祥云湾海洋牧场示范区初级生产力调查

2018-05-24王湛

河北渔业 2018年5期

王湛

(唐山市水产技术推广站，河北唐山 063000)

关于海洋牧场的概念，目前国内外学界尚无定论，但综合国内外现有海洋牧场的建设和运营情况，海洋牧场应该是指在一片条件适宜的海域内，通过投放人工鱼礁，营造人工海底藻礁生态系统，建造大规模海上渔业增殖设施，并利用自然的海洋生态环境，有计划地进行人工放流海洋经济生物，并实施系统化、标准化的管理，从而取得经济效益，并且改善海洋环境，获得生态效益。

祥云湾海洋牧场位于京唐港西南的祥云湾外海海域，占海面积约1 333 hm2，海底地势平坦，海岸坡度2%。水深均处于7～15 m等深线范围内。于2007年开始申报海洋牧场建设项目，2014年完成河北省渔业资源保护海洋牧场建设工程，2015年列入国家海洋牧场示范区建设项目单位。是一家集渔业增养殖、生态修复、种质保护和休闲观光于一体的综合型海洋牧场，在其规划海域内投放了包括水泥沉箱、水泥铸块、花岗岩石礁、钢筋板框、浮筏网式礁、船礁在内的各类人工鱼礁共计201 977 方，建立了一个海底藻礁生态系统，使礁区内海洋生物种类和生物量增加，规划海域水质得到净化，实现对该海域渔业资源的恢复和生态环境的修复，并同时带动水产养殖、育苗、加工、销售、旅游等相关产业的发展，使传统渔业向现代渔业转变，由单一的捕捞生产向多样化的休闲渔业过渡，促进产业的转型升级，实现生态效益、经济效益的双赢。

为了实现在特定海域内“圈养”海洋经济生物的目的，首先该海域内要有足够的初级生产者来源源不断地提供“饲料”，这是整个海洋牧场生态系统赖以生存并良性运行的基础环节，浮游植物在整个生态体系内就是扮演了初级生产者的角色，浮游植物中的光合色素—叶绿素a能够直接参与光合作用，将光能转化为有机物，所以，本次调查研究用叶绿素a的含量来推算出初级生产力。然而历史资料中对祥云湾海域叶绿素a分布的针对性研究几乎为空白，祥云湾海洋牧场作为河北省最早开发建设的综合型海洋牧场，对其海水中叶绿素a分布特征的研究，不仅可以了解祥云湾浮游植物量的时空分布分布特征，进而得到其初级生产力的分布特征，同时也可以为牧场的建设提供参考和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 调查时间和采样站位

结合祥云湾海洋牧场规划海域实际情况，共设置了4个东西向断面(断面 1：A1，A2，A3；断面 2：B1，B2，B3；断面 3：C1，C2，C3断面 5：E1，E2，E3)；1个南北向断面(断面 4：D1，D2)共 14个站点，于2016 年 1月、4 月、7 月和 11 月出航8次，对12个站位(不包含E2，E3)进行样品采集和现场调查。具体调查海区和站位如图 1。

图1 调查站位分布(图中框形区域为海洋牧场建设核心区)

1.2 采样和测定方法

1.2.1 样品采集和制备调查海区水深均在7 m以内，使用定深采水器，每个站位分别采集表层和底层样品各1 L，储存到聚丙烯样品瓶中，冷冻保存。按照热乙醇萃取法，使用0.45 μm孔径混合纤维滤膜配合真空抽滤设备过滤一定体积样品，抽滤后将滤膜向内对折，放入编好号的自封口袋，保存在超低温冷柜(-20 ℃)中。为保证样品完全冷冻，至少一昼夜后才能萃取测定。此冷冻样品最长保存3个月。取1 L烧杯装适量90%乙醇在控温水浴锅中预热，水浴温度80～85 ℃；取出冷冻好的滤膜，剪碎并立即加入4 mL热乙醇，水浴2 min，再将萃取的样品放到室温下避光处，样品萃取4～6 h，最长不超过12 h，萃取结束后，用25 mm 玻璃纤维滤膜过滤萃取液并定容至10 mL。

1.2.2 叶绿素 a含量检测与计算方法将上述制备好的样品在分光光度计上用90%乙醇作为空白对照进行比色。先在665 nm波长下测定吸光值E 665，再在750 nm下测定吸光值E 750，然后向比色皿中加入1滴盐酸(1 mol/L)进行摇匀酸化，1 min后再次在665 nm波长下测定吸光值A 665，再在750 nm波长下测定吸光值A 750。按照下列公式进行计算：

Chla= 27.9 V乙醇[(E665-E750)-(A665-A750)]/V样品

注：Chla：叶绿素a浓度，单位：mg/m3；V乙醇：萃取液定容体积，单位：mL；V样品：过滤水样的总体积，单位：L[1]。

2 结果

2.1 叶绿素a的空间分布

2.1.1 叶绿素a的水平分布叶绿素a浓度水平分布范围与均值见表1。夏季(7月)，由于受到较长时间光照并且水温适宜，为研究海区叶绿素a含量4个月份中最高，表层浓度范围为2.41～9.62 μg/L，均值为5.15 μg/L，浓度最高值为B3站位，底层浓度最高值位于站位C2。全年叶绿素a浓度表层、底层最低值均出现在1月(冬季)，表层浓度范围为0.79～1.68 μg/L，均值为1.1 μg/L。春季(4月)和秋季(11 月)，日照时间短，水温偏低，叶绿素a的表层浓度范围在0.86～4.81 μg/L之间，且叶绿素a高值区基本上都分布在水深较浅海域。总体来看，研究海域水平方向上4个断面的叶绿素a浓度受季节变化影响比较明显，主要是由于春季光照时长增加，水温回升，冬季水体内储存了大量的营养物质，这些因素的共同作用使浮游植物在适宜的条件下大量繁殖。各站点4个季度的叶绿 a浓度水平表现为 7 月(5.05 μg/L)>4月(2.46 μg/L)>11月(1.76 μg/L)>1月(1.08 μg/L)。另外，通过对四个断面的叶绿素a含量平均值与水温进行相关性分析发现，温度的升降与叶绿素a浓度的增减趋势完全一致(见图2)。

表1 叶绿素a浓度分布范围与均值 μg·L-1

图2 四个断面叶绿素a与温度变化趋势

2.1.2 叶绿素a的垂直分布与季节变化

四个季度平均叶绿素 a 浓度各站点变化不大，但是各季节表、底层叶绿素a浓度差不同，总体表现为4月(0.38 μg/L)>7月(0.2 μg/L)>11月(0.15 μg/L)>1月(0.04 μg/L)。

2.2 利用叶绿素资料计算初级生产力

叶绿素a(Chl-a)是浮游植物进行光合作用的主要色素，所以本次研究利用叶绿素 a的含量来估算初级生产力，依据Cadée和Hegeman(1974)提出的简化公式：P=Ps×E×D/2进行计算。

注：P：日均初级生产力，单位：mgC/(m2·d)，Ps：表层水中浮游植物的潜在生产力，单位：mgC/(m2·d)，E：真光层(E)的深度(m)取透明度的3倍(Yukuya 1980)。D：日照时长(h)。其中，表层水中浮游植物的潜在生产力(Ps)根据表层水中叶绿素a的浓度计算：Ps=Ca×Q，式中，Ca为表层叶绿素a的含量，单位：mg/m3，Q为同化系数，单位：mgC/(mg Chl-a·h)。同化系数Q采用3.7(Ryther1969)[2]。

整个祥云湾海洋牧场规划海域的初级生产力(见表2)变化在 48.5～1 602.2 mgC/(m2·d)之间，四个断面的初级生产力也具有明显的季节特征(见图3)，并且与叶绿素a的变化趋势一致，与温度显著相关。其中，春季日照时长逐渐增加，水温回升，并经过冬季的储备，水体中营养盐充足，浮游植物开始大量繁殖，初级生产力稳步回升，变动范围在267～961 mgC/(m2·d)之间，平均值为529.6 mgC/(m2·d)。其中A1站位最高，为961 mgC/(m2·d)；夏季日照时间达到顶峰，浮游植物大量繁殖，为高生产力季节，初级生产力最高，其变动范围在534.1～1 602.2 mgC/(m2·d)之间，平均值为1 097.8 mgC/(m2·d)，高值站位依然分布于近岸海水较浅的区域。冬季初级生产力最低，其变动范围为46.8～99.5 mgC/(m2·d)，平均值62.6 mgC/(m2·d)。

表2 初级生产力分布范围与均值 mgC/(m2·d)

3 讨论

海水中叶绿素a的分布和时空变化直接反映了水域中浮游植物的生长情况，也在一定程度上反映出海洋生态系统的发展状况。春末夏初，祥云湾海域的水温逐渐升高，海水中营养盐的含量较丰富，光照时长增加，浮游植物迅速繁殖，叶绿素a的浓度也随之升高。进入夏末秋初，水温继续攀升，浮游动物开始大量繁殖，鱼虾类幼体对浮游植物的摄食，均导致浮游植物的数量开始下降，因此，秋季叶绿素a含量也明显减少。

冬季海水温度下降，透明度增加，营养盐含量提高，消耗降低，浮游植物出现了一个短暂平台期。

在空间分布上，叶绿素a和初级生产力的高值分布均出现在近岸海域的A断面上，这也从一定程度上说明了光照强度和透明度对浮游植物分布范围的影响，近岸海域，水体透明度高，叶绿素a的光能转化效率增加，浮游植物的固碳功能加强，初级生产力也随之提高。

但是，在本次调查研究中，叶绿素a的浓度变化与浮游植物的数量变化并不完全一致，经过分析，可能与以下几点有关：

取样设备。本次调查中，浮游植物的采集是使用浮游植物网(网目孔径为 0.078 mm) ，并不能采集微型藻类，但是叶绿素的制样使用的是微孔滤膜(孔径为0.45 μm)，能够采集到微型浮游植物，恰恰在近岸海域，微型藻类的数量往往要高于网采浮游植物，并且随着时空的变化二者的比例变化也很大。

同化系数不是恒定的。海洋初级生产力的高低不仅与海洋中浮游植物的数量有关，还受到诸多理化因子的影响，例如海水的透明度、光照强度、消光系数等等，本次调查研究中浮游植物的同化系数采用 Ryther(1969)提出的同化系数的平均值3.7，但是浮游植物的同化系数不是一成不变的，不同季节，不同海区的变化规律也不尽相同，因此，采用固定的同化系数在一定程度上会造成初级生产力估算误差。

站位设置。本次调查受规划海域水深和面积的限制，采样站位的设置过于密集，站位数量不足，造成检测所得叶绿素a数据在水平分布和垂直分布上差异并不显著。