山东俚岛人工鱼礁区生态效果初步评价

摘要

人工鱼礁通常指在预定海域设置的一种能够吸引鱼类等海洋生物聚集、栖息的渔业工程设施，具有改善生物栖息地环境、增殖保护渔业资源的生态功能。当进行人工鱼礁生态效果评价时，从初级碳源到次级生产力的转化效果是重要的参考指标之一;另外，人工鱼礁的投放能够改变海区小尺度范围的生态系统结构，这种结构的改变往往与系统功能紧密相联，生态系统结构的变化通常暗示了生态系统功能的健康度。因此，在进行生物资源和环境修复过程中，监测与评价生态系统结构的稳定性、食物网能量转化与流动，对正确评估人工鱼礁生态效应，维护水域生态系统平衡和可持续利用意义重大。
　　本研究以我国北黄海沿岸具有代表性的俚岛人工鱼礁生态系统为案例，以建礁后3～7年(2009年至2013年间)的生物资源和生态环境跟踪调查数据为依据，利用群落结构分析法、食性分析技术和生态系统模型等手段，研究了俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物的群落结构特征，比较了三种优势岩礁性鱼类的营养生态位差异，评价了人工鱼礁生态系统的结构和功能，并对该系统的渔业管理策略进行了初步的探讨。具体结果如下:
　　1.俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落结构特征及其与主要环境因子的关系
　　基于2009年5月至2010年2月于山东荣成俚岛人工鱼礁区和对照区4个季度月的地笼网数据及同步的环境数据，采用群落多样性和丰富度指数分析了鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落组成和物种多样性的时空分布特征，运用梯度分析法对调查区域底层鱼类和大型无脊椎动物群落格局与环境因子进行排序分析，结合蒙特卡罗检验确定影响鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落结构的控制因子。结果发现:调查期间共捕获底层鱼类和大型无脊椎动物18种，隶属于8目15科，优势种为许氏平鲉(ebastes schlegelii)、大泷六线鱼(Hexagrammos otakii)和斑头鱼(Hexagrammos agrammus)，其中许氏平鲉在渔获量组成中占绝对优势(41％);鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物的渔获种类数和渔获量高于各自对照区，但差异不显著（P＞0.05）;季度月平均CPUE最高值出现在近岸礁区，达到830.24 g/(net.d);群落组成特征值上，春秋季的群落组成特征值最大，但鱼礁区与对照区间并无显著差异(P＞0.05)。聚类分析表明，春季、夏季和冬季均是季度月内不同区域的样方相似性较高，而秋季的远岸礁区及其对照区样方与春季各区域样方的相似性高于秋季近岸礁区及其对照区;RDA分析表明，水温对底层鱼类和大型无脊椎动物群落组成变化的解释量为37.1％，是主要的解释因子(P=0.002)。水温和水深等环境因子主导了俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落结构的时空变化。
　　2.俚岛近岸和远岸人工鱼礁区三种优势岩礁性鱼类的营养生态位比较
　　利用碳氮稳定同位素(δ13C和δ15N)和胃含物分析技术，比较了2013年夏季俚岛近、远岸礁区三种优势岩礁性鱼类（大泷六线鱼、许氏平鲉和斑头鱼）的摄食习性和营养生态位，并使用贝叶斯碳氮稳定同位素混合模型SIAR估算了潜在食物源对三种岩礁性鱼类稳定同位素的贡献比。胃含物分析表明，近岸礁区三种岩礁性鱼类均为底栖动物食性且食性分化明显，基于饵料质量百分比(M％)，斑头鱼主要摄食多毛类(M％=33.7％)，其次为甲壳类(M％=29.5％)和海藻类(M％=23.73％);大泷六线鱼主要以蟹类(M％=67.45％)等甲壳类(M％=82.21)为主，兼食少量多毛类(M％=2.24％)和海藻(M％=0.70％);许氏平鲉主要摄食鱼类(M％=79.67％)和甲壳类(M％=20.31％);远岸礁区大泷六线鱼和许氏平鲉的主要饵料生物类群为虾类。稳定同位素分析表明，近岸礁区三种岩礁性鱼类及其潜在食物源的碳氮稳定同位素(δ13C和δ15N)差异显著(P＜0.001)，三种岩礁性鱼类间δ13C的差异表明了营养生态位的分化，δ15N排序为大泷六线鱼(15.31±0.30‰)＞许氏平鲉（14.98±0.59‰）＞斑头鱼(14.47±0.50‰);远岸礁区三种岩礁性鱼类的碳氮稳定同位素(δ13C和δ15N)差异不显著（P＞0.05)，但潜在食物源间存在明显不同(P＜0.001)。基于贝叶斯稳定同位素混合模型SIAR的分析结果表明，近岸礁区三种岩礁性鱼类均为底栖动物食性，三种岩礁性鱼类的稳定同位素贡献值主要来自底栖动物（鱼类、虾类、蟹类），但贡献比存在差异，其中大泷六线鱼稳定同位素值的贡献比主要来自虾类(23.0％)、鱼类(22.9％)、蟹类(22.0％)和多毛类(17.5％)，甲壳动物合计平均贡献达到50.9％，这与甲壳动物在大泷六线鱼胃含物中较高的M％(82.21％)具有一致性;虾类是斑头鱼稳定同位素值的绝对优势贡献成分，均值达到41.6％，其次是蟹类(14.9％)、多毛类(12.1％)和海藻类(11.8％)，海藻在斑头鱼稳定同位素的贡献度与其在胃含物分析中M％(23.73％)的重要性相吻合;许氏平鲉的稳定同位素贡献值主要来自于虾类(31.1％)、蟹类(19.6％)、多毛类(14.8％)和鱼类(14.8％)。稳定同位素分析结果和胃含物分析结果共同表明，俚岛近岸礁区三种岩礁性鱼类的食性虽有一定重叠，但营养生态位分化明显，三种岩礁性鱼类具有很好的营养共存机制。
　　3.基于Ecopath模型的俚岛人工鱼礁区生态系统结构和功能评价
　　基于2009年～2012年在荣成俚岛人工鱼礁区进行的生物资源调查数据，利用EcopathwithEcosim(EWE)软件构建了俚岛人工鱼礁区生态系统生态通道模型(Ecopath)，系统分析了俚岛人工鱼礁区生态系统的能量流动规律和系统结构特征。研究结果表明:生态系统平均营养级变化范围由1.0到由Ⅲ型鱼类(蓝点马鲛Scomberomorus niphonius)占据的4.1;除碎屑外48.91％的总生物量(620.20 t km-2year-1)由底栖鱼类和多数无脊椎动物组成，渔业的年均总产量达到86.82 t km-2year-1，主要由低营养级碎屑食性的刺参(Apostichopusjaponicas)(TL=2.1)(46.07％)和草食性的其他棘皮动物(TL=2.1)(马粪海胆Hemicentrotus Pulcherrimus;光棘球海胆Strongylocentrotus nudus)(34.56％)以及皱纹盘鲍(Haliotis discus hannai)(TL=2.0)(18.43％)组成，因此呈现出一个相对低的捕捞渔获物营养级(2.09);系统总流量为11103.57 t km-2year-1，其中27.6％转换成碎屑，16.8％以捕捞和沉积的形式流出系统;系统总初级生产力为1865.24 t km-2year-1，整个系统的平均传递效率为11.70％，综合系统总初级生产量与总呼吸量比(TPP/TR=1.82)、系统连接指数(CI=0.32)、Finn's循环指数(FCI=5.46％)、平均能流路径(MPL=2.69)等系统特征指数，表明俚岛人工鱼礁区生态系统目前的成熟度，稳定性和扰动抵抗力相对较低，系统仍处在发展阶段。
　　4.基于EwE模型的俚岛近岸水域渔业管理模式初探
　　利用已平衡的俚岛人工鱼礁生态系统Ecopath模型估算了该生态系统中主要增殖种类刺参和皱纹盘鲍的生态容纳量。结果显示当前刺参和皱纹盘鲍的生态容纳量分别为220.4t km-2和235 t km-2，目前的现存量分别占估算生态容纳量的44.4％和22.34％，仍具一定的增殖空间。
　　基于Ecosim模型，分别设计了渔业管理模拟策略1（假设停止当前捕捞活动进行栖息地养护20年，其中前三年维持当前本底状态）和策略2（设定20年的模拟期限，以Ecopath模型本底状态运行模型3年，从第4年降低系统总捕捞努力量至当前50％水平，模拟后续17年的生态系统响应状况）。模拟结果显示，主要捕捞对象刺参和皱纹盘鲍的相对生物量在模拟期间均有显著增长，但并未导致大型底栖藻类和海草功能组和碎屑功能组显著的级联效应，表明当前生态系统结构主要为bottom-up过程控制。然而，模拟期间由于礁区优势种许氏平鲉生物量增长加大了对其饵料生物—小型底层鱼类等的捕食压力，导致了小型底层鱼类生物量的下降。因底层饵料生物不足及其组内自身捕食率的上升，模拟末期Ⅰ型、Ⅱ型鱼类和大泷六线鱼的相对生物量均分别下降了30～40％。两种渔业管理策略的模拟结果均表明，捕捞活动对当前生态系统的结构具有显著影响。
　　策略3通过模拟前10年逐渐移除研究区域周边的海带养殖设施，观察后续10年生态系统的响应状况，评价了该海域藻类养殖活动对模拟生态系统能流的影响。模拟结果显示，碎屑食性功能组如刺参和异样细菌等相对生物量分别下降了12.73％和31.37％，而传统牧食食物链营养终端各功能组的相对生物量明显增加，如Ⅲ型鱼类(蓝点马鲛Scomberomorus niphonius)和其主要食物—小型表层鱼类功能组的相对生物量在模拟末期分别增长了200％和120％。由此表明，近岸藻类浮筏养殖活动可能抑制了牧食食物链，加强了底栖食物网的能流。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1 人工鱼礁建设

1．1 研究背景

1．2 人工鱼礁定义和功能

1．3 国内外人工鱼礁建设及发展概况

1．4 山东省人工鱼礁建设历史及现状

1．5 山东俚岛高绿人工鱼礁项目

2 人工鱼礁生态效果评价研究进展

2．1 人工鱼礁生物群落研究进展

2．2 人工鱼礁摄食生态和食物网研究进展

3 本研究目的和意义

4 本研究技术路线

第二章 俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落结构特征及其与主要环境因子的关系

1 前言

2 材料和方法

2．1 取样地点

2．2 样品采集与分析

2．3 数据处理与分析

3 结果和分析

3．1 俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落的种类组成、优势种及CPUE

3．2 俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落特征

3．3 俚岛人工鱼礁区底层鱼类和大型无脊椎动物群落与环境因子的关系

4 讨论

第三章 俚岛人工鱼礁区三种优势岩礁性鱼类的营养生态位比较

1 前言

2 材料和方法

2．1 取样地点

2．2 稳定同位素分析

2．3 胃含物分析

2．4 统计分析

3 结果

3．1 胃含物分析

3．2 稳定同位素分析

3．3 稳定同位素混合模型

3．4 稳定同位素值的空间比较

4 讨论

4．1 三种岩礁性鱼类营养生态位的比较

4．2 稳定同位素值的空间差异分析

4．3 稳定同位素混合模型

第四章 基于Ecopath模型的俚岛人工鱼礁区生态系统结构和功能评价

1 前言

2 材料和方法

2．1 模拟区域

2．2 Ecopath模型

2．3 模型定义

2．4 模型参数

2．5 模型调试

2．6 Pedigree指数

2．7 混合营养效应

2．8 关键种指数

2．9 网络分析

3 结果

3．1 生态系统物质和能量流动

3．2 混合营养效应和关键种

3．3 网络分析和系统属性

4 讨论

4．1 生态系统物质和能量流动

4．2 生态系统稳定性和成熟度评价

4．3 渔业状态和其对生态系统的影响

第五章 基于EwE模型的俚岛近岸水域渔业管理模式初探

1 前言

2 材料和方法

2．1 研究地点

2．2 生态容纳量

2．3 Ecosim模型

2．4 模拟策略的设计

3 结果

3．1 刺参和皱纹盘鲍的生态容纳量

3．2 易捕食参数(Vulnerability)的探索

3．3 模拟策略评价

4 讨论

4．1 刺参和皱纹盘鲍的生态容纳量

4．2 易捕食参数(Vulnerability)的评价

4．3 渔业和养殖活动对系统能流的影响

第六章 总结

1 主要结论

2 存在的问题

3 研究展望

附录

参考文献

致谢

个人简历

在学期间的学术成果