长江上游水下钻孔爆破对草鱼仔鱼损伤机制

马正勇; 王家飞; 胡玉鹏; 余山; 张先炳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505976

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8804-8814 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505976

交通运输

长江上游水下钻孔爆破对草鱼仔鱼损伤机制

马正勇 ¹ ,
王家飞 ¹ ,
胡玉鹏 ²^,³ ,
余山 ¹ ,
张先炳 ²^,³^,^*

作者信息 +

Damage Mechanism of Underwater Drilling and Blasting on Grass Carp Larvae in the Upper Reaches of the Yangtze River

MA Zheng-yong ¹ ,
WANG Jia-fei ¹ ,
HU Yu-peng ²^,³ ,
YU Shan ¹ ,
ZHANG Xian-bing ²^,³^,^*

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摘要

水下钻孔爆破是当前涉水工程爆破施工的常用技术,爆破时产生的冲击波瞬时强度大、扩散快,其对水生生物及水生态的影响备受关注。漂流仔鱼因个体微小且游泳逃逸能力弱,是水下爆破冲击波影响下的重点关注对象。以草鱼(Ctenopharyngodon idella)仔鱼为对象,通过现场爆破试验(单孔药量26 kg、总药量300 kg)结合实验室培养与组织学分析,揭示其损伤阈值与机制。结果表明:冲击波峰值压力降至0.383×10⁵ Pa(对应距离500 m)时,仔鱼瞬时死亡率和培育4 d后的累计死亡率与对照组相若(P>0.05),确立500 m为仔鱼的生态安全距离。组织学分析表明,爆炸冲击波对肝脏组织造成的损伤具有距离依赖性特征,仔鱼肾损伤是其延迟性死亡的核心诱因,≥200 m组肾小球结构基本完整,但300 m组仍存在18.9%的亚致死损伤风险。此外,结合长江上游水文特征与保护区分布,精确控制水下爆破参数并采用微差爆破工艺可极大降低爆破冲击波强度及影响范围,提出了包含严格避让繁殖期(5—7月)、应用急流适应型双层气泡帷幕,以及建立“实时监测与增殖放流”补偿机制的综合防护策略。研究成果明确了草鱼仔鱼的定量损伤阈值与机制,可为长江上游航道整治等涉水工程与水生态保护的协同高质量发展提供科学依据。

Abstract

Underwater drilling and blasting are widely used in current aquatic engineering. The shock waves generated by blasting exhibit high instantaneous intensity and rapid diffusion, raising significant concerns about their impact on aquatic organisms and ecosystems. Due to their small size and limited swimming escape capacities, drifting larvae are particularly vulnerable to underwater shock waves represent a key focus of concern. Using grass carp (Ctenopharyngodon idella) larvae as the object, the damage threshold and mechanism were revealed through field blasting experiments (single-hole charge of 26 kg, total charge of 300 kg) combined with laboratory cultivation and histological analysis. The results indicate that when the peak shock wave pressure decreases to 0.383×10⁵ Pa (corresponding to a distance of 500 m to the blasting center), the instantaneous mortality rate after 4 days of cultivation become comparable to those of the control group (P>0.05), establishing 500 m as the ecological safety distance for grass carp larvae. Histological analysis demonstrates that the damage to liver tissue caused by shock waves exhibits distance-dependent characteristics, with renal injury identified as the core factor contributing to delayed mortality. The glomerular structures remain largely intact in the ≥200 m group, but the 300 m group still shows an 18.9% risk of sublethal damage. Considering the hydrological characteristics of the upper Yangtze River and the distribution of protected areas, precise control of underwater blasting parameters combined with millisecond-delay blasting technology can significantly reduce shockwave intensity and affected range. A comprehensive protection strategy was proposed, which included strict avoidance of breeding seasons (May—July), application of rapid-flow-adapted double-layer bubble curtains, and establishment of a compensation mechanism involving “real-time monitoring and stock enhancement releases”. The research results have clarified the quantitative damage thresholds and mechanisms for grass carp larvae, which can provide scientific basis for the coordinated high-quality development of water-related engineering projects (such as waterway regulation in the upper Yangtze River) and aquatic ecological conservation.

Graphical abstract

关键词

水下爆破 / 冲击波 / 漂流仔鱼 / 安全阈值 / 防护策略

Key words

underwater drilling and blasting / shock waves / drifting larvae / safety threshold / conservation strategy

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马正勇, 王家飞, 胡玉鹏, 余山, 张先炳. 长江上游水下钻孔爆破对草鱼仔鱼损伤机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8804-8814 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505976

MA Zheng-yong, WANG Jia-fei, HU Yu-peng, YU Shan, ZHANG Xian-bing. Damage Mechanism of Underwater Drilling and Blasting on Grass Carp Larvae in the Upper Reaches of the Yangtze River[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8804-8814 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505976

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水下钻孔爆破产生的冲击波具有低主频、短持时、快衰减等特点,峰值压力为相同药量水中爆破的8%~10%,逐渐成为航道、大坝、港口等涉水工程爆破施工的常用技术^[1-4]。在生态优先、绿色发展的时代背景下,该技术对水生生物的影响受到广泛关注,特别是爆破产生的高压冲击波可能对保护性鱼类造成直接损伤^[5]。其中,处于鱼类生活史早期阶段且主动游泳能力极弱的漂流仔鱼更易受到水下爆破冲击波的威胁,仔鱼的存活率是关乎种群数量及生态系统平衡维持的重要方面,成为水下爆破施工过程中生态保护重点关注的对象^[6]。为做好涉水工程水下爆破施工过程中的水生生物保护,亟需明确漂流仔鱼经受水下爆破冲击波的临界安全阈值和损伤特点,对漂流仔鱼的安全防护有重要的理论价值和现实意义。

水下钻孔爆破瞬间释放的巨大能力迅速膨胀并扩散,使得爆源点附近的介质被压缩而形成高温高压的冲击波向外传播^[7]。水下爆破冲击波的峰值压力(P_m)与单次起爆最大药量(Q_p)正相关,与测点至爆源的距离(R)负相关,工程中常用Cole经典压力公式进行计算,试验系数取决于炸药种类、爆破方式、爆破水深等因素^[8]。例如,长江上游朝天门至涪陵江段的航道整治的Cole公式经验系数K=39.76,衰减系数α=1.57^[9],而在单药包水底裸爆时的K=203~319,α=1.21~1.34^[10]。

冲击波穿过鱼体组织与气腔的界面时,会导致空腔壁的撕裂或破碎,造成鱼鳔撕裂、眼睛充血、血管受损,体腔出血等,甚至出现畸变^[1,11]。鱼体遭受爆破冲击波时的损伤程度取决于鱼体特征(有无鱼鳔、个体大小、种类和体型等)、爆破用药量、起爆方式以及与爆源的距离等因素。对成鱼而言,当单孔乳化炸药量低于10 kg,单次起爆药量150 kg以下时,不同鱼类的理论安全距离大致在80~200 m^[12-14],无鳔鱼类相较有鳔鱼类的损伤程度较低^[15]。成年鱼类具备更强的抵抗能力和免疫系统,在遭受冲击波影响后其存活率大于幼年鱼类,并可以通过爆破前驱鱼将其逐离影响水域,从而消除负面影响。但个体较小且自主游泳能力弱的水生生物(如仔鱼),其遭受爆破冲击波后的死亡率远远高于成年鱼类^[11]。然而当前对于内陆河流中,水下钻孔爆破冲击波影响下的仔鱼损伤特性、安全阈值和防护措施等方面的量化参数尚未明确。

然而,现有研究多基于实验室激波管模拟单一冲击波源,缺乏复杂水文环境下现场原位爆破的实测数据,难以真实反映冲击波、气泡脉动及水底沉积物扬起对生物的综合致损效应。此外,传统评估多关注成鱼的瞬时死亡率,针对长江上游漂流性仔鱼这一脆弱生活史阶段的延迟性死亡机制及亚致死器官损伤(如肾脏、肝脏病理变化)的研究仍显不足。鉴于此,以长江上游航道整治工程为背景,通过现场全尺寸爆破试验结合组织病理学分析,旨在通过现场试验研究草鱼仔鱼遭受水下爆破冲击波时的安全临界范围阈值及损伤特性,为科学论证涉水工程钻孔爆破施工对仔鱼的影响及施工过程中仔鱼的防护提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验仔鱼

草鱼(Ctenopharyngodon idella)隶属鲤形目(Cypriniformes)、鲤科(Cyprinidae),是中国长江流域特有的重要淡水经济鱼类,具有典型的江河洄游习性,典型的产漂流性卵鱼类,从鱼类繁殖、鱼卵孵育、仔鱼生长需要跨越较大的时空^[16-17],易受到外界环境的影响,具有重要的生态代表性和研究价值。试验所需10日龄草鱼仔鱼均取自重庆市永川水花鱼养殖合作社(地理位置:105.9°E,29.263°N)的人工驯养亲本种群。

选取同期、同批次的健康发育至10日龄的仔鱼约100 000尾,分别装入充氧袋中;而后将充氧袋置于保温箱,立即运输至长江上游涪陵区清溪段的航道水下爆破施工现场(地理位置:107.472°E,29.810°N)。抵达现场后,草鱼仔鱼被轻柔地转移至600 L容量的暂养网箱(网目1 mm)后悬浮于江水表层以下约0.5 m处[水温(21±1) ℃],完成不少于2 h的过温过水,以最大限度消除运输、水温、水质差异造成的应激反应。

1.2 现场试验

水下钻孔爆破现场试验位于长江上游涪陵江段(图1),施工船先按照常规爆破清礁作业,完成单排15孔和孔间距2.5 m钻孔,装填单孔最大装药量为26 kg,总装药量300 kg的乳化炸药;之后施工船上移60 m,避开爆破核心影响范围, 并做好间隔为30 ms的延时串联网络起爆准备。紧接着,以该固定的施工船为上游起点,使用另外一艘小型的交通船将提前装有约2 000尾草鱼仔鱼的鱼笼按照固定间距(距离爆源0、40、60、80、100、200、300、500和800 m)悬挂于长绳上,放完鱼笼的交通船作为下游固定支撑点,同时将过温过水但未经水下爆破冲击波影响的仔鱼作为空白对照组。鱼笼需配重使其浸入水面以下,同时为避免绳子和鱼笼下沉,在适当的位置配有漂浮装置。并在距离爆破点60 m处设置水下压力传感器(TP-SJB-5M)同步记录冲击波压力时程曲线,用于量化各暴露装置位置实际承受的峰值压力、压力冲量及压力波形特征。

鱼笼环形外壁由直径25 cm的高强度聚氯乙烯塑料壁构成,套在网目尺寸1 mm的抗冲刷尼龙网兜内,网兜顶部设有可快速开合的防水卡扣便于安全投放和回收样品。鱼笼顶部和底部既能允许水流通过,又能有效防止试验仔鱼逃逸,并最大限度地减少水流与试验装置对仔鱼造成的直接物理摩擦损伤。

鱼笼和冲击波压力测定装置准备完毕后,立即进行延时爆破,随后开始按顺序依次回收各距离悬挂的鱼笼。鱼笼提出水面后轻柔地转移至事先编号并注满250 L江水的暂养水箱中。水箱置于交通船上,持续进行5 L/min的曝气,并对每个鱼笼里的仔鱼进行死亡个数统计,观察鳃盖运动、自主运动、触碰反应等。而后从每个鱼笼及对照组中分别采集10尾死亡、畸形、表观正常的三类仔鱼,用4%多聚甲醛磷酸盐缓冲液(pH 7.4)固定1 h后4 ℃下保存,用于后续组织学(切片)观察。

水下爆破实时冲击波强度采用Blast-PRO 型爆破冲击波测试仪测定,其采集方式为4独立通道并行同步采集,采集速率4 MHz(每间隔 0.25 μs采集一个数据),量程为±10 V,单次记录最大时长为1 000 ms。

1.3 试验室培养

试验后存活的草鱼仔鱼经现场观察和样本采集后转移至充氧袋中,立即带回试验室进行持续5 d的培养和观测,以评估仔鱼遭受爆破冲击波影响后的存活和生长发育情况。仔鱼培养在多个独立控温的5 L塑料桶中进行。每个距离及对照组的存活个体独立孵育。仔鱼后续培养条件为:溶解氧维持在>8 mg/L,水温控制在(20±0.5) ℃,光周期设定为14 h光照+10 h黑暗。培养过程中每日观察并记录仔鱼存活率,随机抽取各组5尾仔鱼在轻度麻醉下使用体视显微镜对仔鱼卵黄囊吸收状态、鳔充气状态、形态畸形进行观测,拍摄清晰的个体及特定结构照片用于记录和后续分析;每日清除死亡仔鱼和粪便,并使用经曝气除氯的自来水进行30%换水。设置严格的对照组,其饲养条件与爆破经历组完全相同。

1.4 切片测定

将前期现场采集保存于4%多聚甲醛中的仔鱼样品从固定液取出,将仔鱼固定好并与对应的标签放于包埋框内。将包埋框脱水盒放进脱水机内依次梯度酒精进行脱水。之后浸入75%酒精4 h,85%酒精 2 h,90%酒精2 h,95%酒精1 h,无水乙醇Ⅰ^①30 min,无水乙醇 Ⅱ 30 min,醇苯 5~10 min,二甲苯 I 5~10 min,二甲苯 Ⅱ 5~10 min,65 ℃ 融化石蜡 I 1 h,65 ℃ 融化石蜡 Ⅱ 1 h,65 ℃ 融化石蜡 Ⅲ 1 h(①表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ成分相同,仅为区分组别)。将浸好蜡的组织于包埋机内进行包埋。先将融化的蜡放入包埋框,待蜡凝固之前将仔鱼从脱水盒内取出按照包埋面的要求放入包埋框并贴上对应的标签。于-20 ℃冻台冷却,蜡凝固后将蜡块从包埋框中取出并修整蜡块。将修整好的蜡块置于石蜡切片机切片,厚度为 4 μm。切片漂浮于摊片机 40 ℃ 温水上将组织展平,载玻片将组织捞起,60 ℃ 烘箱内烤片。水烤干蜡烤化后取出常温保存。之后通过显微镜进行切片观察,记录仔鱼神经系统,感觉器官,鳔,肌肉骨骼系统与鳃等组织的变化。

1.5 数据分析

对不同距离梯度(包括对照组)的仔鱼瞬时死亡率进行单因素方差分析,检验不同距离对死亡率影响的整体显著性。若 ANOVA 结果显示组间存在显著差异(P<0.05),则进行事后检验(post-hoc test),以确定哪些具体距离组与对照组之间,以及关键距离组之间的死亡率存在统计学显著差异,对于组织损伤指标与死亡率之间的关系,采用Spearman 秩相关分析进行检验,(显著性水平α=0.05)。

2 结果

2.1 爆破冲击波对仔鱼的瞬时损伤

现场实测数据显示,60 m 处冲击波压力时程曲线(图2)反映了水下钻孔爆破产生的冲击波特征。完整的冲击波持续时间极短,从产生到结束在 20 ms 内完成。根据图2中测得冲击波压力时程曲线可以看出,在相同工况的爆破工程中,距钻孔爆破中心一定距离处的冲击波压力随时间的衰减曲线,可以近似用长江上游朝天门至涪陵段航道整治工程适用的 Cole 压力公式P_m=39.76(Q_p/R)^1.57,其中 Q_p=26 kg 为单孔最大药,R为距离爆破中心的横向距离,计算得到各试验距离梯度(R_x)对应的理论峰值压力(P_m_x)与试验仔鱼的即时死亡率结果如表1所示。

表1结果表明,草鱼仔鱼的瞬时死亡率与距爆破源的距离(R_x)以及计算所得的理论峰值压力(P_m_x)均呈现出显著的负相关关系。随着距离增加(R增大)和峰值压力降低(P_m减小),仔鱼的死亡率总体上呈现出明确的下降趋势。在0~80 m近场范围内,理论峰值压力处于极高水平(6.809×10⁵~20.217×10⁵ Pa),仔鱼表现出毁灭性的瞬时死亡率(95.20%~100.00%)。冲击波的高能量密度对仔鱼的生存构成了绝对威胁。在80~100 m区间内是仔鱼死亡率发生急剧变化的关键区域。当距离从80 m (P_m约为6.81×10⁵ Pa) 增加至 100 m (P_m约为4.80×10⁵ Pa) 时,死亡率从95.20%断崖式下降至52.10%。4.80×10⁵ Pa 可视为导致死亡率骤降的一个临界压力阈值点。而在100 m以外的远场区,随着距离继续增加(R>100 m)和峰值压力进一步降低(P_m<4.80×10⁵ Pa),仔鱼死亡率从52.10%持续下降至21.50%,但其下降速率明显趋于平缓。

图3呈现了草鱼仔鱼经水下爆破冲击波作用后的瞬时损伤特征。重度损伤个体表现为体腔内脏完全破裂,脊柱断裂,鳃盖运动完全停滞,无自主游动行为,触觉刺激无应答,最终死亡。中度损伤个体可见体腔内广泛出血,头眼部损伤,鱼鳔破裂,鳃盖运动频率显著降低,自主游动能力极弱,触觉刺激应答迟缓,死亡率高。

2.2 仔鱼遭受爆破冲击后的生长发育情况

现场试验后的仔鱼带回实验室持续培养观察后发现,水下爆破冲击波对仔鱼的损伤存在长期影响。如表2所示,各距离梯度仔鱼在爆破后4 d内的死亡率呈现显著区别,近距离组(≤200 m)的持续性高死亡现象。100 m组培养第1天死亡率增至65.20%,第4天达97.86%,表明冲击波造成不可逆的器质性损伤。200 m组第1天死亡率升至74.29%,随后稳定在80%以上,说明该距离仔鱼虽能短暂存活,但已丧失自我修复能力。300 m组死亡率为31.30%,整体维持在约30%,显著低于近距离组(P<0.01)。500 m组培养1 d后死亡率缓升至35.80%,与对照组(28.40%)无显著差异(P>0.05),表明此距离可作为长期生存的安全阈值。800 m组第4天实验室培养累计死亡率为25.16%,与对照组变化趋势一致(Log-rank检验P=0.87),表明冲击波影响可忽略。

图4展示了受爆破冲击的草鱼仔鱼在试验室培养条件下的生长发育动态。重度损伤存活个体在培养周期内存活率急剧下降,4 d内几乎全部死亡,鳔充气率不足30%,且伴随持续性躯体畸形与内脏出血。中度损伤个体培养初期存活率大幅降低,后期下降趋势放缓,鳔充气率为 50%~60%,生长发育指标显著低于对照组。轻度损伤个体存活率保持稳定,鳔充气过程基本正常(鳔充气率80%以上),生长发育状态接近对照组。无明显损伤个体的存活率、鳔充气率(95%以上)及生长发育指标均与对照组无显著差异。对照组仔鱼鳔充气正常,体型发育匀称,活动能力强,存活率维持在65%以上。

2.3 爆破冲击波对仔鱼损伤特性

肝脏作为草鱼体内最大的消化腺,是一种被膜包裹的实质器官,其组织结构可明确区分为实质和间质两大组成部分。从组织学角度来看,间质主要由结缔组织构成,这些结缔组织通过深入实质内部的方式实现对肝组织的分隔。在肝脏的微观结构中,可以观察到肝细胞呈现出高度有序的排列,形成典型的双层肝细胞索结构。值得注意的是,这些肝细胞索以中央静脉为中心轴,呈放射状不规则分布,同时在相邻的肝细胞索之间形成了错综复杂且相互通联的网状肝血窦系统,如图5(a)所示。

组织学观察表明,在300~800 m实验组中,肝脏组织开始出现局部点状坏死病灶,然而从整体结构来看,肝脏的基本组织形态仍保持相对完整,如图5(b)~图5(d)所示。随着爆炸距离的逐步接近,可以观察到两个明显的病理变化趋势:一是肝脏组织的坏死程度呈现渐进性加重;二是肝脏组织结构发生明显的碎裂化改变。具体而言,当爆炸距离缩短时,不仅坏死区域显著扩大,而且肝细胞索的排列结构也遭到破坏,导致原本完整的网状结构出现断裂和崩解。这些病理变化充分说明了爆炸冲击波对肝脏组织造成的损伤具有距离依赖性特征。肝脏损伤程度随爆破距离增加呈显著衰减趋势。在0~60 m近爆区[图5(h)~图5(j)],肝组织呈现毁灭性损伤,中央静脉广泛破裂引发大范围出血,肝细胞大面积溶解坏死,肝索结构完全崩解。80~100 m[图5(f)~图5(g)]损伤程度减轻,但仍有超半数肝细胞出现空泡化和核固缩现象,提示代谢功能严重受损。200 m以远区域损伤显著缓解,仅见局部水肿[图5(d)、图5(e)];≥500 m 组[图5(b)]肝细胞排列与结构完整度与对照组[图5(a)]无显著差异。

肾脏作为鱼类重要的排泄和渗透压调节器官,在维持机体内环境稳态中发挥着关键作用。组织学观察显示,草鱼肾脏的皮质与髓质区域分化不明显,其基本功能单位由肾小体和肾小管共同构成。具体而言,肾小体由肾小球和包裹其外的肾小囊组成,而肾小管则依据形态和功能差异进一步分为颈段、近曲小管、远曲小管及集合小管等多个区段[图6(a)]。不同爆炸距离对草鱼肾脏造成的病理损伤呈现渐进性加重的趋势。800 m组的肾脏组织已出现局部坏死病灶[图6(b)],表明即使在中远距离冲击下,肾脏仍会受到一定程度的损伤。500 m组的肾脏除坏死外,还伴随少量点状出血[图6(c)],提示随着冲击强度的增加,血管结构开始受损。而在300 m组中,肾脏组织表现出广泛坏死,同时伴有大量出血[图6(d)],说明近距离爆炸冲击可导致肾脏组织结构严重破坏。总体而言,随着爆炸距离的减小,肾脏的坏死程度和出血现象均呈显著加剧趋势,反映出爆炸冲击对肾脏的损伤具有距离依赖性,肾脏表现出较肝脏更高的损伤敏感性。≤80 m范围内[图6(g)~图6(j)],肾小球结构完全溶解或严重充血(充血率100%),肾小管上皮细胞脱落并形成管型[图6(f)],直接导致排泄功能衰竭。值得注意的是,100 m组肾小管管型形成率高达82.4%,与试验室培养中该组第1天死亡率骤升13.1%显著相关(ρ=0.91),表明肾损伤是延迟性死亡的核心诱因。≥200 m组肾小球结构基本完整[图6(b)~图6(e)],但300 m组仍存在18.9%的管型形成率,提示亚致死损伤风险。

草鱼的体壁主要由表皮层、真皮层和横纹肌层三部分构成[图7(a)]。组织学观察显示,表皮层位于最外层,由复层上皮细胞组成,具有保护功能;真皮层位于表皮下方,富含结缔组织和微血管网络;而横纹肌层作为体壁的主要组成部分,负责鱼体的运动功能。

试验结果表明,爆炸冲击对草鱼体壁的损伤呈现距离加重趋势且肌肉损伤主要表现为力学结构性破坏。在500 m组中,体壁组织开始出现局部坏死,主要集中于肌肉层,表明中距离爆炸冲击已能对鱼体造成可观测的病理损伤。而在300 m组中,损伤程度显著加剧,表现为肌肉层的大面积坏死和结构崩解,形成明显的组织空白区域。此外,表皮和真皮层也受到不同程度的破坏,提示近距离爆炸冲击不仅影响深层肌肉组织,还会波及体表的保护性结构。≤100 m区间[图7(f)~图7(j)]可见横纹肌纤维断裂、排列紊乱及出血性溶解(60 m组出血面积占比64.3%),直接导致仔鱼游泳能力丧失。≥200 m组仅见表皮-真皮连接处轻微充血[图7(b)~图7(e)],肌纤维无结构性损伤。需强调的是,肌肉损伤与死亡率仅呈弱相关(ρ=0.43),证实其非主要致死因素。

3 讨论

3.1 水下钻孔爆破冲击波影响下的漂流仔鱼临界阈值

漂流仔鱼通常体型微小、游泳能力弱,对环境变化的适应能力差。因此,爆破冲击波对漂流仔鱼的影响可能更为严重。漂流仔鱼由于体型小,更容易受到冲击波的直接影响,导致组织损伤和死亡^[11]。爆破冲击波可以直接对生物组织和器官造成损伤。冲击波通过生物体时,会导致组织的压缩和拉伸,引起细胞破裂、出血和炎症反应^[18]。对于仔鱼这类脆弱的生物体,即使是较小强度的冲击波也可能造成致命的损伤,并且对幼鱼的数量和分布产生影响^[11]。研究表明,仔鱼的器官敏感性与发育特征密切相关。鱼鳔作为含气腔室,在冲击波作用下易因空化效应导致腔体塌陷和黏膜撕裂,其损伤阈值显著低于成鱼。例如,硬骨鱼类鱼鳔壁厚普遍较薄^[8],而草鱼仔鱼鱼鳔壁厚仅0.1~0.3 mm,抗压强度较成鱼下降60%以上^[19-20]。这种结构差异使得仔鱼在40 m以内即发生鱼鳔完全损伤。

系统量化了水下钻孔爆破冲击波对漂流仔鱼多器官损伤的距离阈值(表3)。结果表明,仔鱼各器官对冲击波的敏感性存在显著差异:鱼鳔作为含气腔室,在冲击波穿过气-液界面时因空化效应最易受损,其完全损伤边界(≤40 m)与显著损伤边界(≤80 m)均为所有器官中最近,表现为腔体塌陷、充气功能障碍[图3(a)~图3(d)];肾脏虽无气腔,却表现出超敏性(相同距离下损伤评分较肝脏高1.2~1.8级),≤80 m时肾小球滤过结构崩解并伴随高比例管型形成(100 m组达82.4%),直接导致排泄功能衰竭[图6(f)~图6(g)];肝脏损伤以中央静脉破裂和肝细胞溶解为特征,完全损伤边界为≤60 m[图5(h)~图5(j)];肌肉的力学结构性破坏(肌纤维断裂、出血)则与冲击波冲量高度相关(R²=0.94),表明持续应力作用比瞬时高压更具破坏性[图7(f)~图7(j)]。

致死临界距离(100 m)此距离内瞬时死亡率>50%(表1),且肾脏与鱼鳔的不可逆损伤导致试验室培养首日死亡率骤升(100 m组达65.2%,表2),证实其为仔鱼生存的“红线”;亚致死损伤边界(200~300 m)瞬时死亡率降至约40%,提示此距离仍需防护;安全距离(≥500 m)各器官损伤评分与对照组无差异(肝P=0.67,肾小球结构完整),试验室累计死亡率(35.8%)与对照组(28.4%)无统计学差异(P>0.05),可视为生态安全阈值。

这一结果修正了传统仅依赖峰值压力(Cole公式)的评估局限,仔鱼因鱼鳔存在和薄体壁结构,其损伤阈值(P_m=0.383×10⁵ Pa)显著低于成鱼(通常>5 MPa),强调需针对早期生活史阶段制定独立防护标准。

3.2 冲击波对漂流仔鱼的损伤机制

仔鱼对爆破冲击波的高度敏感性源于其早期发育阶段独特的、未成熟的生物学结构,这些结构特征显著加剧了冲击波的物理传导效应和器官损伤风险。与具备完善防护机制的成鱼相比,仔鱼的体壁构成是其首要脆弱点。10日龄草鱼仔鱼的体壁仅由2、3层疏松的结缔组织构成,骨骼系统尚未钙化,且其鳔(若存在)囊壁薄、含气量不稳定^[21]。这种低密度、低刚度的体壁结构对冲击波能量的吸收和耗散能力极弱,导致绝大部分冲击能量可直接穿透体壁,高效传递至内部脏器。这形成了显著的解剖学差异。其次,有鳞成年鱼类能够通过鳞片的弹性变形、皮下脂肪层以及强韧的真皮层有效吸收和分散冲击能量^[22-23];而仔鱼则几乎完全缺乏此类机械缓冲机制。此外,鱼鳔的气腔在冲击波作用下极易产生共振与空化效应,这本身也是重要的损伤源^[24]。值得注意的是,无鳔鱼类避免了气腔共振损伤,其防护距离可以显著缩短。李文杰等^[2]明确指出,由于缺乏气腔结构,冲击波能量在无鳔鱼类中主要通过体表直接传导,导致其临界安全波压阈值(即引起损伤的最低冲击波压力)较同体型有鳔鱼类低30%~50%。这进一步凸显了体壁结构在决定冲击波易感性中的核心作用。

在内部器官中,发育中的肾脏因其特殊的结构和功能状态而成为对冲击波次敏感的靶点。仔鱼肾脏处于发育早期,肾单位尚未完全分化成熟。肾小管上皮细胞间连接(如紧密连接蛋白ZO-1)极其松散且表达量显著低下(仅为成鱼水平的约40%)^[25],以及肾小球基底膜异常薄弱(厚度不足成鱼的1/3)^[26]。这种结构上的不成熟使得肾小管上皮在冲击波产生的剧烈剪切力作用下极易发生脱落,脱落的细胞与管腔内蛋白等物质极易形成管型,阻塞肾小管腔。相比之下,成鱼肾脏拥有完全成熟的肾单位结构、强韧的肾小球基底膜以及丰富的间质支撑组织,其整体结构完整性显著增强了抵抗冲击波剪切应力的能力^[27]。这种结构脆弱性直接反映在功能损伤的时效性上。Cobbina等^[28]进行的多物种对比研究表明,鲑科鱼类幼体在暴露于爆破冲击波后24 h内,急性肾损伤的标志物,如中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin, NGAL)即出现显著升高;而达到相同损伤程度的NGAL升高,在成年个体中则需要长达72 h。这一时间差异生动地印证了仔鱼肾脏在冲击波暴露下的极端脆弱性和快速损伤进程,与其未成熟的结构特征直接相关。

综上所述,仔鱼体壁的结构性薄弱是其遭受冲击波损伤的第一道关键弱点,极大地促进了冲击能量向内传递。而发育中的肾脏,则因其肾单位结构未成熟、细胞连接松散和基底膜薄弱,成为冲击波作用下极易发生急性功能性阻塞和损伤的次级敏感器官。这两个关键解剖生理特征共同构成了仔鱼对爆破冲击波具有高敏感性的核心生物学基础。

3.3 爆破冲击波的对草鱼仔鱼的隐性损伤

爆破冲击波对生物体的危害不仅限于直接且显著的物理损伤,还可能诱发深远的、潜在的健康问题,尤其是在生物体的早期发育阶段^[11]。研究聚焦于爆破冲击波对漂流仔鱼的潜在影响,特别关注其可能导致的隐性损伤、发育障碍及其潜在的生物学机制。

首先,在神经系统层面,冲击波的影响不容忽视。Vogel等^[29]研究表明,爆震引起的原发性爆炸伤可通过破坏突触蛋白抑制海马体的长期增强作用,进而损害学习和记忆功能。更为普遍的是,爆炸冲击波可导致脑组织损伤、破坏血脑屏障,并干扰神经元的正常功能^[2,29]。鉴于仔鱼神经系统处于发育关键期,此类损伤极可能引发行为异常和认知功能障碍^[30-31]。其次,在免疫系统方面, 冲击波亦构成显著威胁。Arroyo等^[32]指出,爆破冲击波可损害免疫细胞功能,诱发免疫反应失调。这种免疫系统功能障碍将显著增加仔鱼对病原体的易感性,从而危及其生存与生长潜力。此外,爆破冲击波还可能干扰内分泌系统的稳态。内分泌功能的紊乱可直接或间接影响仔鱼的生长、发育进程乃至未来的生殖能力^[33-34]。在分子层面, 冲击波被证实能诱导基因表达谱发生改变^[35]。这种基因表达的异常不仅影响细胞的正常生理功能,也可能干扰发育程序,最终导致仔鱼出现多种发育异常和生理功能障碍。

上述机制的共同作用,最终体现为仔鱼在形态与行为上的显著异常。具体而言,爆破冲击波可导致脊柱畸形、心脏发育异常及脑损伤等多种形态学缺陷^[36]。Armstrong等^[37]行为学研究揭示了冲击波暴露仔鱼常伴随运动障碍、觅食行为异常以及对捕食者反应迟钝等问题。值得关注的是,冲击波还可能激活炎症通路,释放炎症因子并加剧组织损伤^[32]。Wang等^[38]研究表明,冲击波亦能诱导细胞凋亡,导致组织细胞数量减少并损害器官功能。

4 结论与建议

(1)修正了基于成鱼模型的传统安全判据,证实了仔鱼的耐受阈值显著低于成鱼,通过现场实测数据确立了500 m为长江草鱼仔鱼的绝对生态安全距离(包含延迟性死亡风险),量化了工程爆破对鱼类早期生活史阶段影响。此外,揭示了“冲击波-肾脏损伤-延迟死亡”的病理链条。结果表明,肾小球结构的微观损伤(亚致死效应)是导致仔鱼在爆破后4 d内发生延迟性死亡的核心诱因,证实了组织学评估比单纯的死亡率统计具有更高的灵敏度。这表明传统基于成鱼模型的防护标准需针对性修正,仔鱼因生理结构脆弱性和早期发育阶段的代谢特征,其损伤阈值显著低于成鱼,需建立基于物种敏感性的差异化防护体系。

(2)为响应“长江大保护”战略并在“黄金水道”建设中落实生态优先原则,针对长江上游航道整治工程提出以下针对性建议:一是实施基于“生态红线”的时空精准避让机制。鉴于长江上游宜宾—江津江段是草鱼等四大家鱼国家级种质资源保护区的核心区,建议工程建设严格执行“爆破窗口期”制度。避免在5—6月鱼类繁殖高峰期及仔鱼漂流期进行水下爆破作业。在非禁爆期,应在已知产卵场上下游500 m范围(即研究确定的安全阈值)划定生态红线,若工程必须穿越该区域,须通过各级主管部门审批并实施最高等级防护。二是采用适应山区河道急流环境的组合防护技术。长江上游水流湍急,传统气泡帷幕易漂移失效。建议在爆破施工中强制推广“双层加重型管架气泡帷幕”,确保气幕在急流中保持形态稳定(气幕厚度≥5 m,气水比1∶3),以实现冲击波峰值压力削减60%~80%的目标。同时,推广电子数码雷管毫秒延时起爆技术(孔间延时≥50 ms),从源头上实现“微差降震”,控制单响药量,防止能量叠加超过仔鱼致死阈值。三是建立“监测-预警-补偿”的动态管理体系。建议在涉水工程现场部署水下冲击波超压实时监测系统,一旦监测值接近0.383×10⁵ Pa警戒值,立即熔断施工并调整爆破参数。此外,针对无法完全避免的亚致死损伤和潜在生态损失,建议工程建设方设立专项生态补偿基金,用于草鱼等重要经济鱼类的人工增殖放流及产卵场生境修复,以人工手段补充因工程建设造成的仔鱼资源损失,切实平衡航运开发与水生生物保护的关系。

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