天津大神堂人工鱼礁区生态养护效果的初步评估

    于洁+王宇+房恩军+张博伦+王群山

    

    

    

    摘要：根据天津海域活牡蛎礁区人工鱼礁区2012年5月份的本底调查和2012年8月份、2013年5月份和8月份3个航次的渔业资源跟踪调查数据，采用生物多样性指数分析了投礁前后渔业资源种类组成和物种多样性的时空分布特征。海域游泳动物群落的健康状况指标（Exergy值）投礁后高于投礁前，但差异不明显（P<0.05）。聚类分析表明，本底调查和跟踪调查样方分区明显，表明鱼礁投放后，鱼礁区群落结构明显改善。投礁后物种种类数和总生产效益的增加说明人工鱼礁建设取得了明显的生态效益和经济效益。

    关键词：天津活牡蛎礁区；人工鱼礁；生态养护效果

    天津市大神堂海洋特别保护区位于汉沽区以南，面积大约35 km2，位于5 m水深处砂岗外。大神堂海域曾经是渤海湾重要的贝类（如扇贝、牡蛎等）渔场和栖息场所，是具有独特的生态环境和海洋生物资源的海域[1]。它是华北平原唯一保存下来的现代纯天然泥质活体牡蛎礁，该海域形成了活牡蛎礁为依托的独特生态系统。90年代后期，随着周围捕捞品种的不断减少，渔民加强了对这一海域贝类资源的开发利用。贝类资源成为主要采捕对象，生态环境和资源遭到严重破坏。近年来，随着天津海域的不断开发利用，研究区域附近就有如北疆电厂、中心渔港、汉沽产业园等多个大型用海工程立项实施，这些工程的建设都对该区域的海洋水动力环境造成了一定的影响[1-3]。

    为了改善大神堂保护区周边海域生物栖息地生态环境，提高生物多样性，在实地考察论证的前提下[4]，2012年8-12月在“活牡蛎礁”生态区进行生境构建示范区建设，利用GPS定位技术进行投放精确定位，投放100个牡蛎礁和750个生态鱼礁，共计0.25万空方，同时在生态修复示范区内对许氏平鮋、大泷六线鱼、贝类、梭鱼的生态功能群进行构建，形成约500 m×300 m的牡蛎礁区生态修复与生物资源恢复示范区（见图1）。

    Exergy作为热力学概念，是指系统从给定状态到与其周围介质达到平衡所能做的最大功。Exergy值可以从能量生态学角度作为评估生境修复后项目海域内动物变化的指标。其理论是起源于生态系统理论的一个热力学指标，通过对Exergy指标的应用，可以获得生态系统的数量和质量的变化，基于生物复杂性信息的Exergy可以非常直观地反映出目标海域动物群落的健康状况。同时可以看到Exergy计算比生物量、丰度分析更加简洁，而Exergy分析更具系统性和综合性。因此，Exergy理论被广泛用于评估生态系统的结构、功能和组成[5-12]。因此本项目运用局域Exergy的概念，进行了分析研究，力图从能量生态学的角度开展以构建多种功能群，丰富群落结构为主的生态修复工程的效果评价，为大范围的渤海湾海域生境修复提供理论支撑。

    1材料与方法

    1.1调查时间与站位

    采用拖网的调查方式分别于2012年和2013年5月、8月份对天津大神堂海域人工鱼礁区及邻近海域的渔业资源进行了建礁前的1次本底调查和建礁后的3次跟踪调查，本底调查站位为B1～B3，跟踪调查站位为G1～G7（见图1），调查船为津汉渔04028，各次调查每站拖网0.5 h，平均拖速为2.5 kn。

    1.2分析方法

    渔获分析中，地笼网单位捕捞努力量（ CPUE） 为每天每网笼单元的渔获量（ g·网-1·d-1 ） 。运用Primer5软件根据各航次各站位CPUE，进一步应用Primer5 软件包中的Cluster方法对各站位进行等级聚类分析，根据各航次各站位渔获量作为原始矩阵，然后进行平方根转换后，计算每两两站位之间的Bray-Curtis 相似性三角矩阵，据此做不同站位的相似度树状图。采用群落的物种数（S）、相对重要性指数（IRI）、Margalef丰富度指数（D）、Shannon-Wiener物种多样性指数（H'）、Pielou均匀度指数（J'）指数等方法。对项目礁区和对照区的收集和获得的捕获物生物组成进行分析。

    1.2.1投礁前后渔业资源种类相似性程度按Holme和Mcintyre提出的公式进行计算[10]：

    式中：a：投礁前种类数；b：投礁后种类数；c：共有种类数

    1.2.2Margalef丰富度指数

    S为物种数，N为动物密度（单位：个/m2）

    1.2.3Shannon-Wiener多样性指数

    Pi为样品中i种的丰度比例，如样品总丰度为N，第i种的丰度为ni，则Pi=ni/N。

    1.2.4Pielou均匀度指数（J'）指数

    式中：J'是为物种均匀度指数；H'为物种多样度指数；S为种类数。

    1.2.5优势种分析采用相对重要性指数IRI（Pinaka，1971）来研究单一鱼种在群落中的重要程度。

    计算公式：IRI=（n+m）F

    式中，IRI为相对重要性指数；，n为某一种类的尾数占总尾数的百分比；m为某一种类的质量占总质量的百分比；F为出现频率。其中IRI>1 000的种类为优势种；100

    1.2.6Exergy值

    其中Ex为“埃三极”（J/L）；R为气体常数；T为绝对温度；Ci为系统中第i种有机成分的浓度或生物量（mg/L）；βi为第i种有机成分的权重转换因子（J/mg）。βi值参考已有的报道，即鱼类取499，甲壳类取230，软体类取310[6]。

    礁区内渔获物的Exergy值用Exn表示，对照区渔获物的Exergy值用Exw表示。根据公式，用捕获的生物量和对应的参数βi可估算出每次采样的Exn和Exw。

    1.2.7Bray-Curtis 相似性指数Bjk

    

    式中，yij和yik分别为第j站位和第k站位i种的渔获量，i为出现种数（i=1，2，…，S），由此类推。

    1.2.8生产效益估算

    式中，S为各站总渔获种类；Vi为第i种种类在调查时的市场价格；y为拖网渔获率；v为平均拖速；l为网口宽度；E为逃逸率（取0.5）。

    2结果与分析

    2.1种类组成

    4个航次共采到渔获物36种，其中投礁前18种，投礁后30种（见表1-表2），其中鱼类13种，虾类14种，蟹类4种，软体类5种。各航次渔业资源类群构成见表2，随着人工鱼礁的投放时间的延续，渔获物的种类逐渐增多，鱼虾类在渔获物中所占比例逐渐增大。其中，鱼类比投礁前增加9种，虾类2种，蟹类1种。投礁前后渔获物共有种为11种，投礁前后物种的相似度为50.00%，其中以蟹类（Js=85.71%）和软体类（Js=5714%）物种相似度最高，虾类和鱼类相似性较小，种类变化较大。

    2012年和2013年拖网本底及跟踪调查结果表明，投礁后礁区游泳生物各航次平均资源密度为22 967 ind·km-2，高于2012年5月份本底调查的20 337 ind·km-2，是投礁前的1.13倍（表3）。虾类、软体类的平均尾数密度远高于投礁前，分别是投礁前的1.76倍和1.64倍。

    2012年和2013年拖网本底及跟踪调查结果表明，投礁后礁区游泳生物平均资源密度为1 024.58 kg·km-2，高于2012年5月份本底调查的404.75 kg·km-2，是投礁前的2.53倍（表4）。软体类、鱼类的平均资源密度远高于投礁前，分别是投礁前的4.21倍和3.42倍。

    根据调查结果，虾类平均重量资源密度远小于投礁前，而尾数资源密度则远大于投礁前，说明虾类在投礁后个体有减小的趋势。

    2.3多样性指数

    2012-2013年四个航次拖网渔获物的多样性指数见表5，投礁后生物多样性指数均小于投礁前，其中香农-威纳多样性指数和丰富度指数差异不明显，均匀度指数差异明显。

    2.4相对重要性指数IRI

    本次调查各航次优势种相对重要性指数（IRI）见表6，投礁前后共有优势种（IRI>1 000）为日本蟳，投礁后新增优势种为斑鰶、火枪乌贼、海蜇（麻）、海蜇（沙）、焦氏舌鳎、日本关公蟹、隆线强蟹。

    2.5Exergy值

    经过Exergy值的计算，本底调查的Ex值为289 987.200 5±66 749.333 62 KJ·m-3，三次跟踪调查鱼礁区的平均生态能质为721 422.953 9±390 713.096 7 KJ·m-3，T检验表明没有显著性差异（P>0.05）。

    2.6人工鱼礁区本底调查及跟踪监测调查游泳动物特征

    等级聚类分析表明（图2），2012年5月份礁区本底调查的3个样方聚为一大类，三次跟踪调查的7个样方聚为一大类，说明本底调查和跟踪调查游泳动物的群落结构差别较大。其中以B2和B3样方相似性最高（相似系数为82.898）； B1和G4样方差别最大（相似系数为28.507）。

    2.7投礁后礁区生产效益估算

    为评价投放人工鱼礁产生的经济价值，我们把水产市场出售的渔获物定义为经济种[13]，并对北塘、大神堂等地的市场价格进行调查，用生产效益评估公式计算两个航次礁区和对照区的总生产效益。

    投礁后礁区三个航次经济种平均总渔获量为1 117尾，为投礁前的1.56倍；平均总资源密度为170.1 kg·km-2，为投礁前的1.42倍；每平方千米比投礁前增加效益253.3元。

    ·km-2本底调查9716119.5597.5跟踪调查181 117170.1850.8

    3讨论

    人工鱼礁对渔业资源的增殖效果受底质、礁体性质、投放时间等因素的影响[14-19]。大量研究表明，人工鱼礁投放能起到聚集、养护和增殖渔业资源的效果[13-16]。对天津大神堂人工牡蛎礁区的调查结果表明，投礁一年后，渔获物种类数远多于投礁前，其中虾类和鱼类投礁前后相似性较小，种类变化较大。

    从数量上看，投礁后礁区游泳生物平均尾数资源密度为22 967 ind·km-2，是投礁前的1.13倍，差异不明显（P>0.05）。从重量上看，平均重量资源密度为1 024.58 kg·km-2，是投礁前的2.53倍，差异明显（P<0.05）。综合尾数和重量资源密度来看，鱼类和软体类在投礁后个体有增大的趋势，虾类个体有减小的趋势。

    人工鱼礁海域生物多样性指数分析显示，投礁前后各航次游泳动物群落多样性指数的差异不大，变化不明显。

    从优势种来看，投礁前后各航次优势种均有口虾蛄，投礁前软体动物优势种长蛸逐渐被火枪乌贼和海蜇替代，可能是因为火枪乌贼的数量和出现频率较高，海蜇的重量比例较高。鲬鱼逐渐被斑鰶和焦氏舌鳎替代，可能是因为斑鰶的数量和出现频率较高，焦氏舌鳎的重量比例较高。蟹类优势种新增了日本关公蟹和隆线强蟹，主要是因为蟹类的数量和出现频率较高。

    投礁后礁区Exergy值显著高于投礁前，但还没有显著差异，从能量生态学角度看，礁区生态系统逐步趋于稳定，但礁区的生态修复还需要一定的过程。

    调查海域站位渔获物聚类分析表明，不同航次间物种相似性符合投礁前和投礁后分区的特点，类群相似性和相异性区域比较集中，说明投礁前后此区域游泳动物结构类群变化较大，礁体对其影响效果明显。

    依据当地水产市场上出售的经济种类的价格，对投礁前后海域捕获的经济种类进行了总生产价值的估算，计算得出投礁后经济种种类是投礁前的2倍，总生产效益是投礁前的1.42倍，投礁后每平方千米约增值253.3元，人工鱼礁所产生的经济效益明显。

    参考文献：

    [1] 房恩军，马维林，刘茂利，等.天津市大神堂贝类保护区贝类资源本底调查报告[J].天津水产，2004（1）：20-24

    [2] 王志勇，赵庆良，邓岳，等.围海造陆形成后对生态环境和的影响“以天津临港工业区滩涂开发一期工程”为例[J].城市环境与城市生态，2004，17（6）：37-39

    [3] 聂红涛，陶建华.渤海湾海岸带开发对近海水环境影响分析[J].海洋工程，2008，26（3）：44-50.

    [4] 郭占锋.汉沽大神堂外海贝类资源增养殖探讨[J].天津水产，2003（1）：10-13

    [5] Fabiano，M.，Vassallo，P.，Vezz-ulli，L.，etal.，2004.Temporal and spatial change of Exergy and ascendeney in different benthic marine ecosystems.Energy，29：1697一1712

    [6] Jorgensen S E，Ladegard N，DebeljakM，MarquesJC.2005.Calculations of Exergy for organisms. Ecological Modelling，185：165-175

    [7] Jorgensen S E，MejerH.1979.A holistic approach to ecological modeling. Ecological Modelling，7：169-189