烟台近岸人工鱼礁与自然岩礁食物网结构与功能对比研究
张荣良
学位类型博士
导师赵建民
2021-05
培养单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予地点中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称工学博士
学位专业环境科学
关键词人工鱼礁自然岩礁渔业资源食物网能量流动
摘要我国海域广阔、海岸线漫长曲折，拥有发展海洋经济的优越自然条件。然而，随着沿海地区工业化和城市化的推进，我国近岸局部海域正面临着生境破坏、渔业资源衰退、多样性降低等多重问题，严重威胁着我国的海洋生态安全和生物资源的可持续开发利用。人工鱼礁作为海洋牧场建设的组成部分，是当前改善近海海域生态环境、实现渔业资源修复的重要手段。为了评价人工鱼礁建设的资源修复效果及生态效应，并深入理解其生态功能的运行机制，本研究选定位于烟台市近岸的人工鱼礁区和邻近的自然岩礁区为研究区域，分别从群落结构、营养结构以及能量流动特征等层面开展了两类礁区的对比研究，主要内容和结论如下：（1）为了阐述烟台近岸自然岩礁区、人工鱼礁区及其毗邻泥沙区底层渔业生物群落结构的差异，于2018年5月至2019年2月，分别在3个区域开展了4个季节的渔业资源调查。调查发现，自然岩礁区、人工鱼礁区及泥沙区全年采集到渔业生物种类数分别为45、45和35种。两礁石区物种数的季节均值差异不显著（自然与人工礁区分别为30.8 ± 5.7和25.8 ± 3.4），但均明显高于泥沙区（18.3 ± 1）（Krustal-Wallis test，p < 0.05）。此外，两礁石区的CPUE（catch per unit effort）在各季节均显著高于泥沙区（ANOVA，p < 0.05），且自然岩礁区的CPUE在春、夏季显著高于人工鱼礁区（ANOVA，p < 0.05）。各优势种CPUE的区域差异明显，尤其对于许氏平鲉（Sebastes schlegelii）及大泷六线鱼（Hexagrammos otakii），人工鱼礁区的资源量高于其他两个区域。多样性分析结果显示，Shannon-Wiener多样性指数呈现为自然岩礁区（H′ = 2.39） > 人工鱼礁区（H′ = 1.96） > 泥沙区（H′ = 1.76）的趋势。自然岩礁区渔业生物的均匀度指数（J = 0.83）显著高于人工鱼礁区（J = 0.74）（ANOVA，p < 0.05），而两类礁石区与泥沙区（J = 0.79）的差异均不显著。两类礁石区Magalef丰富度指数D的差异不显著（自然和人工礁区分别为2.97和2.91），但均明显高于泥沙区（D = 2.19）（ANOVA，p < 0.05）。ANOSIM分析表明3类海区的渔业生物群落组成在各季节均存在显著差异（p < 0.05），产生原因是优势种资源量和分布存在明显的区域间差异。综合来看，烟台近岸人工鱼礁的建设可有效提高当地以岩礁性鱼类为主的资源量，但其群落生物多样性水平和群落结构复杂程度仍低于邻近自然岩礁区。（2）为了解烟台近岸人工鱼礁区食物网结构的恢复状况，本章以其邻近的自然岩礁为参考标准，分别在两类礁石区采集了包含初级生产者、大型底栖动物及鱼类在内的生物及非生物样品，并通过碳氮稳定同位素技术，对比分析了自然岩礁和人工鱼礁区的主要营养结构和营养传递路径。两个区域共采集到大型藻类18种（人工和自然礁区分别为15和18种），其中生物量干重最高的均为金膜藻（Chrysymenia wrightii）[自然岩礁区为208.52 ± 181.4 g m-2，占藻类总生物量31.81%；人工鱼礁区为162.62 ± 211.68 g m-2，占28.96%]和孔石莼（Ulva pertusa）[自然岩礁区为101.55 ± 82.64 g m-2，占15.9%；人工鱼礁区为94.86 ± 91.72 g m-2，占15.64%]；绿藻门（Chlorophyta）和红藻门（Rhodophyta）的稳定同位素特征差异明显。大型底栖动物共采集到36种（人工和自然礁区分别为30和36种），根据同位素特征的聚类分析结果，两类礁石区的大型底栖动物均可划分为5个营养组，分别为滤食性、杂食性、牧食性、贝类食性及碎屑食性。利用贝叶斯混合模型MixSIAR对大型底栖动物群体的营养溯源结果显示，两类礁石区的基础营养源相同，但各营养源的贡献比重存在区域间差异。鱼类共采集到33种（人工和自然礁区分别为26和33），稳定同位素聚类结果显示两区域的鱼类同样均可划分为5个营养组，分别为虾蟹食性、广食性、浮游食性、鱼食性、底栖食性。鱼类营养组食性来源的定性分析结果显示，各鱼类营养组在不同礁石区的食物来源相似，但食物组成比例可能存在区域间差异。通过分别在两类礁石区刻画的由基础食物源到鱼类的食物网模型，在两类礁石区发现了5条相同的主要食物链，分别为2条源于颗粒态有机质（Particulate Organic Matter，POM）的上层食物链和3条源于绿藻门或底栖微藻、绿藻门及POM混合物的底层食物链。总体来看，烟台近岸海域已建立5-10年的人工鱼礁生态系统能够具备与自然岩礁区类似的营养结构和营养传递通道，但通道的路径宽度尚存差异。（3）为比较岩礁捕食性鱼类在人工鱼礁与自然岩礁区的生境质量并解释其种间共存的现象，本章以中国北方近海海域常见的两种岩礁性鱼类—大泷六线鱼和许氏平鲉为研究对象，开展了两种鱼类食物组成和营养生态位的对比研究。胃含物分析发现，大泷六线鱼主要摄食虾蟹类和端足类，而许氏平鲉对鱼类（鳚科和虾虎鱼科）的依赖程度相对更高。两种鱼类在自然岩礁区的饵料组成丰富度及多样性程度高于人工鱼礁区。稳定同位素结合MixSIAR混合模型的结果显示，两种岩礁性鱼类的食性存在明显的种间差异及区域间差异，这一结果与胃含物分析整体一致，表明两种鱼类在不同礁石类型的饵料组成和供应存在差异。营养生态位宽度和生态位重叠度的对比结果显示，两种鱼类在自然岩礁区的营养生态位宽度及生态位重叠度均大于人工鱼礁区，反映出两种鱼类在自然岩礁区的食物选择范围更广，但物种间对相同资源的利用程度更高。此外，两种鱼类在礁石区共存，其重要原因是食物资源的分割。综合来看，相比于自然岩礁区，人工鱼礁区尽管在饵料物种组成和供应量存在差异，但同样具备支持岩礁捕食性鱼类高生物量并容纳其种间共存的能力。（4）基于渔业资源调查数据并结合相关文献，分别在烟台近岸人工鱼礁区及其邻近养马岛自然岩礁区建立了Ecopath模型，对两类礁石区生态系统的能流特征进行对比研究。结果显示，人工鱼礁区系统总流量（Total system throughput，TST）为每年6455.47 t/km2，低于自然岩礁区的每年9490.48 t/km2，反映出目前人工鱼礁区生态系统的发展规模仍存在一定的提升空间。两类礁石区生态系统的功能组均可聚合为5个营养级，其中中、低营养级的能量占比均较高，大型藻类和浮游植物组成的初级生产力连同碎屑是两类生态系统的主要能量来源，碎屑能流通道占主导地位。另外，自然岩礁与人工鱼礁区生态系统的能量传递效率的均值分别为10.56%和10.21%，与林德曼10%的能量传递效率值相近，表明两区域生态通道的运行状况良好。自然岩礁与人工鱼礁生态系统的总初级生产力（Total primary production，TPP）/总呼吸量（Total respiration，TR）值分别为1.49和1.93，意味着人工鱼礁生态系统的成熟度与自然岩礁系统相比仍存在一定差距。然而，人工鱼礁系统的连接指数（Connectance Index，CI）和系统杂食性指数（System Omnivory Index，SOI）略高于自然岩礁系统，与同纬度的其他生态系统差异不大，表明其已具备相对复杂的种间联系及较高的稳定性。
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语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/29335
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出

推荐引用方式
GB/T 7714张荣良. 烟台近岸人工鱼礁与自然岩礁食物网结构与功能对比研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院烟台海岸带研究所,2021.


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