凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的可行性研究Ⅱ
——供試體附著生物種類與生物量

陳勇田濤趙子儀劉永虎楊軍陳辰

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

凝石膠凝材料作為人工魚礁材料的可行性研究Ⅱ
——供試體附著生物種類與生物量

陳勇,田濤,趙子儀,劉永虎,楊軍,陳辰

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

將用凝石膠凝材料制作的水灰比為0.60、0.55、0.49、0.44的4種凝石供試體和相同水灰比的4種水泥供試體同時投放到同一海域中進行150 d的生物附著對比試驗,每隔30 d觀察并測定1次供試體表面附著生物的種類和生物量。結(jié)果表明:1)投放第30天時,凝石供試體與水泥供試體均無生物附著;第60天、第90天、第120天時,兩種供試體表面附著生物的種類相同,均為10種;第150天時,兩種供試體表面附著生物的種類相同,均為13種,主要有孔石莼Ulvapertusa、刺參Apostichopusjaponicus、蝦夷馬糞海膽Strongylocentrotusintermedius、矮擬帽貝Patelloidapygmaea等。2)投放第60天和第90天時,凝石供試體附著生物總量低于水泥供試體,但第90天時,凝石供試體附著生物量的增加速度明顯快于水泥供試體;第120天時,凝石供試體附著生物總量已超過水泥供試體;第150天時,凝石供試體附著生物量平均值為344.85 g/cm2,水泥供試體附著生物量平均值為260.15 g/cm2,凝石組明顯高于水泥組。3)投放第150天時,4種水灰比的凝石供試體附著生物量平均值分別為58.63、79.32、89.66、117.25 g/cm2,可見在試驗范圍內(nèi),凝石供試體表面附著生物量隨著水灰比的降低即凝石膠凝材料含量的增加而增大。試驗表明,凝石膠凝材料作為人工魚礁的造礁材料在生物附著方面比水泥具有優(yōu)越性,因而凝石膠凝材料作為人工魚礁造礁材料具有實用性。

凝石;人工魚礁材料;附著生物;海洋牧場

在近些年的海洋牧場建設(shè)和發(fā)展過程中,人工魚礁的生態(tài)效應(yīng)越來越明顯,已引起人們的廣泛關(guān)注。目前,對人工魚礁的研究主要集中在人工魚礁的集魚功能、環(huán)境功能、餌料效應(yīng)、造礁材料等方面[1-11]。而對于利用廢棄物作為主材料制作人工魚礁的研究較少。在提倡低碳節(jié)能的大環(huán)境下,選擇節(jié)能環(huán)保的魚礁材料制造人工魚礁必將成為人們研究的新課題。

凝石膠凝材料是以高爐水淬礦渣、建筑石膏、硅酸鹽水泥熟料、普通硅酸鹽425水泥以及其他化學(xué)激發(fā)劑為主要原料,在常溫、常壓條件下生產(chǎn)出的高性能新型水泥產(chǎn)品[3]。以凝石膠凝材料作為人工魚礁的造礁材料,不僅可以提高礦渣等工業(yè)廢棄物的利用率,降低人工魚礁的造礁成本,而且還可以減少傳統(tǒng)造礁材料的水泥使用量,有利于節(jié)能環(huán)保[4]。

人工魚礁的附著生物種類與數(shù)量是考核人工魚礁生態(tài)效應(yīng)的重要指標,因此,對人工魚礁表面附著生物的研究也較多[5-14]。黃梓榮等[5]對不同人工魚礁材料的生物附著效果進行了比較研究,認為表面粗糙的混凝土板、涂有紅丹防銹漆的木板、涂有綠漆的鐵板和灰色塑料板的附著效果最好。柿元皓[6]認為,附著生物的數(shù)量與水深、透明度存在著密切的關(guān)系。張偉等[7,10]研究表明,受海水環(huán)境和氣候等因素影響,礁體附著生物的種類組成和數(shù)量出現(xiàn)明顯的時空變化。安永義暢等[8]研究表明,魚礁表面的生物著生量通常在其上面及側(cè)面較大,投放在淺水域的魚礁比深水域的魚礁生物著生量大,其原因是光照充分。芹澤如比古等[9]研究表明,魚礁表面的附著生物總量,在一定時間內(nèi)逐漸增大,水深35 m處的魚礁,9個月后其表面完全被附著生物覆蓋,一年后就可形成大型藻類群落。筆者已通過試驗證明了以凝石膠凝材料作為人工魚礁材料在抗壓強度和對海水pH值的影響方面均優(yōu)于水泥材料[4]。在此基礎(chǔ)上,本研究中將凝石供試體和水泥供試體投放到海中,進行生物附著的對比試驗,旨在比較其表面附著生物的種類和數(shù)量,研究其在海洋中的生物附著性能,進一步探討凝石膠凝材料作為人工魚礁造礁材料的實用性。

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)人工魚礁抗壓強度的要求,按照水泥混凝土配合比計算方法,設(shè)計4種水灰比0.60、0.55、0.49、0.44,將凝石和水泥兩種材料各制成4種水灰比的供試體 (表1),規(guī)格為30 cm×30 cm×10 cm,每組各3塊,共制作供試體24塊。試驗所用供試體的抗壓強度、pH值見文獻 [4]。所有供試體經(jīng)淡水養(yǎng)護28 d后同時投放到同一海域中,用基座固定供試體,防止被海浪沖離原位置。試驗在大連海洋大學(xué)南部海域潮間帶進行,海底底質(zhì)為砂石底。試驗時間從2009年5月25日至2009年10月18日。試驗期間共采樣5次,采樣日期分別為6月23日、7月23日、8月22日、9月21日及10月21日,即供試體投放后的第30天、第60天、第90天、第120天和第150天。

表1 供試體的編號及設(shè)計要求Tab.1 Themodule group and the experimental design

1.2 取樣方法

于低潮時取樣,在每塊供試體上隨機取樣5組,每組為2 cm×2 cm(用游標卡尺量定),用小刀將各組附著生物取出裝瓶,用體積分數(shù)為5%的福爾馬林溶液固定后密封、標記。將樣品帶回實驗室進行種類鑒別,用烘箱 (80℃)烘干樣品,用電子天平稱重。

1.3 附著生物量的計算

附著生物量按照下式計算:ρ=m/s,

式中:ρ為附著生物量 (g/cm2);m為樣方內(nèi)附著生物干重 (g);s為樣方的面積 (cm2)。

在多數(shù)報紙發(fā)行量不斷下滑之際，確也有一些例外，《南方日報》就是其一。作為廣東省主打高端讀者群的權(quán)威政經(jīng)大報，其發(fā)行量不但沒有萎縮，反而在不斷增加，究其原因，是因為其嚴肅性和權(quán)威性是移動媒體無法取代的，加之現(xiàn)在整個社會對于正能量的認可，自然促進了黨報的發(fā)行。

2 結(jié)果

2.1 供試體附著生物種類

第1次采樣時,表層水溫為13.2℃,鹽度為32。此時供試體已投放海中30 d,肉眼觀察兩種材料的供試體表面均無附著生物。

第2次采樣時,表層水溫為18.8℃,鹽度為32.5。此時供試體已投放海中60 d,兩種供試體表面均附著有少量生物,優(yōu)勢種均為孔石莼Ulvapertusa,附著生物種類均為10種。(表2)。

第3次采樣時,表層水溫為24.6℃,鹽度為32.7。此時供試體已投放海中90 d,兩種供試體表面的附著生物量明顯增多,優(yōu)勢種均為孔石莼,附著生物種類仍為10種,但附著生物種類卻開始發(fā)生變化,供試體上發(fā)現(xiàn)少量絨毛近方蟹Hemigrapsuspenicillatus和大連紫海膽Strongylocentrotusnudus(表2)。

第4次采樣時,表層水溫為17.3℃,鹽度為32.6。此時供試體已投放海中120 d,兩種供試體表面已布滿了附著生物,優(yōu)勢種均為孔石莼,附著生物種類仍為10種,并發(fā)現(xiàn)了較多的三棱骨螺(表2)。

表2 兩種供試體附著生物名錄Tab.2 The species com position attached on the two tested modules

第5次采樣時,表層水溫為14.8℃,鹽度為32.2。此時供試體已投放海中150 d,附著生物基本覆蓋了兩種供試體的表面,優(yōu)勢種均為孔石莼,附著生物種類為 13種,新發(fā)現(xiàn)的蜈蚣櫛蛇尾Cphiocomascolopendrina數(shù)量很少 (表2)。

2.2 供試體附著生物量

第2次采樣時,凝石供試體附著生物量平均值為81.91 g/cm2,水泥供試體附著生物量平均值為128.11 g/cm2(表3),凝石供試體的生物附著量低于水泥供試體。凝石供試體各組中,S1組的附著生物量最少,為16.38 g/cm2,S4組的附著生物量最多,為25.39 g/cm2;水泥供試體各組中,C1組的附著生物量最少,為28.18 g/cm2,C4組的附著生物量最多,為37.15 g/cm2(圖1)。隨著凝石膠凝材料和水泥含量的增加,兩種供試體的附著生物量均增大。兩種材料供試體的優(yōu)勢種均為孔石莼,均占附著生物總量的83%以上。

第4次采樣時,凝石供試體附著生物量平均值為180.44 g/cm2,水泥供試體附著生物量平均值為173.36 g/cm2(表3),凝石供試體的生物附著量略高于水泥供試體。凝石供試體各組中,S1組的附著生物量最少,為28.87 g/cm2,S4組的附著生物量最多,為70.37 g/cm2;水泥供試體各組中, C1組的附著生物量最少,為31.21 g/cm2,C4組的附著生物量最多,為64.14 g/cm2(圖1)。隨著凝石膠凝材料和水泥含量的增加,兩種供試體的附著生物量均增大。兩種材料供試體的優(yōu)勢種均為孔石莼,均占附著生物總量的77%以上。

第5次采樣時,凝石供試體附著生物量平均值為344.85 g/cm2,水泥供試體附著生物量平均值為260.15 g/cm2(表3),凝石供試體的生物附著量明顯高于水泥供試體。凝石供試體各組中,S1組的附著生物量最少,為58.63 g/cm2,S4組的附著生物量最多,為117.25 g/cm2;水泥供試體各組中,C1組的附著生物量最少,為52.03 g/cm2,C4組的附著生物量最多,為85.85 g/cm2(圖1)。隨著凝石膠凝材料和水泥含量的增加,兩種供試體的附著生物量均增大,但凝石組的增長速度明顯比水泥組快。兩種材料供試體的優(yōu)勢種均為孔石莼,均占附著生物總量的52%以上。

表3 第2次～第5次采集樣品的生物附著總量Tab.3 The total biomass of the attached organisms samp led from the second times to the fifth times g/cm2

3 討論

3.1 供試體附著生物種類的變化

人工魚礁投放到海里,會使人工魚礁周圍海域的非生物環(huán)境,如流場、光場、聲場、底質(zhì)地形等發(fā)生變化,非生物環(huán)境的變化又會引起生物環(huán)境的變化,其中一個明顯變化就是人工魚礁表面會有許多生物的附著和生長繁衍[1]。人工魚礁的附著生物為其他生物提供了餌料場和棲息場,因此,會吸引更多的海洋動物前來索餌、繁衍和棲息,這也是淺海人工魚礁的重要生態(tài)功能之一。附著生物群落的種類組成以及數(shù)量變化受到包括海域溫度、鹽度、水深和氣候特征等各種環(huán)境因子以及礁體材料等因素的影響[10]。大連海洋大學(xué)人工魚礁試驗區(qū)位于大連的西南側(cè),在地理上屬于中緯度海區(qū),試驗期間的水溫為13.2～24.6℃,鹽度為32.0～32.7。該魚礁區(qū)的附著生物主要附著期為4—10月,繁殖盛期在7、8、9月[11,14],因此,投礁時間選擇在高溫的夏秋進行,更有利于附著生物的附著和生長。水溫是劃分海洋動物區(qū)系的主要因素之一,人工魚礁區(qū)海水溫度的變化與礁區(qū)生物組成密切相關(guān)[13]。從本試驗中5次采樣結(jié)果可以看出,供試體上附著生物種類的變動和附著生物量的變化,受溫度、鹽度等環(huán)境因子的影響較明顯。

本研究中的供試體于2009年5月25日投放到海中,但在供試體投放后的第30天時并沒有觀察

到有生物附著。主要原因是水溫偏低,其次可能與供試體的堿性物質(zhì)釋放有關(guān),因為在前期研究中發(fā)現(xiàn)兩種材料的供試體在海水中浸泡第30天時,水泥和凝石供試體的平均 pH值分別為10.50和9.04,均高于海水pH值8.86,可能會對生物附著產(chǎn)生影響[4]。投放后第60天時,觀察到了供試體上均有生物附著,隨著供試體被海水浸泡時間的延長以及季節(jié)的變化,試驗水域的海水溫度逐漸升高,供試體表面附著生物種類也逐漸增多,在7、8、9月的第2、第3、第4次采樣中,凝石供試體和水泥供試體表面的附著生物種類均達到10種,其中優(yōu)勢種均為孔石莼。而在10月份進行的第5次采樣中,兩種供試體的附著生物種類明顯增加,多達13種。但兩種供試體的附著生物種類沒有差別。

圖1 第2次～第5次采集樣品的附著生物量Fig.1 The attached biomass from the sam ples collected from the second times to the fifth times

3.2 供試體附著生物量的變化

本試驗中的供試體于同一海區(qū)內(nèi)依次擺放,其周圍環(huán)境因子的變化基本一致,附著生物量的變化主要取決于水溫的變化。

本研究中,供試體投放60 d時,凝石供試體與水泥供試體的附著生物量平均值分別為81.91 g/cm2和128.11 g/cm2,凝石供試體比水泥供試體低22%。供試體投放90 d時,凝石供試體與水泥供試體的附著生物量平均值分別為133.36 g/cm2和163.00 g/cm2,凝石供試體比水泥供試體低10%左右;凝石供試體的附著生物量增長了63%,水泥供試體的附著生物量增長27%,凝石供試體附著生物量的增加速度快于水泥供試體;凝石供試體的附著生物中,孔石莼的增量最大,達到52%。供試體投放120 d時,凝石供試體和水泥供試體的附著生物量平均值分別為180.44 g/cm2和173.36 g/cm2,此時凝石供試體的附著生物量已經(jīng)大于水泥供試體,凝石供試體比水泥供試體高2%左右;凝石供試體的附著生物量增長35%,水泥供試體的附著生物量增長了6%;凝石供試體附著生物中,孔石莼增量最大,為34%,增量較高的附著生物還有蝦夷馬糞海膽、習(xí)見織紋螺。供試體投放150 d時,凝石供試體與水泥供試體的附著生物量平均值分別為344.85 g/cm2和260.15 g/cm2,凝石供試體比水泥供試體高14%左右;凝石供試體的附著生物量增長91%,水泥供試體的附著生物量增長了50%;凝石供試體附著生物中,孔石莼增量最大,為29%,增量較高的附著生物還有刺參、蝦夷馬糞海膽、角叉菜、麗口螺、習(xí)見織紋螺、矮擬帽貝、三棱骨螺?？梢?在試驗范圍內(nèi),隨著海水浸泡時間的延長(120 d以上),凝石供試體的附著生物總量越來越高于水泥供試體。

經(jīng)過150 d的海水浸泡,4種水灰比的凝石供試體附著生物量分別為 58.63、79.32、89.66、117.25 g/cm2,4種水灰比的水泥供試體附著生物量分別為52.03、57.23、65.04、85.85 g/cm2,凝石供試體和水泥供試體的附著生物量均隨水灰比的降低即凝石和水泥含量的增加而增大。但相同水灰比下,凝石組供試體的附著生物總量比水泥組供試體的要高,且水灰比越低,差異越明顯。這是由于相同水灰比的凝石供試體的抗壓強度比水泥供試體高[4],有利于生物的附著。由此說明,凝石供試體比水泥供試體更適于生物附著。

通過供試體在潮間帶的生物著生試驗可以看出,在投放90 d時,凝石供試體的附著生物量增加速度快于水泥供試體,到120 d時附著生物量已超過水泥供試體,說明凝石膠凝材料作為人工魚礁造礁材料在生物附著方面比水泥具有優(yōu)越性,因而凝石膠凝材料作為人工魚礁造礁材料具有實用性。

基于對凝石供試體的強度、浸泡海水的pH以及附著生物試驗的比較,課題組于2010年9月將用此材料制作的試驗魚礁批量投放到指定海域中,進一步觀測其附著生物的群落構(gòu)成與變化。圖2-A為投入到大連獐子島海域的凝石魚礁 (投礁前),圖2-B為凝石魚礁投放海中半年后 (2012年6月)的水下照片。

圖2 凝石魚礁成品及其在海中的生物著生效果Fig.2 Congealing stone artificial reef and the attached biomass in the sea

從圖2-B可見,海帶、孔石莼等大型藻類開始著生在魚礁表面,其群落的結(jié)構(gòu)變化及其生態(tài)功能,將后續(xù)報道。

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The feasibility of congealing stonematerials used as artificial reef --the species com position and biomass of organism s attached to the tested modules

CHEN Yong,TIAN Tao,ZHAO Zi-yi,LIU Yong-hu,YANG Jun,CHEN Chen
(Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Four kinds ofmodules prepared by congealing stone material at a water cement ratio of 0.60,0.55, 0.49,and 0.44 were displaced in the same area for150 days and the species composition and biomass of organisms attached to surface of the tested modulesweremonitored in a 30 day interval.The results showed that:1)No organismswere found to be attached to the tested modules on the 30th day.The same species(about10 species)of the organisms attached to the surface of the tested moduleswere observed on the 60th day,90th day,and 120th day. On the150th day,therewere 13 species on the surface of the two testedmodules,including seaweedUlvapertusa, sea cucumberApostichopusjaponicus,sea urchinStrongylocentrotusintermedius,and clamPatelloidapygmaea.2) On the 60th day and 90th day,there were lower biomass attached to the congealing stone tested modules than on the cement tested modules,even though on the 90th day.The biomass showed more rapid increase on the congealing stone testedmodules than those on the cement testedmodules.On the 120th day,however,the biomass on the congealing stone tested modules had more than on the cement tested modules,averaging 344.85 g/cm2on the congealing stone tested modules,significantly higher than that on the cement group(260.15 g/cm2)on the 150th days.3)On the 150th day,therewere biomass of58.63,79.32,89.66,117.25 g/cm2on the four kinds ofwater cement ratio in the congealing stone tested modules,indicating that in the experiment the biomass attached to the tested module surfaceswas increased with the decrease in water cement ratio.These findings suggested that the congealing stonematerial as artificial reefs in biological attachment had the superiority to the cement reefs.

congealing stone;artificial reefmaterial;attach organism;ocean ranching

S953.1

A

2012-07-08

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項 (200805030);農(nóng)業(yè)部 “948”項目 (2011-G29(2));公益性行業(yè) (農(nóng)業(yè))科研專項(200903005);遼寧省科技攻關(guān)項目 (2011228001)

陳勇 (1956-),男,博士,博士生導(dǎo)師,教授。E-mail:chenyong@dlou.edu.cn

2095-1388(2012)04-0344-06