獐子島海洋牧場海域人工魚礁區(qū)投礁前的生態(tài)環(huán)境調查與評估

田濤，陳勇，陳辰，劉永虎，陳雷，王剛，張曉芳

(1.大連海洋大學 遼寧省海洋牧場工程技術研究中心，遼寧 大連116023;2.獐子島集團股份有限公司，遼寧 大連116001)

自20世紀80年代以來，國內外學者對作為漁業(yè)發(fā)展方向的海洋牧場進行了諸多實驗研究和生產性探索，獲得了許多有推廣價值的技術和成果［1-2］。投放人工魚礁是海洋牧場建設的主要生態(tài)工程之一，通過投放人工魚礁可以改善海域生態(tài)環(huán)境，建設漁場和增養(yǎng)殖場。中國從20世紀70年代末開始，陸續(xù)在沿海海域實驗性地投放了一些魚礁，產生了一定的生態(tài)及經濟效益［3-4］。研究及實踐表明，投放人工魚礁后是否能產生顯著效益，與其海域的自然環(huán)境和生物因子密切相關。

獐子島位于北緯39°，盛產海參、鮑、扇貝、海膽、海螺、大瀧六線魚和許氏平鮋等多種海產品，素有“黃海明珠”之美譽。擬投放人工魚礁的獐子島海域為黃海近岸主要作業(yè)漁場，經過多年大規(guī)模高強度捕撈，特別是底拖網作業(yè)導致海洋生態(tài)環(huán)境受到一定程度的破壞，漁業(yè)資源的可持續(xù)利用也受到了影響。亟需通過人工魚礁的建設，修復和優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，保護漁業(yè)資源。獐子島海域是中國海洋牧場建設示范區(qū)，本研究中，作者根據(jù)在獐子島海洋牧場人工魚礁區(qū)海域投礁前開展的生態(tài)調查結果，對當年該海域的海洋資源環(huán)境條件等進行分析評估，旨在探討該海域投放人工魚礁的可行性，并為今后評價人工魚礁的資源養(yǎng)護效果［5］提供基礎依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調查海域和時間

調查海域即擬投魚礁海域，范圍為39°0'9″N、122°55'1″E，39°0'9″N、122°55'51″E，39°0'58″N、122°55'51″E，39°0'58″N、122°55'1″E 4 點連線之內的區(qū)域。

采用GPSMAP 60CSx 型全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在擬投人工魚礁海域布設9 個采樣站位。各站位的經緯度如表1所示，調查時間為2010年6月。

1.2 方法

1.2.1 監(jiān)測項目 對擬投魚礁區(qū)域的海洋生物和水文環(huán)境進行觀測和調查，海洋環(huán)境因子的測定項目有水溫、透明度、水深、鹽度、葉綠素a、pH、溶解氧(DO)、無機氮(DIN)、活性磷酸鹽、化學需氧量(COD)等10 項;采用海流計24 h 連續(xù)觀測海域的流速、流向;浮游生物測定項目為浮游動物和浮游植物。

表1 擬投放魚礁海域的調查站位Tab.1 The stations where the artificial reefs are expected to be disposed into

水質因子和浮游生物樣品的采集、保存與分析按《海洋監(jiān)測規(guī)范》［6］和《海洋調查規(guī)范》［7］的有關規(guī)定進行。采用中國《海水水質標準》［8］評價海域水質。

采用地籠網［5］和拖網對底棲生物進行調查。地籠網網籠共30 節(jié)，每節(jié)均有網口，網口的寬、高分別為260、340 mm，網籠的總長、寬和高分別為13、0.4、0.3 m。在每個站位，將兩個網籠連接后放入水中，網籠前后均墜以重石，網籠后端用網繩連接浮漂。拖網調查船為獐子島科研船(功率為110.3 kW)，船速為4 kn，采用阿氏拖網，網口為2 m，拖網時間約20 min。本次調查在擬投礁區(qū)共拖網4次，站位分別為T1、T2、T3、T4(表1)。樣品的采集按《海洋調查規(guī)范》［7］的有關規(guī)定進行。浮游生物的采集采用垂直拖網法，樣品用甲醛溶液固定后，帶回實驗室進行分析鑒定。

1.2.2 評價方法

(1)水質評價。采用標準指數(shù)法評價單項因子對環(huán)境產生的等效影響程度，采用綜合指數(shù)法評價海域水質綜合環(huán)境質量現(xiàn)狀和富營養(yǎng)化水平［9］。

①單項水質評價指數(shù)方法。單項水質因子標準指數(shù)的計算公式為

其中:Si為單項水質因子的標準指數(shù);Ci為各評價因子的實測濃度值;Cs為各評價因子的評價標準值。

DO 的標準指數(shù)計算公式為

其中:SDO，j為DO 的標準指數(shù);DOf為某水溫(T，℃)、氣壓條件下的飽和溶解氧濃度(mg/L)，計算公式為DOf=468/(31.6+T);DOj為j 站位溶解氧的實測值(mg/L);DOs為溶解氧的評價標準限值(mg/L)，按Ⅰ類水質標準取為6.0 mg/L。

pH 的標準指數(shù)計算公式為

其中:SpH，j為pH 的標準指數(shù);pHj為j 站位pH 的測定值;pHsm為pH 的評價標準上限(8.5)和下限(7.8)的平均值(8.15);pHsd為pH 水質標準的下限值。

單項水質分級判定依據(jù)為:指數(shù)S＜1 時為環(huán)境良好區(qū);S=1 ～2 時為輕度污染區(qū);S=2 ～5 時為中度污染區(qū);S=5 ～10 時為重度污染區(qū);S＞10時為嚴重污染區(qū)。

②綜合評價指數(shù)方法。采用分指數(shù)的平均值和最大值平方和的尼羅梅法，此法兼顧了平均分指數(shù)和最大分指數(shù)的影響。計算公式為

其中:WQI 為環(huán)境綜合質量指數(shù);Smax為各項評價因子的最大分指數(shù);Sj為j 站位各項評價因子的分指數(shù)平均值;n 為評價因子的種類數(shù)。

綜合評價分級判定依據(jù)為:指數(shù)WQI＜1 時為環(huán)境良好區(qū);WQI=1 ～2 時為輕度污染區(qū);WQI=2 ～5 時為中度污染區(qū);WQI=5 ～10 時為重度污染區(qū);WQI＞10 時為嚴重污染區(qū)。

(2)營養(yǎng)水平評價。評價公式為

其中:E 為富營養(yǎng)化指數(shù);COD 為化學需氧量含量(mg/L);DIN 為無機氮含量(mg/L);DIP 為活性磷酸鹽含量(mg/L)。

其營養(yǎng)水平分級判定依據(jù)如表2所示。

表2 營養(yǎng)水平分級Tab.2 Grade of the trophical level

(3)N/P 值。水域的N/P 值是水域現(xiàn)存氮磷營養(yǎng)狀態(tài)的具體反映。Redfield等［10］指出，海水中平均N/P 值為15∶1，與浮游生物體內元素組成的N/P 值大致接近，即浮游植物生長時N和P以15∶1 的比例被消耗。這兩種元素的比值高于此值時為磷限制，低于此值時為氮限制［11］。

1.2.3 生物評價方法 采用Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和Margalef 豐富度指數(shù)，評估海域的生物資源情況。物種豐富度指數(shù)(D)、生物多樣性指數(shù)(H')和物種均勻度指數(shù)(J')的計算公式［12-14］為

其中:n 為種類數(shù);N 為樣本總尾數(shù);Pi為i種魚在群落中所占的比例。

2 結果與分析

2.1 海域水質因子

從表3可見:調查海域水深為32 ～37 m，鹽度為28.71 ～32.34;表層的DO 為8.08 ～11.55 mg/L，DIN 為1.967 ～2.764 mmol/L，PO3-4-P 為6.977 ～8.013 mmol/L，COD 為0.1739 ～0.2557 mg/L;底層的DO 為10.17 ～11.12 mg/L，DIN 為6.345 ～6.903 mmol/L，為8.658 ～9.136 mmol/L，COD 為0.1758 ～0.2467 mg/L。

表3 調查海域的水質測定結果Tab.3 The parameters of the water quality in the surveyed area

調查海域所有站位的水質因子均達到Ⅰ類海水水質標準，說明該海域適合作為海洋漁業(yè)水域、海上自然保護區(qū)和珍稀瀕危海洋生物保護區(qū)。根據(jù)單項水質評價結果(表4)可知:調查海域各項評價因子標準指數(shù)S 值均小于1，說明該海域為環(huán)境良好區(qū);各調查站位的環(huán)境綜合質量指數(shù)WQI 值均小于1，也說明該海域為環(huán)境良好區(qū)。從富營養(yǎng)化水平評價結果可知，調查海域的E 值有90%小于0.5，說明該海域處于貧營養(yǎng)狀態(tài)。

表4 調查海域的水質評價結果Tab.4 Assessment of the water quality in the surveyed area

從N/P 評價結果可知，調查海域處于氮限制狀態(tài)，浮游植物的生存環(huán)境有待改善。

對潮流的調查發(fā)現(xiàn)，調查海域最大流速為138.5 cm/s，最小流速為12.8 cm/s，平均流速為31 cm/s。潮汐的流向大部分是東南方向和西北方向。

2.2 游泳生物

2.2.1 地籠網調查 從表5可見，地籠網調查共發(fā)現(xiàn)9種游泳生物，其中日本蟳和大瀧六線魚屬于優(yōu)勢種群。物種豐富度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)如表6所示。

表5 游泳生物的地籠網調查結果Tab.5 The investigation results of nektons by a trap net

表6 調查海域游泳生物的群落結構指標Tab.6 The community structure indices of nektons in the surveyed area

2.2.2 拖網調查 從表7可見，拖網調查共發(fā)現(xiàn)10種游泳生物，其中海燕、淺水薩氏真蛇尾、多棘海盤車和雙殼類屬于優(yōu)勢種群。

物種豐富度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)如表6所示。

2.3 浮游生物

2.3.1 浮游動物 從調查樣品中共鑒定出浮游動物8種(表8)，分別為橈足類幼體、克氏紡錘水蚤、強壯箭蟲、小擬哲水蚤、強額擬哲水蚤、大同長腹劍水蚤、雙殼類幼體、中華哲水蚤。優(yōu)勢種為強壯箭蟲、小擬哲水蚤和大同長腹劍水蚤等。

從表9可見:物種豐富度指數(shù)平均為1.10，生物多樣性指數(shù)平均為1.07，均勻度指數(shù)平均為0.58。

表7 游泳生物的拖網調查結果Tab.7 The investigation results of nektons by trawl

表8 調查海域的浮游動物Tab.8 The zooplankton in the surveyed area

表9 浮游動物的群落結構指標Tab.9 The zooplankton community structure indices in the area surveyed

2.3.2 浮游植物 從調查樣品中共鑒定出浮游植物種類11種(表10)，主要由中肋骨條藻、柔弱菱形藻和尖刺菱形藻等組成，其中中肋骨條藻的出現(xiàn)頻次為90%，柔弱菱形藻出現(xiàn)頻次為80%，尖刺菱形藻出現(xiàn)頻次為40%。優(yōu)勢種為中肋骨條藻和柔弱菱形藻。從表11可見:物種豐富度指數(shù)平均為0.69，生物多樣性指數(shù)平均為6.35，均勻度指數(shù)平均為3.24。

表10 調查海域的浮游植物Tab.10 The phytoplankton species in the surveyed area

表11 浮游植物的群落結構指標Tab.11 The phytoplankton community structure indices in the surveyed area

3 討論

人工魚礁是海洋牧場中生物生息場建設的一部分，具有修復和優(yōu)化海洋環(huán)境的功能，在海水增養(yǎng)殖業(yè)和保護生物資源方面起著重要作用［3］。但是，投放人工魚礁后，是否能產生聚集和養(yǎng)護魚類資源的作用，與投放海域的多種因素有關，如底質、地形、水質因子、浮游生物和游泳生物種類等。因此，開展對投礁前海域生態(tài)環(huán)境的評估是投放人工魚礁必不可少的環(huán)節(jié)，也是制定海洋牧場人工魚礁建設方案的主要依據(jù)。

投放人工魚礁的海域應具備一定的底質條件。邵廣昭［15］曾報道，投放人工魚礁海域的底質最好為平坦、較堅硬的海床。人工魚礁的投放可以改變海域底質地貌，在魚礁區(qū)形成渦流，有利于形成良好的餌料環(huán)境，促進魚類棲息。通常認為，投礁海域的水深一般不能低于15 m，低于15 m 時，投放魚礁會影響海面正常船只的航行，魚礁也容易受到惡劣天氣時波浪的沖擊，從而影響魚礁的穩(wěn)定性［16］。良好的透明度以及適宜的鹽度和溫度可以促進礁體上生物附著及其光合作用，提高海域初級生產力。海域的流速以平緩為宜，平緩的流速有利于沖刷人工魚礁上附著的污染物［17］，而且不會導致魚礁移動或翻倒。水質和浮游生物的優(yōu)良狀況也是選擇投放人工魚礁海域必須滿足的條件，即所選海域的水質必須能滿足魚類棲息、繁殖的條件，而海域內豐富的浮游生物也是良好漁場形成的基礎。目前，中國投放人工魚礁都選擇在良好的魚類索餌場且有多種魚類棲息的海域。

從本次調查結果可知:所選海域的底質為硬泥底，平均粒徑為2.36 ～3.61 μm，水深為32 ～37 m，水色較清，大部分海域流速比較平緩，雖然有時最高流速達138.5 cm/s，但平均流速只有31 cm/s，說明該海域屬于流速平緩區(qū);該海域的鹽度平均值為30.79，且表層鹽度低于底層鹽度，但鹽度差不大，沒有驟變現(xiàn)象;pH 平均值為7.94，表層pH 普遍高于底層，但pH 的變化范圍不大，且均在國家Ⅰ類海水水質標準范圍內，說明該海域水質較穩(wěn)定。

本次調查結果表明:DO 平均值為10.22 mg/L，符合Ⅰ類海水水質標準，表層DO 普遍低于底層，DO 濃度受溫度和鹽度的制約，底層的鹽度較高導致了底層的DO 濃度也大于表層，但是該海域同一水層的DO 濃度穩(wěn)定，有利于生物的生長和棲息;無機氮是浮游生物生長因子之一，水體中的無機氮含量對于生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉化具有一定的影響力，在某種程度上無機氮也反映了該海域生物的新陳代謝規(guī)律，該海域的無機氮平均值為4.50 mmol/L，符合Ⅰ類海水水質標準;適宜的活性磷酸鹽也能促進海域生態(tài)系統(tǒng)的能量轉化，而該海域活性磷酸鹽也符合Ⅰ類海水水質標準;COD的平均值為0.21 mg/L，符合Ⅰ類海水水質標準，COD 反映了水中受還原性物質污染的程度，而該海域較低的COD 值，充分體現(xiàn)了海域良好的水質和未受還原性物質污染的狀況。上述調查結果說明了該海域在水質方面具有優(yōu)良的水質環(huán)境和有利于投放人工魚礁的環(huán)境因素。

從生物種類方面來看，浮游植物是海洋初級生產力的提供者之一，是各種海洋生物的餌料，是食物鏈中基本的一環(huán)［18］。浮游動物在生態(tài)系統(tǒng)中起著調控生態(tài)環(huán)境結構的作用，可調節(jié)生態(tài)平衡，為魚類提供餌料，其數(shù)量和種類會直接影響海域的漁業(yè)資源量。該海域浮游動物和浮游植物的生態(tài)結構較好、種類較多，但生物量較低，如投放人工魚礁可以優(yōu)化海域的水質，促進浮游生物生長，從而有利于魚類等資源的增殖。游泳生物的生物多樣性可以反映該海域的資源量和受污染程度［19］，該海域游泳生物種類豐富，盡管調查捕獲數(shù)量偏少(可能是由于調查站位設置與拖網時間較短等原因)，但根據(jù)已捕獲的漁獲物，可說明該海域的生態(tài)結構較為優(yōu)良，且有許氏平鮋、大瀧六線魚等巖礁性魚類的存在，而人工魚礁投放后對巖礁性魚類可起到較好的養(yǎng)護與增殖效果，對魚類資源的恢復與增殖會起到重要作用。該海域的營養(yǎng)化狀況屬于貧營養(yǎng)型，不會存在赤潮的威脅。因此，該海域的生態(tài)環(huán)境也完全滿足建設人工魚礁區(qū)的基本條件。

在該海域投放人工魚礁建設海洋牧場，可以改善該海域的底質環(huán)境與生態(tài)環(huán)境，使其更加適合海洋生物的棲息、繁殖和生長，同時可防止底拖網對其地貌的破壞。人工魚礁區(qū)在增殖魚類資源的同時還可成為該海域良好的垂釣區(qū)域，促進獐子島旅游業(yè)和第三產業(yè)的良性發(fā)展。

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