萊州灣芙蓉島海域不同材質魚礁生物附著效果的比較研究*

詹啟鵬， 董建宇， 孫 昕， 張宇洋， 李文濤， 張沛東， 張秀梅

(1. 海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室(中國海洋大學)， 山東 青島 266003; 2. 浙江海洋大學水產學院， 浙江 舟山 316022; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室， 海洋漁業(yè)科學與食物產出過程功能實驗室， 山東 青島 266237)

海洋牧場建設是近海漁業(yè)資源養(yǎng)護和生態(tài)環(huán)境修復的一項重要措施，是實現海洋漁業(yè)與近海生態(tài)系統和諧發(fā)展的重要途徑[1]。人工魚礁是海洋牧場生態(tài)環(huán)境營造的關鍵技術，可以為海洋生物的生長、繁殖、索餌或避敵提供良好的環(huán)境，同時人工魚礁在增殖養(yǎng)護漁業(yè)資源和改善海域生態(tài)環(huán)境中也發(fā)揮著重要作用[2-4]。人工魚礁投放后通常會有大量生物附著，這些附著生物可以為生活在礁區(qū)的魚類以及其他生物提供重要的餌料來源[5]。海洋附著生物群落的種類組成和附著數量等受到包括水深、水溫、鹽度和海流等環(huán)境因子以及礁體投放時間和礁體材料等因素的影響[5-8]。Fitzhardinge等[9]比較了混凝土、輪胎和鋼板3種材料的生物附著效果，發(fā)現鋼板的生物附著效果最好。王蓮蓮[10]對圓洲島人工魚礁上的附著生物群落研究表明，表面經過處理的混凝土礁體上附著生物的生物量和豐度均顯著高于表面未經過處理的普通混凝土礁體。李真真[11]在青島石雀灘海域對比了普通硅酸鹽水泥、添加貝殼粉硅酸鹽水泥和鋼板3種魚礁材料的附著效果，結果表明添加貝殼粉的硅酸鹽水泥生物附著效果最好。上述研究均表明在某一特定海域，礁體材料是影響生物附著的主要因素，因此在投放人工魚礁之前進行海區(qū)掛板實驗以篩選適宜的魚礁材料顯得尤為重要。

在特定海域，礁體上的附著生物主要受礁體材料和投放時間的影響，礁體的生物親和性越高，投放時間越長，礁體的附著生物通常也越豐富[12]。雖然國內對人工魚礁材料開展了一些研究[11, 13-14]，但對玄武巖纖維和添加輔助材料的混凝土礁體的生物附著效果研究相對較少。目前國內絕大多數已經建成的海洋牧場，在建設之初往往也并未考慮魚礁選材，只是簡單將混凝土魚礁和石塊礁投放到海區(qū)，導致人工魚礁建設同質化現象較為嚴重。盡管已經有專家學者注意到這個問題，并開始著手開發(fā)生物親和性高的貝殼粉人工魚礁并測試其性能[14-15]，但對萊州灣芙蓉島海域而言，其適宜投放的魚礁材料尚不得而知?；诖?，本研究選取山東省萊州市太平灣海域明波國家級海洋牧場示范區(qū)為研究海域，通過海區(qū)掛板實驗，比較了普通硅酸鹽水泥、玄武巖纖維、40%貝殼粉硅酸鹽水泥、80%貝殼粉硅酸鹽水泥4種魚礁材料的生物附著效果，以期為該海域后期人工魚礁建設的礁體選材和附著生物群落特征研究提供科學參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和規(guī)格

魚礁材質共計4種，分別為玄武巖纖維(Basalt fiber，BF)、普通硅酸鹽水泥(Ordinary portland cement，PC)、40%貝殼粉硅酸鹽水泥(40%-shell-powder portland cement，PF)、80%貝殼粉硅酸鹽水泥(80%-shell-powder portland cement，PE)。下文的圖、表和正文中，字母縮寫B(tài)F表示玄武巖纖維魚礁、PC表示普通硅酸鹽水泥、PF表示40%貝殼粉硅酸鹽水泥、PE表示80%貝殼粉硅酸鹽水泥。其中40%和80%是指貝殼粉質量占貝殼粉和水泥質量之和的比例，添加貝殼粉的硅酸鹽水泥由粒徑為1～2 mm的扇貝殼粉、普通硅酸鹽水泥、水和高強泵送劑混合，并利用模具成型。

每種材質的掛板制作3個，玄武巖纖維板的尺寸為20 cm×20 cm×0.5 cm，其他掛板規(guī)格為20 cm×20 cm×2 cm。玄武巖纖維板由山西晉投玄武巖開發(fā)有限公司制作提供，其他3種魚礁掛板由威海東部海洋科技有限公司制作提供。

1.2 掛板時間及海域

2019年7月14日，將掛板放置于萊州市太平灣海域人工魚礁區(qū)東側明波水產有限公司的海上浮房處，其位置為37°18′10″N，119°52′22″E。

1.3 掛樣、取樣和生物鑒定

掛板置于海面下1 m處，期間每隔10～15 d監(jiān)測一次魚礁掛板的生物附著厚度，掛板90 d之后，隨著近岸水溫不斷降低，掛板上的生物附著厚度已經趨于平穩(wěn)。于2019年11月8日海上懸掛117 d后取出掛板，掛板回收率為100%。將掛板上的附著生物樣品用75%的酒精溶液固定，帶回實驗室鑒定分析。利用體視顯微鏡(Nikon SMZ1000，日本)進行物種形態(tài)學鑒定，通過WoRMS網站(http://marinespecies.org/)對鑒定出的物種名錄進行校對和復核。樣品的處理、鑒定和稱重均按《海洋調查規(guī)范》(GB/T12763.6—2007)進行。

1.4 數據分析

采用Margalef種類豐富度指數，Shannon-Wiener多樣性指數，Pielou均勻度指數[16]，Pinkas相對重要性指數等參數對不同材質魚礁的附著生物進行群落特征分析，并將相對重要性指數IRI≥ 1 000作為優(yōu)勢種的判別標準[17]。

Margalef種類豐富度指數D=(S-1)/lnN；

Shannon-Wiener多樣性指數

Pielou均勻度指數J=H′/log2S；

Pinkas相對重要性指數

IRI=(wi/W+ni/N)×F×104。

式中：W為生物量；S為采集樣品種類總數；N為樣品的總豐度；ni和wi為第i種的個數和生物量；F為物種出現的頻率。

附著總生物量公式：P=W/s。

式中：P為附著總生物量(g/m2)；W為附著生物重量(g)；s為掛板面積(m2)。

考慮到掛板上附著的盤管蟲屬生物數量極多，全部將其計數較為困難，所以隨機選取每塊掛板正反兩面面積的1/8，挑出石灰質棲管內的所有蟲體進行鑒定和計數。然后按面積比例換算成每塊掛板所附著的盤管蟲屬生物的總個數；由于盤管蟲屬生物及其石灰質的棲管在掛板表面形成了較厚的附著層，所以在每塊掛板正反兩面對附著層厚度各測量4次，將其平均值作為附著盤管蟲的平均厚度，單位為cm；

通過燒失法測定盤管蟲屬生物及其棲管的有機質含量(TOM)，單位為g/kg，測定前先將附著在盤管蟲表面和棲管間隙的可見生物取出。用軟件Image J對掛板的圖像進行分析，計算出附著生物的面積，覆蓋率=生物附著面積/掛板總面積。

使用Excel 2016完成數據錄入和初步整理，數據以平均值±標準差(Mean±SD)呈現。使用SPSS 17.0完成單因素方差分析、Tukey′s test、Spearman相關系數計算。差異顯著水平設置為P<0.05, *表示P<0.05, **表示P<0.01。為了平衡優(yōu)勢種和稀有種在群落結構中的作用，將附著生物豐度數據進行平方根轉化。

2 結果

2.1 附著生物種類組成

在4種材質魚礁掛板中共鑒定出35種附著生物(見表1)。其中節(jié)肢動物門11種，脊索動物門6種，軟體動物門、苔蘚動物門和環(huán)節(jié)動物門各4種，刺胞動物門3種，星蟲動物門、扁形動物門和紐形動物門各1種。4種不同材質魚礁掛板的附著生物的種類總數，玄武巖纖維(BF)為11種，普通硅酸鹽水泥板(PC)為15種，40%貝殼粉硅酸鹽水泥(PF)為27種，80%貝殼粉硅酸鹽水泥(PE)為26種，即附著生物種類數為PF>PE>PC>BF(見表2)。

表1 不同材質魚礁附著生物的種類Table 1 Attached species on different material of reefs

不同材質掛板的附著總生物量為PE>PF>PC>BF(見表2)。鑒定發(fā)現，盤管蟲屬生物包括內刺盤管蟲(H.ezoensis)和華美盤管蟲(H.elegans)。4種材質的掛板上，內刺盤管蟲均占絕對優(yōu)勢，生物量占比均達到了90%以上。雖然華美盤管蟲附著數量遠小于內刺盤管蟲，但在4種材質的掛板中均有出現，并與內刺盤管蟲相互交纏附著。除盤管蟲屬生物外，4種材質掛板上的優(yōu)勢種還包括生物量小、個體數量多且群體性生活的苔蘚動物：大室膜孔苔蟲(M.grandicella)、相似膜孔苔蟲(M.similis)和多室草苔蟲(B.neritina)，優(yōu)勢度見表2。此外，4種材質的掛板上共有的常見物種還包括角突麥稈蟲(C.scaura)、青島板鉤蝦(S.qingdaoensis)、平坦藪枝螅(O.plana)、縱條肌?？?H.luciae)和乳突皮海鞘(M.manhattensis)。

除了藤壺、?？筒糠痔μ\動物，其他物種均直接附著或隱蔽在盤管蟲屬生物的石灰質棲管表面或棲管的縫隙中。玄武巖纖維材質掛板附著生物的平均覆蓋面積為86%，而其他材質的掛板均達到了100%(見表2)，各材質掛板的附著狀況如圖1所示。

表2 不同材質魚礁附著生物狀況Table 2 The attached organisms on different material of reefs

圖1 不同材質魚礁附著生物狀況Fig.1 The attached organisms on different material of reefs

2.2 附著生物群落特征指數

不同材質掛板在附著生物Margalef種類豐富度指數的表現為：BF

(不同字母表示單因素方差分析結果差異顯著(P<0.05)。Different letters indicate significant difference (P<0.05).)

2.3 生物附著效果及相關性分析

對不同材質掛板上盤管蟲屬生物的附著厚度、個體數、生物量和有機質含量(TOM)進行分析，結果見圖3。盤管蟲屬生物的附著厚度(見圖3(a))和個體數(見圖3(b))方面PF>PE>PC>BF，添加貝殼粉的水泥材質PF和PE之間差異不顯著，但顯著大于BF和PC(P<0.05)。盤管蟲屬的生物量方面PE>PF>PC>BF(見圖3(c))，PE、PF和PC顯著大于BF(P<0.05)。盤管蟲屬生物的有機質含量方面PE>PC>PF>BF(見圖3(d))，PE顯著大于PC、PF和BF(P<0.05)。

貝殼粉硅酸鹽水泥掛板在盤管蟲屬生物附著厚度、個體數、生物量和有機質含量(TOM)方面均表現最優(yōu)。40%貝殼粉硅酸鹽水泥(PF)掛板上盤管蟲屬生物的平均附著厚度為(36.5±5.2) mm，其最大值達42.8 mm。PF掛板上附著的盤管蟲屬生物的平均個體數為(496±37)ind，最大值為548 ind。80%貝殼粉硅酸鹽水泥(PE)掛板上盤管蟲屬的平均生物量為(15.67±3.56) kg/m2，最大值為20.56 kg/m2，PE所附著的盤管蟲屬生物的有機質平均含量為(8.9±1.7) g/m2，最大值為11.38 g/m2。

對種類數、物種多樣性、總生物量以及盤管蟲屬生物的生物量、個體數、厚度、有機質含量這7項附著生物數據進行相關性分析，結果表明：物種數與附著總生物量、盤管蟲的生物量之間相關性不明顯，盤管蟲有機質含量與多樣性指數、盤管蟲數量、盤管蟲厚度之間相關性不明顯，其他指標之間均呈顯著或極顯著相關(見表3)。4種材質掛板上盤管蟲對附著總生物量的貢獻均達到了90%以上(見表2)，盤管蟲生物量與附著生物量的Spearman相關系數為0.999。

表3 7項附著生物數據的相關性分析Table 3 Correlation analysis between 7 variables of attached organism

3 討論

不同材質的魚礁掛板，其生物附著種類和數量不同。本研究表明添加貝殼粉的硅酸鹽水泥(PF和PE)在附著生物量、物種數、豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數方面均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，表明貝殼粉的添加能夠有效的提高硅酸鹽水泥的生物附著效果，這與王震[14]在青島石雀灘海域的掛板實驗得出的結論一致。Imkiss[18]發(fā)現處理過的牡蠣殼具有良好的生物活性，王蓮蓮[11]的研究也表明添加扇貝粉的硅酸鹽水泥魚礁能增加魚礁的生物親和性，縮短了人工魚礁發(fā)揮生態(tài)效應的周期，有助于生物附著。附著基質的化學元素組成顯著影響牡蠣幼蟲的附著及變態(tài)發(fā)育，特別是含有碳酸鈣的基質，其誘導效應與貝殼等自然基質相當，甚至超之[19-20]。本研究中，添加貝殼粉水泥材質PF和PE在附著生物各項指標中均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥(PC)和玄武巖纖維(BF)，且在盤管蟲數量上PF和PE顯著大于PC和BF(P<0.05)，分析認為含有碳酸鈣的魚礁材料可能對盤管蟲的附著具有誘導效應。范瑞良[21]發(fā)現在附著基碳酸鈣濃度為20%時，牡蠣幼蟲附著的密度最高，20%～60%濃度時，幼蟲附著密度不斷降低。本研究中盤管蟲附著也有相似的結果，在附著面積相同的情況下，40%貝殼粉硅酸鹽水泥(PF)盤管蟲附著數量比80%貝殼粉硅酸鹽水泥(PE)更高。

大型底棲動物大多生活在有氧和有機質豐富的沉積物表層[22],沉積物有機質含量是影響底棲動物分布的主要環(huán)境因子[23]，近岸附著生物群落普遍具有較高的次級生產力，其單位面積較高的有機物質生產力可以提升海洋生產力水平，為魚類等捕食者提供物質來源[24]。比較40%貝殼粉硅酸鹽水泥(PF)和80%貝殼粉硅酸鹽水泥(PE)掛板發(fā)現，盤管蟲的生物量、附著厚度和數量差異均不顯著，但在有機質含量上PE顯著大于PF(P<0.05)，主要因為PE上的盤管蟲密度較小，種內競爭壓力小，蟲體和石灰質棲管可以得到更好的生長，使得有機質含量更高，另一方面，盤管蟲圓形盤曲的棲管增加了掛板可供附著的面積，為更多細菌和懸浮有機物(浮游動物、糞便、生物碎屑和有機聚集體等)提供了附著和沉淀空間，進而吸引更多物種附著。在本研究中，4種材質掛板的35種附著生物中，有26種直接附著或藏匿在盤管蟲棲管表面或縫隙中。附著總生物量、物種數、多樣性指數均與盤管蟲屬生物的棲管厚度、個體數等呈顯著或極顯著相關，盤管蟲的率先附著增加了魚礁表面的空間異質性，對于其他物種的附著以及生物多樣性的增加起到了積極的作用。

玄武巖纖維是一種具有耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、生物相容性以及高力學強度的環(huán)保型新材料[25]。目前玄武巖纖維應用于人工魚礁的建設中主要將其替代鋼筋，作為混凝土的增強材料[26]，也有學者設計了玄武巖纖維網格結構用以修復珊瑚礁[27]。但以玄武巖纖維材料作為魚礁材質的研究未見報道。本研究中玄武巖纖維掛板(BF)的生物附著效果最差，可能與其材質不含碳酸鈣有關。此外，本研究未對玄武巖材質做特殊表面處理，掛板表面光滑可能是影響盤管蟲附著的因素。但是，玄武巖纖維中含鐵量較高[28]，在普遍缺鐵的海洋環(huán)境中，有望成為具有巨大應用前景的魚礁和藻礁材料[29]。

掛板附著生物群落的組成和數量與環(huán)境因子(溫度、鹽度和溶解氧等)相關[30]。不同海域的附著生物種類和生物量存在差異，以普通硅酸鹽水泥為例，本實驗對比了其他海域的掛板實驗(見表4)，發(fā)現萊州灣芙蓉島海域的附著總生物量大于青島薛家島[12]和石雀灘海域[14]，物種數大于薛家島海域，略低于石雀灘海域，但石雀灘的掛板時間更長，且在統計中包括了表層和底層所有附著生物。綜合來看，萊州灣芙蓉島海域在掛板時間更短的情況下，其附著的總生物量大，附著物種數多。探究其原因主要有三方面：第一，具有石灰質棲管的盤管蟲屬生物作為絕對優(yōu)勢種，提高了整體附著的生物量；第二，淺海地帶底質多變，多數生物選擇狹窄的巖縫和巖石底部棲息避敵，以盤管蟲為主的附著生物改變了附著基的表面結構，形成了具有狹窄附著縫隙的空間，李勇等[31]指出，附著生物提高了空間異質性的程度，擴展了附著基的表面積，促進更多小生境的形成，有助于提高生物多樣性水平，同時也為海洋生物提供棲息空間，增大了生物量；第三、魚礁的餌料效應主要表現在附著生物、底棲生物和浮游生物的種類、豐度和生物量的增加，附著生物是餌料效應最主要的因素[32-34]，盤管蟲的大量附著發(fā)揮了魚礁的餌料效應，吸引更多物種的附著或棲息。孫瑞平[35]指出盤管蟲的縫隙中常有裂蟲、沙蠶、多眼蟲、紐蟲、扁蟲生活，在本次掛板取樣中有不少紋縞蝦虎魚(Tridentigertrigonocephalus)和美肩鰓鳚(Omobranchuselegans)的幼魚藏蔽在盤管蟲的縫隙中，在其他掛板實驗中尚未發(fā)現過此現象。此外，本研究還發(fā)現盤管蟲的棲管為麥稈蟲的大量附著提供良好的附著基，而麥稈蟲又是褐菖鲉(Sebastiscusmarmoratus)、大瀧六線魚(Hexagrammosotakii)、斑頭六線魚(Agrammusagrammus)和花鱸(Lateolabraxmaculatus)的主要餌料之一[36]，因此盤管蟲在魚礁上的附著具有積極的生態(tài)效應。本研究中由于盤管蟲在數量和生物量上占絕對優(yōu)勢，附著生物的多樣性和均勻度指數較低，存在群落不穩(wěn)定的風險，據青島石雀灘掛板實驗報道[12]，主要優(yōu)勢種褶牡蠣(Ostreaplicatula)占據掛板空間，也同樣存在生物多樣性較低的現象。但郭彪[13]的研究指出，隨著礁齡的增加，附著生物的多樣性指數也不斷增加，進而緩解群落不穩(wěn)定的現象。

表 4 不同海域硅酸鹽水泥掛板上物種數、生物量和優(yōu)勢種Table 4 Species, biomass and dominant species on portland cement reef in different sea areas

本研究中，大量盤管蟲附著在掛板上，在其他海域的短期掛板實驗中尚未發(fā)現類似報道。絕對優(yōu)勢種內刺盤管蟲隸屬于環(huán)節(jié)動物門(Annelida)多毛綱(Polychaeta)龍介蟲科(Serpulidae)盤管蟲屬(Hydroides)，其成蟲終生營固著管棲生活，通常群棲，不僅繁殖力強，附著優(yōu)勢大，其形成的石灰質遺管，成塊成批地固著在附著基上，蟲體死亡后，遺管不宜脫落[37]，作為一種污損生物，對海水養(yǎng)殖、船舶航行、海上金屬腐蝕、海水管道堵塞等方面造成危害[38]。

但在人工魚礁建設過程中，應該關注盤管蟲作為附著生物的生態(tài)價值。盤管蟲除了在生境構建和促進魚礁餌料效應中發(fā)揮積極的生態(tài)作用。其食性、生活方式、外殼成分與牡蠣較相似，均屬濾食性、集群性的固著生物，外殼都具有大量的碳酸鈣。因此認為盤管蟲也具有牡蠣的能量耦合、凈化水質、提供棲息地、固碳、形成補充幼蟲固著基質等[39-42]生態(tài)功能。

對于海洋底棲無脊椎動物(如牡蠣、藤壺和盤管蟲等多毛類)來說，浮游幼體的附著和定植是其整個生活史中非常關鍵的階段，其定居的最終基質類型顯著影響幼體、種群建立、群落發(fā)育和生態(tài)功能[43-44]。因此，在人工魚礁投放前除了對建礁地址進行科學合理選擇[45]，還應對海域的附著生物進行本底調查，以選擇能更好促進魚礁生態(tài)效應、增加物種多樣性，形成空間異質性的魚礁材料。筆者建議在盤管蟲較多的海域，選擇礁體結構時應考慮盤管蟲對礁體穩(wěn)定性的影響。若盤管蟲對海洋牧場的其他設施產生負面影響時，應積極采用環(huán)保型防污涂料和運動自拋光技術進行防治[46]。

4 結語

添加貝殼粉的硅酸鹽水泥魚礁掛板，其附著生物的物種數、生物量、Margalef種類豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，具有良好的生物附著效果，適宜作為芙蓉島海域海洋牧場人工魚礁的礁體材料；而表面光滑的玄武巖纖維掛板生物附著效果較差，礁體表面制作工藝有待進一步研發(fā)。魚礁掛板上盤管蟲屬生物的數量、附著厚度與附著生物的物種數、多樣性指數、總生物量呈顯著正相關，盤管蟲的率先附著增加了魚礁掛板表面的空間異質性，對于其他物種的附著以及生物多樣性的增加發(fā)揮了積極的生態(tài)作用。

致謝:感謝萊州明波水產有限公司在采樣中提供的幫助。