人工魚礁生物附著性測試方法

羅鑫昊，桑梓涵，馮業城，高華

（山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

隨著海洋生態環境的不斷惡化，天然魚礁已然不能滿足生態需求。為促進資源恢復，改善海洋生態環境，人工魚礁應運而生。人工魚礁作為未來海洋牧場建設的重要設施，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漁業增殖效果影響不同。隨著人類對海洋環境保護意識的逐步增強，人工魚礁能否改善海洋生物棲息環境成為研究的熱點。

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、組成及數量變化直接影響著礁區的生態效應，因此生物附著性可作為人工魚礁效果評價的重要衡量指標。現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。現簡述了直接分析法與模糊評價法，以期為評價人工魚礁的應用效果提供技術參考。

1 直接分析法

1.1 掛板檢測法

掛板檢測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試。文獻[4-6]的相關試驗表明，掛板檢測法原理簡單，評價方法直接，在測試上有顯著優勢，因而得到廣泛應用。

1.1.1 采樣方法

掛板檢測時，對掛板的大小、尺寸無特殊要求，對投放位置和投放時間有一定的要求。林和山等對東山灣污損生物的調查結果表明，掛板投放時間長短將對其生物附著性產生很大影響；王震等對青島石雀灘海域生物群落結構影響的研究表明，板件的擺放位置對生物附著性會產生影響。因此，采用掛板檢測，需要嚴格控制投放時間和投放位置。

目前常用的掛板檢測法是將人工魚礁試件用纜繩懸掛后，根據當地氣候條件與海洋環境將其沉降至海水中最佳吊掛深度，在設定的時間內將板件撈出。根據《海洋調查規范 第6 部分：海洋生物調查》（GB/T 12763.6—2007），在每塊試體上隨機取樣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，用質量分數為5%中性甲醛溶液固定后密封、標記，送實驗室鑒別其生物種類。將藻類生物樣品放置烘箱內于80 ℃的溫度下烘干，稱質量；將浮游動物樣品用分樣器分樣，直到計數樣品中浮游動物的數量達到 300～500 個為止。

1.1.2 數據分析

對于礁區生物附著性的測試結果，文獻[8-10]在研究物種多樣性的基礎上，采用了Shannon-Wiener 多樣性指數（H'）、Pielous 均勻度指數（J）及優勢種優勢度指數（Y）等，對生物附著性能進行分析，通過SPSS16.0、Primer 6.0 等軟件完成對礁區生物附著性的評估。公式如下：

上式中：S——樣品種類數，種；p——第i 種的個數與樣品總個數的比值；f——第i 種在各樣品中出現的頻率；n/N——第i 種的個數與樣品總個數的比值。

1.2 捕撈檢測法

捕撈檢測法是利用浮游生物采集網、刺網、底質取樣器3 種設備，實現針對浮游生物、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的真實情況。袁小楠等利用淺水型浮游生物網對威海近岸礁區生物資源恢復效果進行了研究；梁君等利用三重刺網對中街山列島礁區魚類資源及群落多樣性季節變化進行了研究；高愛根等利用采泥器對象山港養殖區與非養殖區底棲生物生態環境進行了研究。

（1）浮游生物采集網。檢測時，先在礁區中選取站點，在站點周圍，可將網縛于船上以慢速拖拽10～20 min 將網提起；也可按照戴媛媛的測試方法，自海底至海面垂直將網提起。待水濾去，打開網頭，將采集物倒入貼有標簽的樣品瓶中，用質量分數為5%的甲醛溶液固定保存，帶回實驗室鑒定分析。

（2）刺網。檢測時，先在礁區中選取站點，在站點周圍每次放置1 張網，通過調整浮子，使刺網底綱距離海底0.5 m。放置24 h 后提起漁網，對所獲樣品現場分類、計數，將漁獲物低溫冷凍保存，帶回實驗室分析鑒定。

（3）底質取樣器。常見的取樣器主要有箱式、抓斗式、拖網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，閉合鏟轉動切取底部沉積物進入采樣筒后提起；②抓斗式采泥器：將采泥器探入海底，用力提拉采樣抓斗，使抓斗自動關閉，將底部污泥采入采樣抓斗后提起；③拖網：利用船舶前進拖拽拖網，迫使拖網經過水域中的魚蝦蟹等捕撈對象進入網囊，10～20 min 后提起。現場對所獲樣品分類、計數，數量＜50 尾的物種全部取樣；若單一物種數量＞50 尾，根據漁獲物大小和組成特點按比例隨機取樣。所有樣品均低溫冷凍保存，帶回實驗室分類鑒定。

1.3 聲學探測法

聲學探測法是利用聲學探測技術，對海洋物理參數進行測量和分析。經過多年快速發展，聲學探測儀器種類越來越多。Asada 等利用Simrad EY60 科學魚探儀對大亞灣人工礁區的漁業資源數量進行了跟蹤調查；徐毅等利用Simrad EY60科學魚探儀對柘林灣和南澳島海洋牧場的漁業資源開展了調查；沈蔚等詳細論述了C3D 側掃聲吶在人工魚礁觀測中的應用。綜上所述，聲學探測法減少了對環境的干擾，在不驚擾生物群落的情況下，監測生物附著情況，確保了數據的準確性。由于探測成本高和水下探測儀技術條件的限制，目前國內基于聲學技術展開人工魚礁附著性的研究還很少。

1.3.1 探測方法

由于聲學檢測方法成本高，不確定因素多，檢測前，務必進行現場勘察，設計合理的測量路線，才能保證數據采集順利完成。除外，探測儀器還需嚴格按照相關聲學調查規范要求進行校正。在完成準備工作后，通過支架將換能器固定于船舷一側，調試設備選擇走航式或者固定式的檢測方法開展檢測。（1）走航式探測。以緩慢均勻的速度沿設計路線航行，通過儀器快速獲取探測海域內聲學光譜和影像，從空間分布上評價礁區的生物附著情況。（2）固定式探測。選取多站點進行長時間的垂直探測，從時間角度上實現生物的定點探測，探測后，通過儀器自帶探測系統進行分析，完成測量，獲取高分辨率海底聲學光譜和影像，通過多站位比對，完成對生物附著性的評定。

1.3.2 數據分析

對于聲學探測后的數據分析，潘文杰等利用Echoview9 軟件結合回聲積分法完成原始數據向魚類資源量的轉換；郭棟等利用Aris-1800 雙頻聲納觀測人工魚礁的過程中生成的圖像，結合二值化法對魚類的聲學圖像進行處理；劉敏等采用 sonarwiz 軟件分析、MATALAB 去噪、canny 軟件邊緣測算和discover 軟件對數據進行處理。

2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種綜合主觀、客觀信息的間接評價方法，常被應用于評價多因素作用的模型。人工魚礁處于一個開放的魚礁生態系統，其不斷和周圍海區進行著物質和能量的交換，礁區的環境理化因子和生物因子也在內力和外力的共同作用下不斷變化。因此，可通過建立模糊綜合評價模型，綜合分析人工魚礁的生物附著性。

2.1 評價指標

根據國內外對海洋生態系統健康的相關研究，結合人工魚礁生態系統的結構特征，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）等多個指標進行分析。

2.1.1 pH 值與試驗方法

pH 值是衡量海洋環境的重要參數。Bronson 等發現人工魚礁pH 值與生物附著有關；馮業城等研究表明，pH 值間接反映了混凝土材質的人工魚礁生物附著性能的優劣。

為還原海洋環境，需按照《海水水質標準》（GB 3097—1997）要求配制人工海水，并制作人工魚礁試塊。考慮到人工魚礁的流場效應，可根據文獻[24]采用動水浸泡與靜水浸泡的方法。靜水時，將試塊分別浸沒在去離子水和人工海水2 組預置的模具中，每隔24 h 對浸出液取樣裝瓶；動水時，通過在模具上預留孔，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《海水堿度的測定》（HY/T 178—2014）測定其pH 值。

2.1.2 溶出物與試驗方法

人工魚礁溶出的營養鹽參與了海洋環境的循環，影響著藻類與浮游植物的生長發育，其分布特征直接影響了海洋的生物資源。因此，可以根據人工魚礁投入使用后海水中溶出物指標的變化，評價其生物附著性。檢測時，為還原海洋環境，需按照規范配制人工海水，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。每隔相同時間多次取樣，將樣品帶回實驗室，按照《海洋監測規范 第4 部分 海水化學要素調查》（GB/T 12763.4—2007）中相關方法檢測，見表1。

表1 溶出物檢測方法

2.2 指標權重賦值

因生物附著性的綜合評價方法包含有多個指標，且各指標的重要性存在差異，因此需要確定所有評價指標的權重，才能作出準確判斷。為將各指標形成統一的度量標準，參考文獻[22]的層次分析法，對各項指標進行賦權，通過建立逆向指標、正向指標和適度指標，實現指標間的可操作運算，采用閾值法對指標進行歸一化處理，計算公式如下。

式中：x——單項指標的實測值；X——單項指標的最大值；x——單項指標的最小值；a、b——指標最佳范圍閾值；k——隸屬度函數指數（其中pH值、無機氮和活性磷酸鹽隸屬度函數k 值為1，其他指標隸屬度函數的k 值由其對應的分指數計算）。根據所選評價指標的性質，按照3 個公式對其進行分類和標準化計算。評價指標歸一化函數與標準見表2。

表2 評價指標歸一化函數與標準

續表

2.3 綜合評價

根據各項指標歸一化值及其對應的權重，利用模糊綜合評價法建立生物附著性綜合健康指數模型，得到公式如下：

式中：EHI——生態系統綜合健康指數；W——第i個指標的權重；EHI——第i 個指標的分指數，綜合健康指數EHI 的分布范圍為[0，1]。綜合健康指數對應的生物附著狀況見表3。

表3 生態系統綜合健康指數變化

3 對比分析

直接分析法與模糊評價法，分別從直接和間接的角度對生物附著性進行測試。直接分析法評價思路清晰，結果直觀明了；模糊評價法操作簡便，分析全面。但直接分析法的掛板檢測法，由于掛板在礁區，只能處于懸浮狀態，可能導致海底浮游生物類群無法附著而降低試驗結果的準確性；捕撈檢測法由于檢測范圍廣，取樣隨機性強，可能使檢測結果產生誤差；聲學檢測法由于探測聲吶分辨力有限，目標密集時可能導致測量效果不佳。模糊評價法中由于評價時指標選用主觀性強，相對隸屬度權系數偏小，使權矢量與模糊矩陣不匹配，可能出現超模糊現象，導致分析結果不準確。

為保證檢測結果準確，實際檢測時，可將各種檢測方法搭配使用。采用掛板檢測法時，可搭配采泥器捕撈檢測輔助測量，解決海底浮游生物難以檢測的問題；采用捕撈檢測法時，可搭配聲學探測法，輔助觀測海底動態狀況，選取最優測點，避免隨機性強的問題；采用聲學探測法時可搭配捕撈檢測法或仿真模擬試驗，對其測試結果進行復驗和鑒定，避免探測聲吶分辨力有限、目標密集等問題；采用模糊綜合評價法時，可搭配直接評價法開展佐證試驗，使評價結果更加全面和客觀。