論文：人工魚礁生物附著性測(cè)試方法

人工魚礁生物附著性測(cè)試方法

羅鑫昊，桑梓涵，馮業(yè)城，高華

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

隨著海洋生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，天然魚礁已然不能滿足生態(tài)需求。為促進(jìn)資源恢復(fù)，改善海洋生態(tài)環(huán)境，人工魚礁應(yīng)運(yùn)而生。人工魚礁作為未來(lái)海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要設(shè)施，為各類海洋生物提供了附著地及生存空間。目前，用于人工魚礁的材料種類眾多，且不同材料的人工魚礁對(duì)漁業(yè)增殖效果影響不同。隨著人類對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)，人工魚礁能否改善海洋生物棲息環(huán)境成為研究的熱點(diǎn)。

魚礁的生物附著量、集魚、誘魚效果直接反映了其生物附著性，其附著生物的種類、組成及數(shù)量變化直接影響著礁區(qū)的生態(tài)效應(yīng)，因此生物附著性可作為人工魚礁效果評(píng)價(jià)的重要衡量指標(biāo)?，F(xiàn)有的人工魚礁生物附著性的分析方法眾多，且每種方法分析的路徑、用途各不相同。現(xiàn)簡(jiǎn)述了直接分析法與模糊評(píng)價(jià)法，以期為評(píng)價(jià)人工魚礁的應(yīng)用效果提供技術(shù)參考。

1 直接分析法

1.1 掛板檢測(cè)法

掛板檢測(cè)法是將待檢材料制作成掛板，作為反映生物附著性的載體，以開展生物附著性測(cè)試。文獻(xiàn)[4-6]的相關(guān)試驗(yàn)表明，掛板檢測(cè)法原理簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)方法直接，在測(cè)試上有顯著優(yōu)勢(shì)，因而得到廣泛應(yīng)用。

1.1.1 采樣方法

掛板檢測(cè)時(shí)，對(duì)掛板的大小、尺寸無(wú)特殊要求，對(duì)投放位置和投放時(shí)間有一定的要求。林和山等對(duì)東山灣污損生物的調(diào)查結(jié)果表明，掛板投放時(shí)間長(zhǎng)短將對(duì)其生物附著性產(chǎn)生很大影響；王震等對(duì)青島石雀灘海域生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究表明，板件的擺放位置對(duì)生物附著性會(huì)產(chǎn)生影響。因此，采用掛板檢測(cè)，需要嚴(yán)格控制投放時(shí)間和投放位置。

目前常用的掛板檢測(cè)法是將人工魚礁試件用纜繩懸掛后，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件與海洋環(huán)境將其沉降至海水中最佳吊掛深度，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)將板件撈出。根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范 第6 部分：海洋生物調(diào)查》（GB/T 12763.6—2007），在每塊試體上隨機(jī)取樣5組，每組用刻度尺量定2 cm×2 cm 的方格，用小刀將各組附著生物取下裝瓶，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%中性甲醛溶液固定后密封、標(biāo)記，送實(shí)驗(yàn)室鑒別其生物種類。將藻類生物樣品放置烘箱內(nèi)于80 ℃的溫度下烘干，稱質(zhì)量；將浮游動(dòng)物樣品用分樣器分樣，直到計(jì)數(shù)樣品中浮游動(dòng)物的數(shù)量達(dá)到 300～500 個(gè)為止。

1.1.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于礁區(qū)生物附著性的測(cè)試結(jié)果，文獻(xiàn)[8-10]在研究物種多樣性的基礎(chǔ)上，采用了Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H'）、Pielous 均勻度指數(shù)（J）及優(yōu)勢(shì)種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（Y）等，對(duì)生物附著性能進(jìn)行分析，通過(guò)SPSS16.0、Primer 6.0 等軟件完成對(duì)礁區(qū)生物附著性的評(píng)估。公式如下：

上式中：S——樣品種類數(shù)，種；p——第i 種的個(gè)數(shù)與樣品總個(gè)數(shù)的比值；f——第i 種在各樣品中出現(xiàn)的頻率；n/N——第i 種的個(gè)數(shù)與樣品總個(gè)數(shù)的比值。

1.2 捕撈檢測(cè)法

捕撈檢測(cè)法是利用浮游生物采集網(wǎng)、刺網(wǎng)、底質(zhì)取樣器3 種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)針對(duì)浮游生物、魚類、大型底棲生物樣本的收集及鑒定，可更加精確地反映了礁區(qū)的真實(shí)情況。袁小楠等利用淺水型浮游生物網(wǎng)對(duì)威海近岸礁區(qū)生物資源恢復(fù)效果進(jìn)行了研究；梁君等利用三重刺網(wǎng)對(duì)中街山列島礁區(qū)魚類資源及群落多樣性季節(jié)變化進(jìn)行了研究；高愛根等利用采泥器對(duì)象山港養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)底棲生物生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了研究。

（1）浮游生物采集網(wǎng)。檢測(cè)時(shí)，先在礁區(qū)中選取站點(diǎn)，在站點(diǎn)周圍，可將網(wǎng)縛于船上以慢速拖拽10～20 min 將網(wǎng)提起；也可按照戴媛媛的測(cè)試方法，自海底至海面垂直將網(wǎng)提起。待水濾去，打開網(wǎng)頭，將采集物倒入貼有標(biāo)簽的樣品瓶中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的甲醛溶液固定保存，帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定分析。

（2）刺網(wǎng)。檢測(cè)時(shí)，先在礁區(qū)中選取站點(diǎn)，在站點(diǎn)周圍每次放置1 張網(wǎng)，通過(guò)調(diào)整浮子，使刺網(wǎng)底綱距離海底0.5 m。放置24 h 后提起漁網(wǎng)，對(duì)所獲樣品現(xiàn)場(chǎng)分類、計(jì)數(shù)，將漁獲物低溫冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室分析鑒定。

（3）底質(zhì)取樣器。常見的取樣器主要有箱式、抓斗式、拖網(wǎng)3 種。①箱式取樣器：靠重錘重力使采樣筒插入海底沉積物中，閉合鏟轉(zhuǎn)動(dòng)切取底部沉積物進(jìn)入采樣筒后提起；②抓斗式采泥器：將采泥器探入海底，用力提拉采樣抓斗，使抓斗自動(dòng)關(guān)閉，將底部污泥采入采樣抓斗后提起；③拖網(wǎng)：利用船舶前進(jìn)拖拽拖網(wǎng)，迫使拖網(wǎng)經(jīng)過(guò)水域中的魚蝦蟹等捕撈對(duì)象進(jìn)入網(wǎng)囊，10～20 min 后提起。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所獲樣品分類、計(jì)數(shù)，數(shù)量＜50 尾的物種全部取樣；若單一物種數(shù)量＞50 尾，根據(jù)漁獲物大小和組成特點(diǎn)按比例隨機(jī)取樣。所有樣品均低溫冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室分類鑒定。

1.3 聲學(xué)探測(cè)法

聲學(xué)探測(cè)法是利用聲學(xué)探測(cè)技術(shù)，對(duì)海洋物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析。經(jīng)過(guò)多年快速發(fā)展，聲學(xué)探測(cè)儀器種類越來(lái)越多。Asada 等利用Simrad EY60 科學(xué)魚探儀對(duì)大亞灣人工礁區(qū)的漁業(yè)資源數(shù)量進(jìn)行了跟蹤調(diào)查；徐毅等利用Simrad EY60科學(xué)魚探儀對(duì)柘林灣和南澳島海洋牧場(chǎng)的漁業(yè)資源開展了調(diào)查；沈蔚等詳細(xì)論述了C3D 側(cè)掃聲吶在人工魚礁觀測(cè)中的應(yīng)用。綜上所述，聲學(xué)探測(cè)法減少了對(duì)環(huán)境的干擾，在不驚擾生物群落的情況下，監(jiān)測(cè)生物附著情況，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于探測(cè)成本高和水下探測(cè)儀技術(shù)條件的限制，目前國(guó)內(nèi)基于聲學(xué)技術(shù)展開人工魚礁附著性的研究還很少。

1.3.1 探測(cè)方法

由于聲學(xué)檢測(cè)方法成本高，不確定因素多，檢測(cè)前，務(wù)必進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，設(shè)計(jì)合理的測(cè)量路線，才能保證數(shù)據(jù)采集順利完成。除外，探測(cè)儀器還需嚴(yán)格按照相關(guān)聲學(xué)調(diào)查規(guī)范要求進(jìn)行校正。在完成準(zhǔn)備工作后，通過(guò)支架將換能器固定于船舷一側(cè)，調(diào)試設(shè)備選擇走航式或者固定式的檢測(cè)方法開展檢測(cè)。（1）走航式探測(cè)。以緩慢均勻的速度沿設(shè)計(jì)路線航行，通過(guò)儀器快速獲取探測(cè)海域內(nèi)聲學(xué)光譜和影像，從空間分布上評(píng)價(jià)礁區(qū)的生物附著情況。（2）固定式探測(cè)。選取多站點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的垂直探測(cè)，從時(shí)間角度上實(shí)現(xiàn)生物的定點(diǎn)探測(cè)，探測(cè)后，通過(guò)儀器自帶探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，完成測(cè)量，獲取高分辨率海底聲學(xué)光譜和影像，通過(guò)多站位比對(duì)，完成對(duì)生物附著性的評(píng)定。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于聲學(xué)探測(cè)后的數(shù)據(jù)分析，潘文杰等利用Echoview9 軟件結(jié)合回聲積分法完成原始數(shù)據(jù)向魚類資源量的轉(zhuǎn)換；郭棟等利用Aris-1800 雙頻聲納觀測(cè)人工魚礁的過(guò)程中生成的圖像，結(jié)合二值化法對(duì)魚類的聲學(xué)圖像進(jìn)行處理；劉敏等采用 sonarwiz 軟件分析、MATALAB 去噪、canny 軟件邊緣測(cè)算和discover 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種綜合主觀、客觀信息的間接評(píng)價(jià)方法，常被應(yīng)用于評(píng)價(jià)多因素作用的模型。人工魚礁處于一個(gè)開放的魚礁生態(tài)系統(tǒng)，其不斷和周圍海區(qū)進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換，礁區(qū)的環(huán)境理化因子和生物因子也在內(nèi)力和外力的共同作用下不斷變化。因此，可通過(guò)建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，綜合分析人工魚礁的生物附著性。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)研究，結(jié)合人工魚礁生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，可選擇pH 值、溶出物（活性磷酸鹽、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、硅酸鹽）等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.1.1 pH 值與試驗(yàn)方法

pH 值是衡量海洋環(huán)境的重要參數(shù)。Bronson 等發(fā)現(xiàn)人工魚礁pH 值與生物附著有關(guān)；馮業(yè)城等研究表明，pH 值間接反映了混凝土材質(zhì)的人工魚礁生物附著性能的優(yōu)劣。

為還原海洋環(huán)境，需按照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3097—1997）要求配制人工海水，并制作人工魚礁試塊?？紤]到人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)，可根據(jù)文獻(xiàn)[24]采用動(dòng)水浸泡與靜水浸泡的方法。靜水時(shí)，將試塊分別浸沒(méi)在去離子水和人工海水2 組預(yù)置的模具中，每隔24 h 對(duì)浸出液取樣裝瓶；動(dòng)水時(shí)，通過(guò)在模具上預(yù)留孔，每隔24 h 換水1 次，收集換出水取樣裝瓶。在完成上述操作后，將上述4 瓶樣液根據(jù)《海水堿度的測(cè)定》（HY/T 178—2014）測(cè)定其pH 值。

2.1.2 溶出物與試驗(yàn)方法

人工魚礁溶出的營(yíng)養(yǎng)鹽參與了海洋環(huán)境的循環(huán)，影響著藻類與浮游植物的生長(zhǎng)發(fā)育，其分布特征直接影響了海洋的生物資源。因此，可以根據(jù)人工魚礁投入使用后海水中溶出物指標(biāo)的變化，評(píng)價(jià)其生物附著性。檢測(cè)時(shí)，為還原海洋環(huán)境，需按照規(guī)范配制人工海水，并制作人工魚礁試塊。將試塊投放在人工海水中，盛取等量的人工海水留作空白樣。每隔相同時(shí)間多次取樣，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第4 部分 海水化學(xué)要素調(diào)查》（GB/T 12763.4—2007）中相關(guān)方法檢測(cè)，見表1。

表1 溶出物檢測(cè)方法

2.2 指標(biāo)權(quán)重賦值

因生物附著性的綜合評(píng)價(jià)方法包含有多個(gè)指標(biāo)，且各指標(biāo)的重要性存在差異，因此需要確定所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，才能作出準(zhǔn)確判斷。為將各指標(biāo)形成統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，參考文獻(xiàn)[22]的層次分析法，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，通過(guò)建立逆向指標(biāo)、正向指標(biāo)和適度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)間的可操作運(yùn)算，采用閾值法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式如下。

式中：x——單項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；X——單項(xiàng)指標(biāo)的最大值；x——單項(xiàng)指標(biāo)的最小值；a、b——指標(biāo)最佳范圍閾值；k——隸屬度函數(shù)指數(shù)（其中pH值、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽隸屬度函數(shù)k 值為1，其他指標(biāo)隸屬度函數(shù)的k 值由其對(duì)應(yīng)的分指數(shù)計(jì)算）。根據(jù)所選評(píng)價(jià)指標(biāo)的性質(zhì)，按照3 個(gè)公式對(duì)其進(jìn)行分類和標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算。評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

2.3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)歸一化值及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立生物附著性綜合健康指數(shù)模型，得到公式如下：

式中：EHI——生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)；W——第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；EHI——第i 個(gè)指標(biāo)的分指數(shù)，綜合健康指數(shù)EHI 的分布范圍為[0，1]。綜合健康指數(shù)對(duì)應(yīng)的生物附著狀況見表3。

表3 生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)變化

3 對(duì)比分析

直接分析法與模糊評(píng)價(jià)法，分別從直接和間接的角度對(duì)生物附著性進(jìn)行測(cè)試。直接分析法評(píng)價(jià)思路清晰，結(jié)果直觀明了；模糊評(píng)價(jià)法操作簡(jiǎn)便，分析全面。但直接分析法的掛板檢測(cè)法，由于掛板在礁區(qū)，只能處于懸浮狀態(tài)，可能導(dǎo)致海底浮游生物類群無(wú)法附著而降低試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；捕撈檢測(cè)法由于檢測(cè)范圍廣，取樣隨機(jī)性強(qiáng)，可能使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差；聲學(xué)檢測(cè)法由于探測(cè)聲吶分辨力有限，目標(biāo)密集時(shí)可能導(dǎo)致測(cè)量效果不佳。模糊評(píng)價(jià)法中由于評(píng)價(jià)時(shí)指標(biāo)選用主觀性強(qiáng)，相對(duì)隸屬度權(quán)系數(shù)偏小，使權(quán)矢量與模糊矩陣不匹配，可能出現(xiàn)超模糊現(xiàn)象，導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。

為保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可將各種檢測(cè)方法搭配使用。采用掛板檢測(cè)法時(shí)，可搭配采泥器捕撈檢測(cè)輔助測(cè)量，解決海底浮游生物難以檢測(cè)的問(wèn)題；采用捕撈檢測(cè)法時(shí)，可搭配聲學(xué)探測(cè)法，輔助觀測(cè)海底動(dòng)態(tài)狀況，選取最優(yōu)測(cè)點(diǎn)，避免隨機(jī)性強(qiáng)的問(wèn)題；采用聲學(xué)探測(cè)法時(shí)可搭配捕撈檢測(cè)法或仿真模擬試驗(yàn)，對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行復(fù)驗(yàn)和鑒定，避免探測(cè)聲吶分辨力有限、目標(biāo)密集等問(wèn)題；采用模糊綜合評(píng)價(jià)法時(shí)，可搭配直接評(píng)價(jià)法開展佐證試驗(yàn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面和客觀。