獐子岛海洋牧场海域人工鱼礁区投礁前的生态环境调查与评估

田涛，陈勇，陈辰，刘永虎，陈雷，王刚，张晓芳

(1.大连海洋大学 辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁 大连116023;2.獐子岛集团股份有限公司，辽宁 大连116001)

自20世纪80年代以来，国内外学者对作为渔业发展方向的海洋牧场进行了诸多实验研究和生产性探索，获得了许多有推广价值的技术和成果［1-2］。投放人工鱼礁是海洋牧场建设的主要生态工程之一，通过投放人工鱼礁可以改善海域生态环境，建设渔场和增养殖场。中国从20世纪70年代末开始，陆续在沿海海域实验性地投放了一些鱼礁，产生了一定的生态及经济效益［3-4］。研究及实践表明，投放人工鱼礁后是否能产生显著效益，与其海域的自然环境和生物因子密切相关。

獐子岛位于北纬39°，盛产海参、鲍、扇贝、海胆、海螺、大泷六线鱼和许氏平鮋等多种海产品，素有“黄海明珠”之美誉。拟投放人工鱼礁的獐子岛海域为黄海近岸主要作业渔场，经过多年大规模高强度捕捞，特别是底拖网作业导致海洋生态环境受到一定程度的破坏，渔业资源的可持续利用也受到了影响。亟需通过人工鱼礁的建设，修复和优化生态环境，保护渔业资源。獐子岛海域是中国海洋牧场建设示范区，本研究中，作者根据在獐子岛海洋牧场人工鱼礁区海域投礁前开展的生态调查结果，对当年该海域的海洋资源环境条件等进行分析评估，旨在探讨该海域投放人工鱼礁的可行性，并为今后评价人工鱼礁的资源养护效果［5］提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 调查海域和时间

调查海域即拟投鱼礁海域，范围为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 点连线之内的区域。

采用GPSMAP 60CSx 型全球卫星定位系统在拟投人工鱼礁海域布设9 个采样站位。各站位的经纬度如表1所示，调查时间为2010年6月。

1.2 方法

1.2.1 监测项目 对拟投鱼礁区域的海洋生物和水文环境进行观测和调查，海洋环境因子的测定项目有水温、透明度、水深、盐度、叶绿素a、pH、溶解氧(DO)、无机氮(DIN)、活性磷酸盐、化学需氧量(COD)等10 项;采用海流计24 h 连续观测海域的流速、流向;浮游生物测定项目为浮游动物和浮游植物。

表1 拟投放鱼礁海域的调查站位Tab.1 The stations where the artificial reefs are expected to be disposed into

水质因子和浮游生物样品的采集、保存与分析按《海洋监测规范》［6］和《海洋调查规范》［7］的有关规定进行。采用中国《海水水质标准》［8］评价海域水质。

采用地笼网［5］和拖网对底栖生物进行调查。地笼网网笼共30 节，每节均有网口，网口的宽、高分别为260、340 mm，网笼的总长、宽和高分别为13、0.4、0.3 m。在每个站位，将两个网笼连接后放入水中，网笼前后均坠以重石，网笼后端用网绳连接浮漂。拖网调查船为獐子岛科研船(功率为110.3 kW)，船速为4 kn，采用阿氏拖网，网口为2 m，拖网时间约20 min。本次调查在拟投礁区共拖网4次，站位分别为T1、T2、T3、T4(表1)。样品的采集按《海洋调查规范》［7］的有关规定进行。浮游生物的采集采用垂直拖网法，样品用甲醛溶液固定后，带回实验室进行分析鉴定。

1.2.2 评价方法

(1)水质评价。采用标准指数法评价单项因子对环境产生的等效影响程度，采用综合指数法评价海域水质综合环境质量现状和富营养化水平［9］。

①单项水质评价指数方法。单项水质因子标准指数的计算公式为

其中:Si为单项水质因子的标准指数;Ci为各评价因子的实测浓度值;Cs为各评价因子的评价标准值。

DO 的标准指数计算公式为

其中:SDO，j为DO 的标准指数;DOf为某水温(T，℃)、气压条件下的饱和溶解氧浓度(mg/L)，计算公式为DOf=468/(31.6+T);DOj为j 站位溶解氧的实测值(mg/L);DOs为溶解氧的评价标准限值(mg/L)，按Ⅰ类水质标准取为6.0 mg/L。

pH 的标准指数计算公式为

其中:SpH，j为pH 的标准指数;pHj为j 站位pH 的测定值;pHsm为pH 的评价标准上限(8.5)和下限(7.8)的平均值(8.15);pHsd为pH 水质标准的下限值。

单项水质分级判定依据为:指数S＜1 时为环境良好区;S=1 ～2 时为轻度污染区;S=2 ～5 时为中度污染区;S=5 ～10 时为重度污染区;S＞10时为严重污染区。

②综合评价指数方法。采用分指数的平均值和最大值平方和的尼罗梅法，此法兼顾了平均分指数和最大分指数的影响。计算公式为

其中:WQI 为环境综合质量指数;Smax为各项评价因子的最大分指数;Sj为j 站位各项评价因子的分指数平均值;n 为评价因子的种类数。

综合评价分级判定依据为:指数WQI＜1 时为环境良好区;WQI=1 ～2 时为轻度污染区;WQI=2 ～5 时为中度污染区;WQI=5 ～10 时为重度污染区;WQI＞10 时为严重污染区。

(2)营养水平评价。评价公式为

其中:E 为富营养化指数;COD 为化学需氧量含量(mg/L);DIN 为无机氮含量(mg/L);DIP 为活性磷酸盐含量(mg/L)。

其营养水平分级判定依据如表2所示。

表2 营养水平分级Tab.2 Grade of the trophical level

(3)N/P 值。水域的N/P 值是水域现存氮磷营养状态的具体反映。Redfield等［10］指出，海水中平均N/P 值为15∶1，与浮游生物体内元素组成的N/P 值大致接近，即浮游植物生长时N和P以15∶1 的比例被消耗。这两种元素的比值高于此值时为磷限制，低于此值时为氮限制［11］。

1.2.3 生物评价方法 采用Shannon-Weaver 多样性指数、Pielou 均匀度指数和Margalef 丰富度指数，评估海域的生物资源情况。物种丰富度指数(D)、生物多样性指数(H')和物种均匀度指数(J')的计算公式［12-14］为

其中:n 为种类数;N 为样本总尾数;Pi为i种鱼在群落中所占的比例。

2 结果与分析

2.1 海域水质因子

从表3可见:调查海域水深为32 ～37 m，盐度为28.71 ～32.34;表层的DO 为8.08 ～11.55 mg/L，DIN 为1.967 ～2.764 mmol/L，PO3-4-P 为6.977 ～8.013 mmol/L，COD 为0.1739 ～0.2557 mg/L;底层的DO 为10.17 ～11.12 mg/L，DIN 为6.345 ～6.903 mmol/L，为8.658 ～9.136 mmol/L，COD 为0.1758 ～0.2467 mg/L。

表3 调查海域的水质测定结果Tab.3 The parameters of the water quality in the surveyed area

调查海域所有站位的水质因子均达到Ⅰ类海水水质标准，说明该海域适合作为海洋渔业水域、海上自然保护区和珍稀濒危海洋生物保护区。根据单项水质评价结果(表4)可知:调查海域各项评价因子标准指数S 值均小于1，说明该海域为环境良好区;各调查站位的环境综合质量指数WQI 值均小于1，也说明该海域为环境良好区。从富营养化水平评价结果可知，调查海域的E 值有90%小于0.5，说明该海域处于贫营养状态。

表4 调查海域的水质评价结果Tab.4 Assessment of the water quality in the surveyed area

从N/P 评价结果可知，调查海域处于氮限制状态，浮游植物的生存环境有待改善。

对潮流的调查发现，调查海域最大流速为138.5 cm/s，最小流速为12.8 cm/s，平均流速为31 cm/s。潮汐的流向大部分是东南方向和西北方向。

2.2 游泳生物

2.2.1 地笼网调查 从表5可见，地笼网调查共发现9种游泳生物，其中日本蟳和大泷六线鱼属于优势种群。物种丰富度指数、生物多样性指数和均匀度指数如表6所示。

表5 游泳生物的地笼网调查结果Tab.5 The investigation results of nektons by a trap net

表6 调查海域游泳生物的群落结构指标Tab.6 The community structure indices of nektons in the surveyed area

2.2.2 拖网调查 从表7可见，拖网调查共发现10种游泳生物，其中海燕、浅水萨氏真蛇尾、多棘海盘车和双壳类属于优势种群。

物种丰富度指数、生物多样性指数和均匀度指数如表6所示。

2.3 浮游生物

2.3.1 浮游动物 从调查样品中共鉴定出浮游动物8种(表8)，分别为桡足类幼体、克氏纺锤水蚤、强壮箭虫、小拟哲水蚤、强额拟哲水蚤、大同长腹剑水蚤、双壳类幼体、中华哲水蚤。优势种为强壮箭虫、小拟哲水蚤和大同长腹剑水蚤等。

从表9可见:物种丰富度指数平均为1.10，生物多样性指数平均为1.07，均匀度指数平均为0.58。

表7 游泳生物的拖网调查结果Tab.7 The investigation results of nektons by trawl

表8 调查海域的浮游动物Tab.8 The zooplankton in the surveyed area

表9 浮游动物的群落结构指标Tab.9 The zooplankton community structure indices in the area surveyed

2.3.2 浮游植物 从调查样品中共鉴定出浮游植物种类11种(表10)，主要由中肋骨条藻、柔弱菱形藻和尖刺菱形藻等组成，其中中肋骨条藻的出现频次为90%，柔弱菱形藻出现频次为80%，尖刺菱形藻出现频次为40%。优势种为中肋骨条藻和柔弱菱形藻。从表11可见:物种丰富度指数平均为0.69，生物多样性指数平均为6.35，均匀度指数平均为3.24。

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

表11 浮游植物的群落结构指标Tab.11 The phytoplankton community structure indices in the surveyed area

3 讨论

人工鱼礁是海洋牧场中生物生息场建设的一部分，具有修复和优化海洋环境的功能，在海水增养殖业和保护生物资源方面起着重要作用［3］。但是，投放人工鱼礁后，是否能产生聚集和养护鱼类资源的作用，与投放海域的多种因素有关，如底质、地形、水质因子、浮游生物和游泳生物种类等。因此，开展对投礁前海域生态环境的评估是投放人工鱼礁必不可少的环节，也是制定海洋牧场人工鱼礁建设方案的主要依据。

投放人工鱼礁的海域应具备一定的底质条件。邵广昭［15］曾报道，投放人工鱼礁海域的底质最好为平坦、较坚硬的海床。人工鱼礁的投放可以改变海域底质地貌，在鱼礁区形成涡流，有利于形成良好的饵料环境，促进鱼类栖息。通常认为，投礁海域的水深一般不能低于15 m，低于15 m 时，投放鱼礁会影响海面正常船只的航行，鱼礁也容易受到恶劣天气时波浪的冲击，从而影响鱼礁的稳定性［16］。良好的透明度以及适宜的盐度和温度可以促进礁体上生物附着及其光合作用，提高海域初级生产力。海域的流速以平缓为宜，平缓的流速有利于冲刷人工鱼礁上附着的污染物［17］，而且不会导致鱼礁移动或翻倒。水质和浮游生物的优良状况也是选择投放人工鱼礁海域必须满足的条件，即所选海域的水质必须能满足鱼类栖息、繁殖的条件，而海域内丰富的浮游生物也是良好渔场形成的基础。目前，中国投放人工鱼礁都选择在良好的鱼类索饵场且有多种鱼类栖息的海域。

从本次调查结果可知:所选海域的底质为硬泥底，平均粒径为2.36 ～3.61 μm，水深为32 ～37 m，水色较清，大部分海域流速比较平缓，虽然有时最高流速达138.5 cm/s，但平均流速只有31 cm/s，说明该海域属于流速平缓区;该海域的盐度平均值为30.79，且表层盐度低于底层盐度，但盐度差不大，没有骤变现象;pH 平均值为7.94，表层pH 普遍高于底层，但pH 的变化范围不大，且均在国家Ⅰ类海水水质标准范围内，说明该海域水质较稳定。

本次调查结果表明:DO 平均值为10.22 mg/L，符合Ⅰ类海水水质标准，表层DO 普遍低于底层，DO 浓度受温度和盐度的制约，底层的盐度较高导致了底层的DO 浓度也大于表层，但是该海域同一水层的DO 浓度稳定，有利于生物的生长和栖息;无机氮是浮游生物生长因子之一，水体中的无机氮含量对于生态系统中的能量转化具有一定的影响力，在某种程度上无机氮也反映了该海域生物的新陈代谢规律，该海域的无机氮平均值为4.50 mmol/L，符合Ⅰ类海水水质标准;适宜的活性磷酸盐也能促进海域生态系统的能量转化，而该海域活性磷酸盐也符合Ⅰ类海水水质标准;COD的平均值为0.21 mg/L，符合Ⅰ类海水水质标准，COD 反映了水中受还原性物质污染的程度，而该海域较低的COD 值，充分体现了海域良好的水质和未受还原性物质污染的状况。上述调查结果说明了该海域在水质方面具有优良的水质环境和有利于投放人工鱼礁的环境因素。

从生物种类方面来看，浮游植物是海洋初级生产力的提供者之一，是各种海洋生物的饵料，是食物链中基本的一环［18］。浮游动物在生态系统中起着调控生态环境结构的作用，可调节生态平衡，为鱼类提供饵料，其数量和种类会直接影响海域的渔业资源量。该海域浮游动物和浮游植物的生态结构较好、种类较多，但生物量较低，如投放人工鱼礁可以优化海域的水质，促进浮游生物生长，从而有利于鱼类等资源的增殖。游泳生物的生物多样性可以反映该海域的资源量和受污染程度［19］，该海域游泳生物种类丰富，尽管调查捕获数量偏少(可能是由于调查站位设置与拖网时间较短等原因)，但根据已捕获的渔获物，可说明该海域的生态结构较为优良，且有许氏平鮋、大泷六线鱼等岩礁性鱼类的存在，而人工鱼礁投放后对岩礁性鱼类可起到较好的养护与增殖效果，对鱼类资源的恢复与增殖会起到重要作用。该海域的营养化状况属于贫营养型，不会存在赤潮的威胁。因此，该海域的生态环境也完全满足建设人工鱼礁区的基本条件。

在该海域投放人工鱼礁建设海洋牧场，可以改善该海域的底质环境与生态环境，使其更加适合海洋生物的栖息、繁殖和生长，同时可防止底拖网对其地貌的破坏。人工鱼礁区在增殖鱼类资源的同时还可成为该海域良好的垂钓区域，促进獐子岛旅游业和第三产业的良性发展。

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