其多样性相比于其他水生生物更具紧迫性。生态水利领域亟需加强鱼类生态学与水利科学的跨学科融合，通过各类标记监测手段，解析鱼类关键生活史阶段的生理特征、行为模式及生境因子需求（如产卵适宜流速需求、过坝行为及生境选择等），并将研究结果运用到具体水利工程，构建以鱼类需求为核心的生态调度及其他技术体系，最终实现水利工程建设与鱼类生态保护的科学协同发展。
