一種新型貝殼魚礁的大型底棲藻類附著效果初探

趙 靜，姜大為，郝振林，郭 棟，王路平，李多慧，張瑜洋

(1.大連市水產(chǎn)研究所，遼寧 大連 116087； 2.大連海洋大學(xué)，農(nóng)業(yè)部海洋水產(chǎn)增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023； 3.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧省海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023 )

近年來，由于近海漁業(yè)生產(chǎn)捕撈強(qiáng)度過大和沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的環(huán)境污染，導(dǎo)致近岸環(huán)境惡化，海洋生物的產(chǎn)卵場(chǎng)和索餌場(chǎng)消失，漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退。為了有效改善近岸海洋生態(tài)環(huán)境，遏制漁業(yè)資源衰退趨勢(shì)，我國自20世紀(jì)70年代末開始人工魚礁建設(shè)，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的探索和實(shí)踐，已取得顯著成效[1]。人工魚礁是人為設(shè)置在海里的構(gòu)造物，用于改善海域生態(tài)環(huán)境，為海洋生物提供索餌、繁殖、生長、發(fā)育等場(chǎng)所，從而達(dá)到保護(hù)和增殖海洋生物資源的目的[2-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工魚礁的材質(zhì)也日益向著生態(tài)化、節(jié)能化、綠色化方向發(fā)展，主要包括天然材料、廢棄材料、建筑材料、綜合材料等。資料顯示，目前用于構(gòu)建人工魚礁的材料已超過249種[4]。研究表明，藻類附著效果與魚礁的材料和形狀密切相關(guān)，為利于海藻孢子的附著和生長，藻礁的設(shè)計(jì)多為表面凹凸，表面和內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，礁體內(nèi)部添加肥料和藻類生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)等[5-7]。

我國人工魚礁建設(shè)處于探索階段，用于魚礁建設(shè)的材料多為混凝土構(gòu)件和石塊，對(duì)于其他材料的研究缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)積累。本研究選擇一種新型貝殼魚礁(簡(jiǎn)稱貝殼礁)投放在自然海域，在相同海域設(shè)置混凝土構(gòu)件礁區(qū)和空白對(duì)照區(qū)，于投礁后1個(gè)月、半年和1年開展主要環(huán)境因子監(jiān)測(cè)和大型底棲藻類的調(diào)查。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，分析3個(gè)區(qū)域藻類群落演替規(guī)律及其與環(huán)境因子的關(guān)系，評(píng)價(jià)貝殼礁上藻類的附著效果，旨在為人工魚礁選材及相關(guān)海域海洋牧場(chǎng)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 礁體材料

新型貝殼魚礁是由日本Doken株式會(huì)社研發(fā)，在日本經(jīng)過15年的使用和推廣已取得突出效果，對(duì)海參、海膽等海珍品有較好的誘集和增殖效果，是目前處于世界領(lǐng)先水平的專利產(chǎn)品。2012年由大連源正海物實(shí)業(yè)有限公司引進(jìn)，在大連市長?？h大長山島生產(chǎn)。主要成分由蝦夷扇貝(Patinopectenyessoensis)殼及生物固化劑組成，具有很高的強(qiáng)度和很好的透水性。單體質(zhì)量約為2.5 t，漁礁的外徑長2.4 m，高0.75 m。魚礁外輪為十二邊形，內(nèi)輪為正六邊形，外輪和內(nèi)輪每隔一個(gè)側(cè)面留一個(gè)用于海水流動(dòng)的開口。同時(shí)內(nèi)輪比外輪高出15 cm，魚礁中心及內(nèi)外輪交界處留有泥沙沉淀口，可以及時(shí)將泥沙排除(圖1)。

混凝土構(gòu)件礁采用凹槽形構(gòu)件礁，凹槽形構(gòu)件礁參數(shù)為1.2 m×1.2 m×1.0 m，中心圓內(nèi)徑長0.35 m，礁體表面黏附小砂礫和石塊，以增加表面粗糙度(圖2)。

1.2 魚礁建設(shè)海區(qū)

人工魚礁區(qū)項(xiàng)目建設(shè)位于大連市長海縣大長山島近海，N 39°16′20″～39°19′12″，E 122°40′48″～122°45′00″，水深5～20 m，該海域受北黃海環(huán)流影響，海水平均流速約0.1 m/s，海域內(nèi)無大的入海河流和排污口，海底多為礫石和礫砂帶[8]。試驗(yàn)在目標(biāo)海域選取A、B、C 3個(gè)區(qū)域，本底調(diào)查結(jié)果顯示，3個(gè)區(qū)域底質(zhì)和水質(zhì)理化因子情況基本相同。2013年10—11月向A區(qū)投放混凝土構(gòu)件礁3000件，礁體間距為礁體尺寸的1.0～1.5倍，礁區(qū)面積達(dá)10 000 m3·空；同一時(shí)間向C區(qū)投放貝殼礁1700件，礁體間距為礁體尺寸的1.0～1.5倍，礁區(qū)面積達(dá)10 000 m3·空；B區(qū)，不投放人工魚礁，以自然海底礁石作為對(duì)照。3個(gè)區(qū)域均設(shè)6個(gè)調(diào)查站位，共計(jì)18個(gè)(圖3)，分別于投礁1個(gè)月(2013年12月)、半年(2014年6月)和1年(2014年12月)后，對(duì)3個(gè)區(qū)域開展海洋環(huán)境和大型底棲藻類資源狀況調(diào)查。

1.3 樣品采集和處理

利用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI556MPS)測(cè)定礁區(qū)海域溶解氧、pH、鹽度和水溫。依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378—2007)[9]和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763—2007)[10]，在預(yù)設(shè)的站位用采水器取樣，采集樣品裝瓶標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)包括：氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽和葉綠素a。

圖1 新型貝殼人工魚礁結(jié)構(gòu)

圖3 調(diào)查站位

大型底棲藻類調(diào)查采用規(guī)格為50 cm×60 cm的PVC管制樣方框，由潛水員水下作業(yè)完成采樣，分別于投礁后1個(gè)月、半年和1年，對(duì)3個(gè)區(qū)域取樣，每個(gè)區(qū)域平行取3個(gè)樣方，以確保樣品的廣泛性和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。樣品采集后轉(zhuǎn)入自封袋內(nèi)密封，內(nèi)置標(biāo)簽，當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室，用海水沖掉沙礫，挑去雜質(zhì)，對(duì)海藻進(jìn)行分類，記錄海藻的數(shù)量。用吸水紙吸去藻體表面海水，稱量濕質(zhì)量，并計(jì)算出生物量(g/m2)。

用PRIMER 5.0軟件包中的Margelf豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)，進(jìn)行不同礁區(qū)大型底棲藻類生物多樣性研究[11-12]。利用Canoco 4.5軟件對(duì)藻類群落和環(huán)境因子進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析、主成分分析和冗余分析，以研究藻類群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個(gè)區(qū)域附著藻類的種類組成、生物量及季節(jié)變化

經(jīng)過3次潛水采樣調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)3門12種大型底棲海藻。其中綠藻門3種，分別為孔石莼(Ulvapertusapertusa)、羽藻(Bryopsisplumosa)、刺松藻(Codiumfragile)；紅藻門5種，分別為石花菜(Gelidiumamansii)、雞毛菜(Pterocladiacapillacea)、中間石枝藻(Lithothamnionintermedium)、蜈蚣藻(Grateloupiaasiatuca)、角叉菜(Chondrusocellatus)；褐藻門4種，分別為海黍子(Sargassummuticum)、鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、海帶(Saccharinajaponica)、裙帶菜(Undariapinnatifida)(表1)。褐藻門藻類生物量最大，全年平均值為199.78 g/m2。歷次取樣中，2013年12月空白對(duì)照區(qū)藻類生物量最小，為33.83 g/m2、藻類種類數(shù)為7種；而2014年6月貝殼礁區(qū)藻類生物量最大，為276.83 g/m2，藻類種類為10種。藻類總生物量投礁前后依次為2013年12月(122.83 g/m2)<2014年12月(333.17 g/m2)<2014年6月(481.40 g/m2)。其中，紅藻門藻類和褐藻門藻類與藻類群落總生物量的變化趨勢(shì)一致；而綠藻門藻類生物量投礁前后變化趨勢(shì)略有不同，依次為2013年12月(22.59 g/m2)<2014年6月(50.50 g/m2)<2014年12月(98.86 g/m2)(圖4)。3個(gè)區(qū)域附著藻類生物量的變化趨勢(shì)大致相同，夏季(6月)高于冬季(12月)，不同區(qū)域間藻類年平均生物量依次為貝殼礁區(qū)(152.19 g/m2)>混凝土構(gòu)件礁區(qū)(90.83 g/m2)>空白對(duì)照區(qū)(46.79 g/m2)(圖5)。

表1 3個(gè)區(qū)域投礁前后附著藻類的生物量分布 g/m2

注：A.混凝土構(gòu)件礁區(qū)； B.空白對(duì)照區(qū)； C.貝殼礁區(qū).下同.

2.2 3個(gè)區(qū)域附著藻類的群落結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)藻類群落參數(shù)(表2)可知，投礁初期，貝殼礁區(qū)藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)低于另外2個(gè)區(qū)域；隨著投礁時(shí)間延長，貝殼礁上附著藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均有所增長，投礁半年后，貝殼礁區(qū)的物種豐富度高于空白對(duì)照區(qū)，但低于混凝土構(gòu)件礁區(qū)，多樣性指數(shù)均高于另外2個(gè)區(qū)；投礁1年后，貝殼礁區(qū)附著藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均高于另外2個(gè)區(qū)。冬季各區(qū)域的均勻度高于夏季，相同季節(jié)投礁后各區(qū)域的均勻度高于投礁前，但差異不明顯，貝殼礁區(qū)夏季均勻度最低。

圖4 不同采樣時(shí)間不同附著藻類的生物量變化

圖5 不同采樣時(shí)間3個(gè)調(diào)查區(qū)域附著藻類的生物量變化

采樣時(shí)間調(diào)查區(qū)域樣方編號(hào)種類數(shù)生物量/g·m-2種類豐富度多樣性指數(shù)均勻度2013-12A1945.672.091.860.852013-12B2733.831.701.760.902013-12C3635.411.401.640.922014-06A410137.281.831.910.832014-06B5869.451.651.820.882014-06C611289.831.761.990.832014-12A79101.901.731.970.902014-12B8738.851.641.800.912014-12C911205.411.882.220.93

2.3 3個(gè)區(qū)域附著藻類的群落動(dòng)態(tài)與環(huán)境因子的關(guān)系

采用去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析對(duì)3個(gè)區(qū)域3次采集的9個(gè)樣方進(jìn)行分析，結(jié)果表明，4個(gè)排序軸的特征值分別為0.1933、0.0246、0.0015、0.0008，第1軸特征值最大，體現(xiàn)了最多的生態(tài)信息，第2軸次之。根據(jù)樣方在前2軸的得分做出二維排序圖(圖6)，物種的分布表現(xiàn)為某些物種之間關(guān)系非常密切(圖中兩物種之間的距離表示兩個(gè)物種間的親疏關(guān)系，距離越近越親密，反正差異越大[14])。

去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析排序的結(jié)果顯示，4個(gè)軸的長度均小于3，數(shù)據(jù)類型符合線性模型。綜合9個(gè)環(huán)境因子組成9×9矩陣以及藻類群落生物量矩陣進(jìn)行主成分分析。9個(gè)環(huán)境因子對(duì)藻類群落生物量的總解釋量為96.6%。環(huán)境因子前2個(gè)軸對(duì)環(huán)境的解釋量分別為65.8%和21.7%，累積解釋量為87.6%，說明前2個(gè)軸很大程度可以反映環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，其中與第1軸相關(guān)性較高的環(huán)境因子為磷酸鹽、葉綠素a和氨氮；與第2軸相關(guān)性高的為氨氮、溫度、亞硝酸鹽和硝酸鹽等。褐藻門的鼠尾藻、海帶、海黍子和紅藻門的角叉菜受第1軸影響較大，即與磷酸鹽、葉綠素a和氨氮正向相關(guān)。綠藻門的羽藻、刺松藻和紅藻門的蜈蚣藻受第2軸影響較大，即與氨氮、溫度、亞硝酸鹽和硝酸鹽負(fù)相關(guān)(圖7)。

圖6 基于去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析的藻類群落樣方及物種排序Ulv，孔石莼；Bry，羽藻；Cod，刺松藻；Gel，石花菜；Pte，雞毛菜；Lit，中間石枝藻；Gra，蜈蚣藻；Cho，角叉菜；Sar，海黍子；Thu，鼠尾藻；Sac，海帶；Und，裙帶菜．下同.

圖7 基于主成分分析的藻類生物量—環(huán)境排序Tem，溫度；Sal，鹽度；DO，溶解氧；Amm，氨氮；Nit，亞硝酸鹽；Nan，硝酸鹽；Pho，磷酸鹽；Chl a，葉綠素a.

分別對(duì)3個(gè)區(qū)域的藻類群落和主要環(huán)境因子指標(biāo)進(jìn)行冗余分析。結(jié)果顯示，影響3個(gè)區(qū)域藻類群落變化的第1環(huán)境因子均為水溫，影響混凝土構(gòu)件礁上附著藻類群落變化的第2、3影響因子為氨氮和亞硝酸鹽，影響自然礁石(空白對(duì)照區(qū))附著藻類群落變化的第2、3影響因子為磷酸鹽和氨氮，影響貝殼礁上附著藻類群落變化的第2、3環(huán)境因子為溶解氧和葉綠素a(表3)。

3 討 論

大型底棲海藻主要由生活在巖礁或礫石上的紅藻、褐藻、綠藻和少量藍(lán)藻等組成，是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在海洋能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞中發(fā)揮著極其重要的作用[15-16]。根據(jù)《中國黃渤海海藻》[17]記載，遼寧海區(qū)有大型海藻228種。本次在3個(gè)試驗(yàn)海區(qū)共采集到12種大型底棲海藻，其中紅藻門種類最多，褐藻門生物量最高。從藻類生物量的增長趨勢(shì)來看，紅藻門、褐藻門和總藻類的增長趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)夏季高于秋季、投礁后高于投礁前的趨勢(shì)；綠藻門略有不同，呈現(xiàn)投礁后持續(xù)增長的趨勢(shì)。紅藻門的石花菜和角叉菜，褐藻門的鼠尾藻、海帶和裙帶菜生長盛期均在春、夏季[18]，多為大型藻類，在生物量上占優(yōu)勢(shì)，對(duì)藻類總生物量影響較大。綠藻門的羽藻和刺松藻生長盛期在秋季[18]，在投礁當(dāng)年的秋季才顯示出優(yōu)勢(shì)，但因其體型較小，對(duì)藻類總生物量的貢獻(xiàn)小。

本試驗(yàn)設(shè)置的3個(gè)調(diào)查區(qū)均位于同一海區(qū)，投礁前本底調(diào)查結(jié)果顯示，3個(gè)區(qū)域底質(zhì)和水質(zhì)理化因子情況基本相同，投礁后1個(gè)月調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3個(gè)區(qū)域藻類種類和數(shù)量差異不大，隨著投礁時(shí)間延長，2個(gè)投礁區(qū)(混凝土構(gòu)件礁和貝殼礁)大型底棲藻類的生物量和種類均大于空白對(duì)照區(qū)，其中投放貝殼礁的區(qū)域藻類生物量和種類增加得更為顯著。表面凹凸和內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的魚礁更有利于海藻孢子的附著和生長[19-20]，分析認(rèn)為貝殼礁結(jié)構(gòu)上增加了魚礁的表面積，材料為粉碎貝殼和固化劑，表面凹凸不平且透水性好，這些設(shè)計(jì)為藻類生長提供了良好的條件。從這種魚礁在日本多年的使用效果來看，其恢復(fù)漁業(yè)資源和水域生態(tài)環(huán)境的效果良好，更有利于藻類的附著和生長。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，投放貝殼礁的區(qū)域藻類數(shù)量和生物量增加都更為顯著。

生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化反映生態(tài)系統(tǒng)的波動(dòng)。生物多樣性在生態(tài)系統(tǒng)變化過程中的作用已引起全球關(guān)注[21]。分析3個(gè)調(diào)查海區(qū)藻類群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性，橫向比較來看，投礁前貝殼礁區(qū)的藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性均低于其他2個(gè)海區(qū)，投礁后貝殼礁區(qū)藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性逐漸超過空白對(duì)照區(qū)和混凝土構(gòu)件礁區(qū)。縱向比較來看，貝殼礁區(qū)藻類群落的物種豐富度指數(shù)和多樣性指都高于投礁前，且呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢(shì)，均勻度投礁后夏季最低，可能是由于夏季海黍子、海帶和裙帶菜等生物量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，致使群落的均勻度較低。由此可知，貝殼礁區(qū)藻類群落結(jié)構(gòu)有更早變穩(wěn)定的趨勢(shì)。

表3 影響3個(gè)區(qū)域藻類群落變化的重要環(huán)境排序

基于去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析的樣方排序圖可以反映樣方的相似關(guān)系，桂東偉等[22]在研究昆侖山北坡策勒河流域生態(tài)因素對(duì)植物群落的影響時(shí)認(rèn)為，去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析可以有效反映植物樣方的相似關(guān)系。去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明，褐藻門的鼠尾藻、海帶和海黍子關(guān)系較近，綠藻門刺松藻和紅藻門的蜈蚣藻關(guān)系較近。生物群落變化與環(huán)境因子的梯度響應(yīng)模型主要有線性模型和單峰模型兩種，由于去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析4個(gè)排序軸長度均小于3，因此適用于線性模型。在線性模型中，主成分分析旨在利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(即主成分)，其中每個(gè)主成分均能反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)。9個(gè)環(huán)境因子對(duì)藻類群落生物量的總解釋量為96.6%，說明選取的環(huán)境因子合理。結(jié)合主成分分析結(jié)果得出，藻類樣方點(diǎn)在排序軸上的分布沿第1、2軸均有明顯的梯度變化。生長盛期在夏季的鼠尾藻和海帶與磷酸鹽、葉綠素a和氨氮正相關(guān)，生長盛期在秋季的松藻和綠藻與氨氮、溫度、亞硝酸鹽和硝酸鹽負(fù)相關(guān)。分別對(duì)3個(gè)區(qū)域的藻類群落和主要環(huán)境因子指標(biāo)進(jìn)行冗余分析，結(jié)果顯示，影響3種礁體上藻類群落變化的第1環(huán)境因子均為水溫。溫度是植物生長最重要的影響因素之一，任何植物的生長、發(fā)育都需要一定的熱量和溫度范圍，超過或者低于適宜溫度時(shí)，植物生長受抑制。除了水溫外，氮、磷營養(yǎng)鹽仍然是制約自然礁石區(qū)和混凝土構(gòu)件礁區(qū)上藻類群落的第2、3環(huán)境因子；而在貝殼礁區(qū)，氮、磷營養(yǎng)鹽的影響不再顯著，葉綠素a和溶解氧成為貝殼礁區(qū)限制藻類群落的第2、3環(huán)境因子。分析認(rèn)為，由貝殼礁特殊的材料和結(jié)構(gòu)而營造的附近水域微環(huán)境中營養(yǎng)鹽豐富，使得氮、磷營養(yǎng)鹽不再成為限制藻類群落的主要因子。一方面貝殼礁能有效增加礁體的生物附著量，改善海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，增加水域生產(chǎn)力(葉綠素a)[23-24]；另一方面隨著礁區(qū)生態(tài)系統(tǒng)日益復(fù)雜，溶解氧含量變化較大，對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大影響。此外，3個(gè)區(qū)域環(huán)境因子除了與季節(jié)、礁體形狀和材料相關(guān)外，還可能受到周邊海區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖和陸源輸入等其他因素的影響，筆者僅收集了9個(gè)環(huán)境因子，可能存在一些不足，貝殼礁與大型底棲藻類的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。

本研究表明，投放貝殼礁的海區(qū)大型藻類數(shù)量和種類增長的幅度更為明顯，且藻類群落結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定，貝殼礁的藻類附著效果較好；貝殼礁特殊的材料和結(jié)構(gòu)更能有效改良海區(qū)生態(tài)環(huán)境，使氮、磷營養(yǎng)鹽不再成為限制藻類群落的主要因子。本試驗(yàn)采用的貝殼礁已在日本海域使用15年以上，其在形狀設(shè)計(jì)、材料組成和生態(tài)修復(fù)效果上具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)表面粗糙，能為附著生物提高良好附著基[25]；(2)來源廣泛，材料綠色，少污染；(3)相比混凝土礁具有良好的生物親和性，不會(huì)釋放堿性物質(zhì)[26]；(4)貝殼礁區(qū)生態(tài)更快達(dá)到穩(wěn)定階段，有利于發(fā)揮人工魚礁生態(tài)效益，修復(fù)海洋環(huán)境。因此，利用廢棄貝殼建設(shè)人工魚礁，是使用生物材料進(jìn)行海洋生態(tài)修復(fù)的有效方法，值得大力推廣和發(fā)展。同時(shí)，關(guān)于貝殼礁的設(shè)置布局和相關(guān)海洋環(huán)境調(diào)控功能還有待進(jìn)一步研究。