凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的可行性研究Ⅱ——供试体附着生物种类与生物量

陈勇田涛赵子仪刘永虎杨军陈辰

(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)

凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料的可行性研究Ⅱ
——供试体附着生物种类与生物量

陈勇,田涛,赵子仪,刘永虎,杨军,陈辰

(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)

将用凝石胶凝材料制作的水灰比为0.60、0.55、0.49、0.44的4种凝石供试体和相同水灰比的4种水泥供试体同时投放到同一海域中进行150 d的生物附着对比试验,每隔30 d观察并测定1次供试体表面附着生物的种类和生物量。结果表明:1)投放第30天时,凝石供试体与水泥供试体均无生物附着;第60天、第90天、第120天时,两种供试体表面附着生物的种类相同,均为10种;第150天时,两种供试体表面附着生物的种类相同,均为13种,主要有孔石莼Ulvapertusa、刺参Apostichopusjaponicus、虾夷马粪海胆Strongylocentrotusintermedius、矮拟帽贝Patelloidapygmaea等。2)投放第60天和第90天时,凝石供试体附着生物总量低于水泥供试体,但第90天时,凝石供试体附着生物量的增加速度明显快于水泥供试体;第120天时,凝石供试体附着生物总量已超过水泥供试体;第150天时,凝石供试体附着生物量平均值为344.85 g/cm2,水泥供试体附着生物量平均值为260.15 g/cm2,凝石组明显高于水泥组。3)投放第150天时,4种水灰比的凝石供试体附着生物量平均值分别为58.63、79.32、89.66、117.25 g/cm2,可见在试验范围内,凝石供试体表面附着生物量随着水灰比的降低即凝石胶凝材料含量的增加而增大。试验表明,凝石胶凝材料作为人工鱼礁的造礁材料在生物附着方面比水泥具有优越性,因而凝石胶凝材料作为人工鱼礁造礁材料具有实用性。

凝石;人工鱼礁材料;附着生物;海洋牧场

在近些年的海洋牧场建设和发展过程中,人工鱼礁的生态效应越来越明显,已引起人们的广泛关注。目前,对人工鱼礁的研究主要集中在人工鱼礁的集鱼功能、环境功能、饵料效应、造礁材料等方面[1-11]。而对于利用废弃物作为主材料制作人工鱼礁的研究较少。在提倡低碳节能的大环境下,选择节能环保的鱼礁材料制造人工鱼礁必将成为人们研究的新课题。

凝石胶凝材料是以高炉水淬矿渣、建筑石膏、硅酸盐水泥熟料、普通硅酸盐425水泥以及其他化学激发剂为主要原料,在常温、常压条件下生产出的高性能新型水泥产品[3]。以凝石胶凝材料作为人工鱼礁的造礁材料,不仅可以提高矿渣等工业废弃物的利用率,降低人工鱼礁的造礁成本,而且还可以减少传统造礁材料的水泥使用量,有利于节能环保[4]。

人工鱼礁的附着生物种类与数量是考核人工鱼礁生态效应的重要指标,因此,对人工鱼礁表面附着生物的研究也较多[5-14]。黄梓荣等[5]对不同人工鱼礁材料的生物附着效果进行了比较研究,认为表面粗糙的混凝土板、涂有红丹防锈漆的木板、涂有绿漆的铁板和灰色塑料板的附着效果最好。柿元皓[6]认为,附着生物的数量与水深、透明度存在着密切的关系。张伟等[7,10]研究表明,受海水环境和气候等因素影响,礁体附着生物的种类组成和数量出现明显的时空变化。安永义畅等[8]研究表明,鱼礁表面的生物着生量通常在其上面及侧面较大,投放在浅水域的鱼礁比深水域的鱼礁生物着生量大,其原因是光照充分。芹泽如比古等[9]研究表明,鱼礁表面的附着生物总量,在一定时间内逐渐增大,水深35 m处的鱼礁,9个月后其表面完全被附着生物覆盖,一年后就可形成大型藻类群落。笔者已通过试验证明了以凝石胶凝材料作为人工鱼礁材料在抗压强度和对海水pH值的影响方面均优于水泥材料[4]。在此基础上,本研究中将凝石供试体和水泥供试体投放到海中,进行生物附着的对比试验,旨在比较其表面附着生物的种类和数量,研究其在海洋中的生物附着性能,进一步探讨凝石胶凝材料作为人工鱼礁造礁材料的实用性。

1 材料与方法

1.1 材料

根据人工鱼礁抗压强度的要求,按照水泥混凝土配合比计算方法,设计4种水灰比0.60、0.55、0.49、0.44,将凝石和水泥两种材料各制成4种水灰比的供试体 (表1),规格为30 cm×30 cm×10 cm,每组各3块,共制作供试体24块。试验所用供试体的抗压强度、pH值见文献 [4]。所有供试体经淡水养护28 d后同时投放到同一海域中,用基座固定供试体,防止被海浪冲离原位置。试验在大连海洋大学南部海域潮间带进行,海底底质为砂石底。试验时间从2009年5月25日至2009年10月18日。试验期间共采样5次,采样日期分别为6月23日、7月23日、8月22日、9月21日及10月21日,即供试体投放后的第30天、第60天、第90天、第120天和第150天。

表1 供试体的编号及设计要求Tab.1 Themodule group and the experimental design

1.2 取样方法

于低潮时取样,在每块供试体上随机取样5组,每组为2 cm×2 cm(用游标卡尺量定),用小刀将各组附着生物取出装瓶,用体积分数为5%的福尔马林溶液固定后密封、标记。将样品带回实验室进行种类鉴别,用烘箱 (80℃)烘干样品,用电子天平称重。

1.3 附着生物量的计算

附着生物量按照下式计算:ρ=m/s,

式中:ρ为附着生物量 (g/cm2);m为样方内附着生物干重 (g);s为样方的面积 (cm2)。

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2 结果

2.1 供试体附着生物种类

第1次采样时,表层水温为13.2℃,盐度为32。此时供试体已投放海中30 d,肉眼观察两种材料的供试体表面均无附着生物。

第2次采样时,表层水温为18.8℃,盐度为32.5。此时供试体已投放海中60 d,两种供试体表面均附着有少量生物,优势种均为孔石莼Ulvapertusa,附着生物种类均为10种。(表2)。

第3次采样时,表层水温为24.6℃,盐度为32.7。此时供试体已投放海中90 d,两种供试体表面的附着生物量明显增多,优势种均为孔石莼,附着生物种类仍为10种,但附着生物种类却开始发生变化,供试体上发现少量绒毛近方蟹Hemigrapsuspenicillatus和大连紫海胆Strongylocentrotusnudus(表2)。

第4次采样时,表层水温为17.3℃,盐度为32.6。此时供试体已投放海中120 d,两种供试体表面已布满了附着生物,优势种均为孔石莼,附着生物种类仍为10种,并发现了较多的三棱骨螺(表2)。

表2 两种供试体附着生物名录Tab.2 The species com position attached on the two tested modules

第5次采样时,表层水温为14.8℃,盐度为32.2。此时供试体已投放海中150 d,附着生物基本覆盖了两种供试体的表面,优势种均为孔石莼,附着生物种类为 13种,新发现的蜈蚣栉蛇尾Cphiocomascolopendrina数量很少 (表2)。

2.2 供试体附着生物量

第2次采样时,凝石供试体附着生物量平均值为81.91 g/cm2,水泥供试体附着生物量平均值为128.11 g/cm2(表3),凝石供试体的生物附着量低于水泥供试体。凝石供试体各组中,S1组的附着生物量最少,为16.38 g/cm2,S4组的附着生物量最多,为25.39 g/cm2;水泥供试体各组中,C1组的附着生物量最少,为28.18 g/cm2,C4组的附着生物量最多,为37.15 g/cm2(图1)。随着凝石胶凝材料和水泥含量的增加,两种供试体的附着生物量均增大。两种材料供试体的优势种均为孔石莼,均占附着生物总量的83%以上。

第4次采样时,凝石供试体附着生物量平均值为180.44 g/cm2,水泥供试体附着生物量平均值为173.36 g/cm2(表3),凝石供试体的生物附着量略高于水泥供试体。凝石供试体各组中,S1组的附着生物量最少,为28.87 g/cm2,S4组的附着生物量最多,为70.37 g/cm2;水泥供试体各组中, C1组的附着生物量最少,为31.21 g/cm2,C4组的附着生物量最多,为64.14 g/cm2(图1)。随着凝石胶凝材料和水泥含量的增加,两种供试体的附着生物量均增大。两种材料供试体的优势种均为孔石莼,均占附着生物总量的77%以上。

第5次采样时,凝石供试体附着生物量平均值为344.85 g/cm2,水泥供试体附着生物量平均值为260.15 g/cm2(表3),凝石供试体的生物附着量明显高于水泥供试体。凝石供试体各组中,S1组的附着生物量最少,为58.63 g/cm2,S4组的附着生物量最多,为117.25 g/cm2;水泥供试体各组中,C1组的附着生物量最少,为52.03 g/cm2,C4组的附着生物量最多,为85.85 g/cm2(图1)。随着凝石胶凝材料和水泥含量的增加,两种供试体的附着生物量均增大,但凝石组的增长速度明显比水泥组快。两种材料供试体的优势种均为孔石莼,均占附着生物总量的52%以上。

表3 第2次～第5次采集样品的生物附着总量Tab.3 The total biomass of the attached organisms samp led from the second times to the fifth times g/cm2

3 讨论

3.1 供试体附着生物种类的变化

人工鱼礁投放到海里,会使人工鱼礁周围海域的非生物环境,如流场、光场、声场、底质地形等发生变化,非生物环境的变化又会引起生物环境的变化,其中一个明显变化就是人工鱼礁表面会有许多生物的附着和生长繁衍[1]。人工鱼礁的附着生物为其他生物提供了饵料场和栖息场,因此,会吸引更多的海洋动物前来索饵、繁衍和栖息,这也是浅海人工鱼礁的重要生态功能之一。附着生物群落的种类组成以及数量变化受到包括海域温度、盐度、水深和气候特征等各种环境因子以及礁体材料等因素的影响[10]。大连海洋大学人工鱼礁试验区位于大连的西南侧,在地理上属于中纬度海区,试验期间的水温为13.2～24.6℃,盐度为32.0～32.7。该鱼礁区的附着生物主要附着期为4—10月,繁殖盛期在7、8、9月[11,14],因此,投礁时间选择在高温的夏秋进行,更有利于附着生物的附着和生长。水温是划分海洋动物区系的主要因素之一,人工鱼礁区海水温度的变化与礁区生物组成密切相关[13]。从本试验中5次采样结果可以看出,供试体上附着生物种类的变动和附着生物量的变化,受温度、盐度等环境因子的影响较明显。

本研究中的供试体于2009年5月25日投放到海中,但在供试体投放后的第30天时并没有观察

到有生物附着。主要原因是水温偏低,其次可能与供试体的碱性物质释放有关,因为在前期研究中发现两种材料的供试体在海水中浸泡第30天时,水泥和凝石供试体的平均 pH值分别为10.50和9.04,均高于海水pH值8.86,可能会对生物附着产生影响[4]。投放后第60天时,观察到了供试体上均有生物附着,随着供试体被海水浸泡时间的延长以及季节的变化,试验水域的海水温度逐渐升高,供试体表面附着生物种类也逐渐增多,在7、8、9月的第2、第3、第4次采样中,凝石供试体和水泥供试体表面的附着生物种类均达到10种,其中优势种均为孔石莼。而在10月份进行的第5次采样中,两种供试体的附着生物种类明显增加,多达13种。但两种供试体的附着生物种类没有差别。

图1 第2次～第5次采集样品的附着生物量Fig.1 The attached biomass from the sam ples collected from the second times to the fifth times

3.2 供试体附着生物量的变化

本试验中的供试体于同一海区内依次摆放,其周围环境因子的变化基本一致,附着生物量的变化主要取决于水温的变化。

本研究中,供试体投放60 d时,凝石供试体与水泥供试体的附着生物量平均值分别为81.91 g/cm2和128.11 g/cm2,凝石供试体比水泥供试体低22%。供试体投放90 d时,凝石供试体与水泥供试体的附着生物量平均值分别为133.36 g/cm2和163.00 g/cm2,凝石供试体比水泥供试体低10%左右;凝石供试体的附着生物量增长了63%,水泥供试体的附着生物量增长27%,凝石供试体附着生物量的增加速度快于水泥供试体;凝石供试体的附着生物中,孔石莼的增量最大,达到52%。供试体投放120 d时,凝石供试体和水泥供试体的附着生物量平均值分别为180.44 g/cm2和173.36 g/cm2,此时凝石供试体的附着生物量已经大于水泥供试体,凝石供试体比水泥供试体高2%左右;凝石供试体的附着生物量增长35%,水泥供试体的附着生物量增长了6%;凝石供试体附着生物中,孔石莼增量最大,为34%,增量较高的附着生物还有虾夷马粪海胆、习见织纹螺。供试体投放150 d时,凝石供试体与水泥供试体的附着生物量平均值分别为344.85 g/cm2和260.15 g/cm2,凝石供试体比水泥供试体高14%左右;凝石供试体的附着生物量增长91%,水泥供试体的附着生物量增长了50%;凝石供试体附着生物中,孔石莼增量最大,为29%,增量较高的附着生物还有刺参、虾夷马粪海胆、角叉菜、丽口螺、习见织纹螺、矮拟帽贝、三棱骨螺。可见,在试验范围内,随着海水浸泡时间的延长(120 d以上),凝石供试体的附着生物总量越来越高于水泥供试体。

经过150 d的海水浸泡,4种水灰比的凝石供试体附着生物量分别为 58.63、79.32、89.66、117.25 g/cm2,4种水灰比的水泥供试体附着生物量分别为52.03、57.23、65.04、85.85 g/cm2,凝石供试体和水泥供试体的附着生物量均随水灰比的降低即凝石和水泥含量的增加而增大。但相同水灰比下,凝石组供试体的附着生物总量比水泥组供试体的要高,且水灰比越低,差异越明显。这是由于相同水灰比的凝石供试体的抗压强度比水泥供试体高[4],有利于生物的附着。由此说明,凝石供试体比水泥供试体更适于生物附着。

通过供试体在潮间带的生物着生试验可以看出,在投放90 d时,凝石供试体的附着生物量增加速度快于水泥供试体,到120 d时附着生物量已超过水泥供试体,说明凝石胶凝材料作为人工鱼礁造礁材料在生物附着方面比水泥具有优越性,因而凝石胶凝材料作为人工鱼礁造礁材料具有实用性。

基于对凝石供试体的强度、浸泡海水的pH以及附着生物试验的比较,课题组于2010年9月将用此材料制作的试验鱼礁批量投放到指定海域中,进一步观测其附着生物的群落构成与变化。图2-A为投入到大连獐子岛海域的凝石鱼礁 (投礁前),图2-B为凝石鱼礁投放海中半年后 (2012年6月)的水下照片。

图2 凝石鱼礁成品及其在海中的生物着生效果Fig.2 Congealing stone artificial reef and the attached biomass in the sea

从图2-B可见,海带、孔石莼等大型藻类开始着生在鱼礁表面,其群落的结构变化及其生态功能,将后续报道。

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The feasibility of congealing stonematerials used as artificial reef --the species com position and biomass of organism s attached to the tested modules

CHEN Yong,TIAN Tao,ZHAO Zi-yi,LIU Yong-hu,YANG Jun,CHEN Chen
(Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Four kinds ofmodules prepared by congealing stone material at a water cement ratio of 0.60,0.55, 0.49,and 0.44 were displaced in the same area for150 days and the species composition and biomass of organisms attached to surface of the tested modulesweremonitored in a 30 day interval.The results showed that:1)No organismswere found to be attached to the tested modules on the 30th day.The same species(about10 species)of the organisms attached to the surface of the tested moduleswere observed on the 60th day,90th day,and 120th day. On the150th day,therewere 13 species on the surface of the two testedmodules,including seaweedUlvapertusa, sea cucumberApostichopusjaponicus,sea urchinStrongylocentrotusintermedius,and clamPatelloidapygmaea.2) On the 60th day and 90th day,there were lower biomass attached to the congealing stone tested modules than on the cement tested modules,even though on the 90th day.The biomass showed more rapid increase on the congealing stone testedmodules than those on the cement testedmodules.On the 120th day,however,the biomass on the congealing stone tested modules had more than on the cement tested modules,averaging 344.85 g/cm2on the congealing stone tested modules,significantly higher than that on the cement group(260.15 g/cm2)on the 150th days.3)On the 150th day,therewere biomass of58.63,79.32,89.66,117.25 g/cm2on the four kinds ofwater cement ratio in the congealing stone tested modules,indicating that in the experiment the biomass attached to the tested module surfaceswas increased with the decrease in water cement ratio.These findings suggested that the congealing stonematerial as artificial reefs in biological attachment had the superiority to the cement reefs.

congealing stone;artificial reefmaterial;attach organism;ocean ranching

S953.1

A

2012-07-08

国家海洋局海洋公益性行业科研专项 (200805030);农业部 “948”项目 (2011-G29(2));公益性行业 (农业)科研专项(200903005);辽宁省科技攻关项目 (2011228001)

陈勇 (1956-),男,博士,博士生导师,教授。E-mail:chenyong@dlou.edu.cn

2095-1388(2012)04-0344-06