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(大連海洋大學 海洋科技與環(huán)境學院，遼寧 大連 116023)

現(xiàn)代海洋牧場建設是實現(xiàn)海洋漁業(yè)與近海生態(tài)系統(tǒng)和諧發(fā)展的重要途徑之一[1]。近年來，中國海洋牧場事業(yè)發(fā)展迅猛，地處北黃海長山群島南部的獐子島海域以其優(yōu)越的自然環(huán)境和極為豐富的生物資源成為首批國家級海洋牧場示范區(qū)[2]。從2011年到2016年，在獐子島附近海域建立了海洋牧場的深水魚礁區(qū)，其功能是否達到預期效果，是海洋牧場生態(tài)組成平衡和穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，而漁業(yè)資源量是評價人工魚礁區(qū)建設效果的重要指標之一[3]，準確的評估漁業(yè)資源量是評價人工魚礁區(qū)建設效果的前提。

目前，漁業(yè)聲學測量技術越來越廣泛地應用在漁業(yè)資源評估和生態(tài)環(huán)境調(diào)查等領域，已成為當今國內(nèi)外海洋生態(tài)觀測的重要手段[4-7]。本研究中，利用聲學方法在2016年秋季對獐子島海域的人工魚礁區(qū)域漁業(yè)生物資源的概況進行了聲學調(diào)查，通過對所探測魚類生物的回波特征和定置網(wǎng)具采樣結(jié)果的統(tǒng)計，分析該海域人工魚礁區(qū)內(nèi)部和外部漁業(yè)資源的種類組成和空間分布，比較魚礁區(qū)內(nèi)外海域漁業(yè)生物個體大小及漁業(yè)資源的豐度密度，旨在進一步探討人工魚礁區(qū)對獐子島附近海域漁業(yè)生物資源的影響，為魚礁區(qū)漁業(yè)資源的科學管理和合理開發(fā)提供參考[8]。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域及調(diào)查方法

調(diào)查區(qū)域為獐子島39°0.4′N～39°1.3′N、122°54.0′E～122°55.5′E海域，調(diào)查時間為2016年11月12日，調(diào)查船為獐子島科研調(diào)查船(長25 m，寬5.5 m，功率110.3 kW)。根據(jù)《漁業(yè)資源聲學調(diào)查與評估》[9]設計此次調(diào)查航線，走航調(diào)查過程采用等距平行斷面的方式進行。設置10個平行斷面(圖1)，平行斷面設計間距為500 m，每條斷面航線向人工魚礁區(qū)外部拓展為500 m。

1.2 聲學數(shù)據(jù)的采集與分析

2016年11月12日利用獐子島科研調(diào)查船載雙頻分裂波束科學魚探儀系統(tǒng)(SimradEK60型，120 kHz、200 kHz，挪威)，通過RS232接口外接GPS(Gamin，美國)對聲學數(shù)據(jù)及動態(tài)經(jīng)緯度位置信息進行同步采集及儲存。表1中數(shù)據(jù)為此次調(diào)查所使用科學魚探儀的主要技術參數(shù)。在調(diào)查開始前，首先根據(jù)標準目標法(國際通用)，利用直徑為38.1 mm的鎢碳合金標準球(Tungsten carbide standard sphere)分別對120、200 kHz的科學魚探儀系統(tǒng)的增益進行現(xiàn)場校正[10]。走航調(diào)查過程中，調(diào)查船航速為5～7 kn。

圖1 調(diào)查取樣站位與評估區(qū)域示意圖Fig.1 Diagram of sampling stations and evaluation area during the survey

采用Echoview軟件處理漁業(yè)聲學數(shù)據(jù)：首先對所有回波映像進行檢查回放，設置最佳積分起始線用以剔除海表航行時產(chǎn)生的氣泡，設置積分終止線剔除虛假海底及機器干涉信號等產(chǎn)生的回波映像，根據(jù)此次調(diào)查得到的回波映像來看，對所采集聲學數(shù)據(jù)積分線設定為海平面以下1 m至海底以上0.5 m。為便于計算，根據(jù)魚礁區(qū)內(nèi)外部水域的特點，設置魚礁區(qū)內(nèi)部的基本積分航程單元(Elementary distance sampling unit，EDSU)為600 m，魚礁區(qū)外部的基本積分航程單元為500 m，積分閾值設定為-65 dB，用以剔除弱散射體的回波信號。采用回波積分法評估所調(diào)查的海洋牧場深水人工魚礁區(qū)域的漁業(yè)資源密度，分析其空間分布特征。

表1 EK60科學魚探儀主要技術參數(shù)Tab.1 Main Technical parameters setting for scientific echo sounder EK60

1.3 生物采樣及分析

走航調(diào)查過程中，進行聲學數(shù)據(jù)采集的同時，利用定置網(wǎng)對預先設置的9個站位進行生物采樣，定置網(wǎng)所用網(wǎng)籠(10.0 m×0.5 m×0.4 m)共30節(jié)。采樣生物的種類可以用來確定聲學評估種類，采樣各種類的數(shù)量又能幫助判別聲學回波映像和分配積分值。因為采樣站位具有代表性，所以各采樣站位的漁獲組成情況也基本代表了該站位所有基本積分航程單元內(nèi)的生物組成情況。采樣完成后，隨船研究人員首先對各站位的采樣樣品進行現(xiàn)場分類和計數(shù)抽樣，然后測量并記錄每個樣品的體長(單位cm)和體質(zhì)量(單位g)。由于采樣數(shù)量較多，船上人員有限，現(xiàn)場未能及時進行處理的樣品冷凍后帶回實驗室進行測量分析。

1.4 魚類目標強度和資源量的計算方法

利用Echoview軟件對調(diào)查所獲得的聲學數(shù)據(jù)進行處理，輸出平均目標散射強度值和各個積分單元的聲學積分值(Nautical area scattering coefficient，NASC，單位m2/n mile2)，用來計算獐子島人工魚礁區(qū)及其附近海域魚類目標強度和漁業(yè)資源量。

(1)

其中：b20表示當lgL的系數(shù)取20時對應的b值，i為魚的種類；Lcm為以cm為單位的魚類體長；b20魚體長為20 cm時對應的目標強度劃分參見表2[11-13]。不同魚類數(shù)量的組成比例(頻數(shù)分布)按照漁獲物的實際數(shù)量計算。

1.4.2 漁業(yè)資源豐度密度及資源量的計算 根據(jù)設定的基本積分航程單元EDSU，測量獲得的積分值sa，可以計算出該區(qū)段單位水面(m2)的魚類資源密度(ρ)：

ρ=sa/σbs,

(2)

其中，σbs為后向散射截面(m2)，其與TS的關系為

TS=10 lgσbs。

(3)

魚類的目標強度可以通過魚類的采樣組成利用公式(1)進行計算。一般在海洋中，使用積分值NASC計算魚類密度(ρn，ind./m2):

ρn=NASC/(18522×4πσbs)。

(4)

本次調(diào)查基本積分航程單元設置密集，故使用sa，不使用NASC。針對不同魚類組成，sa需要種類分配。計算公式為

(5)

其中，i為魚的種類，分母為不同魚種目標強度的加權(quán)平均，單一魚種不同體長的均值也需要根據(jù)體長的數(shù)量組成進行加權(quán)計算。

(6)

不同魚種的資源量(wi)計算公式為

(7)

其中：wsi為不同魚種的質(zhì)量(g)；A為基本積分航程單元的面積(m2)。

表2 聲學評估魚類的b20Tab.2 Values of b20 for acoustic estimation of fish species

2 結(jié)果與分析

2.1 漁業(yè)資源豐度密度及其空間分布

首先，根據(jù)上述公式計算每個基本積分航程單元的漁業(yè)資源豐度密度，再計算人工魚礁區(qū)域內(nèi)外漁業(yè)資源的豐度密度和空間分布。參照各個積分單元所處位置，人工魚礁區(qū)內(nèi)外水域漁業(yè)資源豐度密度分布情況見圖2。在人工魚礁區(qū)內(nèi)外，漁業(yè)資源豐度密度差別較大，魚礁區(qū)內(nèi)明顯高于魚礁區(qū)外，魚礁區(qū)內(nèi)平均生物資源量密度為0.046 ind./m2，而魚礁區(qū)外平均生物資源量密度為0.033 ind./m2，魚礁區(qū)外漁業(yè)資源豐度密度較低。

利用Echoview軟件處理魚礁區(qū)內(nèi)外數(shù)據(jù)的過程時，需要進行單體目標檢測和單體目標軌跡追蹤，輸出不同水層的單體目標強度分布(圖3)。魚礁區(qū)內(nèi)單體目標強度在-65～-53 dB的目標物主要分布于20 m以淺水層，強度在-47～-29 dB的單體目標主要分布于30 m以深水層，個體在底層依附礁石活動現(xiàn)象明顯；魚礁區(qū)外單體目標強度在-65～-57 dB的目標物分布于各水層，單體目標強度-55～-25 dB的目標物主要分布于23～30 m水層，魚礁區(qū)外個體集中于中上水層，底層較少。

圖2 魚礁區(qū)內(nèi)外漁業(yè)資源豐度密度的水平空間分布Fig.2 Horizontal spatial distribution of abundance density of fisheries resources inside and outside the artificial reef area

圖3 魚礁區(qū)內(nèi)外漁業(yè)資源目標強度的垂直空間分布Fig.3 Vertical spatial distribution of target strength of fishery resource inside and outside the artificial reef area

2.2 評估魚類種類組成

漁業(yè)資源聲學調(diào)查中，接近海底0.5 m范圍內(nèi)視為聲學盲區(qū)，盲區(qū)內(nèi)的生物視為海底，不在積分范圍內(nèi)[14]。比如底棲蝦蟹類和鲆鰈類等非常貼底的生物位于聲學盲區(qū)中，定置網(wǎng)具采樣也無法捕到，故不在資源評估之列。此外，還有一些弱散射體如浮游生物等也不在評估之列，可以通過設置積分閾值來剔除。因此，在統(tǒng)計各網(wǎng)次漁獲物中所有可參與評估的生物種類后，再分析聲學映像和分配積分值。本次生物采樣共采集魚類36種，其中蝦蟹類、頭足類11種。魚礁區(qū)內(nèi)捕獲魚類29種，其中蝦蟹類、頭足類11種；魚礁區(qū)外捕獲魚類24種，其中蝦蟹類、頭足類9種。而漁獲物中的白姑魚ArgyrosomusargentatusHouttuyn、短鰭魚銜CallionymuskitaharaeJordan et Seale、藍圓鲹Decapterusmaruadsi僅在魚礁區(qū)內(nèi)捕獲。漁獲量前5位生物組成信息見表3。

表3 漁獲量前5位生物的種類組成信息Tab.3 Biological data of the top five species in catches

2.3 單體目標強度分布

利用Echoview軟件輸出不同目標強度階層的單體數(shù)目。圖4分別對應于人工魚礁區(qū)內(nèi)外的平均目標強度的頻度分布。魚礁區(qū)內(nèi)，魚類目標強度分布于-65～-24 dB，呈均勻分布，單體目標強度為-56 dB的個體所占比例最高約為8.4%。魚礁區(qū)外魚類目標強度分布于-65～-32 dB，呈均勻分布，單體目標強度為-64 dB的個體所占比例最高約為9.8%。整體來看，魚礁區(qū)內(nèi)單體目標強度比魚礁區(qū)外高，且各階層目標強度分布均勻。

圖4 魚礁區(qū)內(nèi)外漁業(yè)資源目標強度的頻度分布Fig.4 Frequency distribution of target strength of fishery resources inside and outside the artificial reef area

2.4 聲學評估生物資源量與生物密度

對調(diào)查海域內(nèi)各個站位進行生物采樣，估算該海域的漁業(yè)資源種類及資源量。采樣結(jié)果表明：漁獲量前5位的生物種類分別為白姑魚、鳀魚、綿鳚、大瀧六線魚和許氏平鲉(表3)，其中白姑魚僅在魚礁區(qū)內(nèi)捕獲，且捕獲數(shù)量百分比為32.5%，在魚礁區(qū)內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢。從表4可以看出，魚礁區(qū)內(nèi)漁業(yè)資源量總體高于魚礁區(qū)外。

3 討論

3.1 人工魚礁對漁業(yè)資源空間分布的影響

根據(jù)獐子島人工魚礁區(qū)內(nèi)外基本積分航程單元積分值的不同，分析魚礁區(qū)內(nèi)外漁業(yè)資源的豐度密度及空間分布特征，可以看出，人工魚礁能夠明顯影響該海域漁業(yè)資源豐度密度的空間分布。整體而言，魚礁區(qū)內(nèi)漁業(yè)資源豐度密度大于魚礁區(qū)外。調(diào)查海域的漁業(yè)資源垂直分布特征，對目標強度小于-56 dB的魚類單體，魚礁區(qū)內(nèi)外魚類單體活動水層差異不明顯，但是魚礁區(qū)內(nèi)單體目標強度大于魚礁區(qū)外；目標強度大于-55 dB的魚類單體，魚礁區(qū)內(nèi)魚類單體主要活動于底層，魚礁區(qū)外魚類單體主要活動于中下層。這反映出魚礁區(qū)對魚類活動水層的影響，魚礁區(qū)內(nèi)魚類多依附于人工魚礁生活。魚礁區(qū)內(nèi)捕獲物種數(shù)高于魚礁區(qū)外，且有一些種類僅在魚礁區(qū)內(nèi)捕獲，如白姑魚、短鰭魚銜、藍圓鲹，從另一方面證實了人工魚礁的集魚特征，可以豐富魚礁區(qū)內(nèi)的生物多樣性[15]。有研究表明[8,16]，人工魚礁區(qū)含有豐富的餌料，且中空的礁體可為魚類提供庇護場所，魚類的索餌、生殖和逃避本能使得附近的魚類游向魚礁區(qū)內(nèi)，人工魚礁可以為魚類等生物提供棲息場。

表4 漁獲量前5位的生物資源量和密度Tab.4 Biological biomass and density of top 5 species in catches

3.2 生物學采樣對積分值分配的影響

在聲學評估漁業(yè)資源的調(diào)查中，往往需要獲取魚類的種群信息以輔助聲學數(shù)據(jù)的分析處理，這就需要選擇適當?shù)木W(wǎng)具采樣[13-14]，由網(wǎng)具采樣所得漁獲物的組成比例分配各種生物的積分值[4]。本次調(diào)查使用定置網(wǎng)具進行生物學采樣，定置網(wǎng)具是被動型捕撈方法[17]，依靠生物主動進入網(wǎng)具內(nèi)，故白姑魚和許氏平鲉等活動性較強的魚類被捕獲的比例較高。同一物種不同年齡階層的魚類，其大小和活動性也有差異[14]，因此，利用定置網(wǎng)具漁獲數(shù)據(jù)反映魚礁區(qū)內(nèi)外的生物組成和體長分布，對積分值分配和資源量評估也存在一定影響。

利用多種方法確定調(diào)查海域的生物組成和體長分布并科學分配聲學數(shù)據(jù)積分值是準確反映海域內(nèi)的生物組成的基礎，而魚類的生態(tài)學測量也要力求精準。以后的研究中可以利用多種網(wǎng)具采樣，多方位多水層采捕魚類樣品，以便使積分值的分配更合理準確。此外，網(wǎng)具采樣是一段時間的結(jié)果，而走航調(diào)查過程中聲學數(shù)據(jù)的采集具有即時性，這就導致聲學映像中單體目標大小和種類的判別誤差。在以后的研究中，可以嘗試將探測和采樣同時進行，探測到魚群回波后立即投網(wǎng)采捕，將生物采樣數(shù)據(jù)與聲學探測結(jié)果一一對應，能更準確地得到不同魚類種類和體長的目標強度值。

3.3 聲學調(diào)查方法的適用性

本次漁業(yè)資源聲學評估選擇在獐子島(39°0.4′N～39°1.3′N、122°54.0′ E～122°55.5′E)海域的魚礁區(qū)內(nèi)外進行，為滿足人工魚礁區(qū)聲學采樣的空間隨機性和相鄰航線的非相關性要求[18]，此次調(diào)查采用等距平行斷面的走航方式，共設置10條平行斷面，完全覆蓋人工魚礁區(qū)，并且航線向魚礁區(qū)域外擴張500 m，能夠較為準確地反映人工魚礁區(qū)內(nèi)漁業(yè)資源的豐度密度和空間分布概況。此次調(diào)查結(jié)果顯示，魚礁區(qū)內(nèi)單體目標強度呈均勻分布，主要是因為人工魚礁區(qū)內(nèi)物種繁多，結(jié)構(gòu)組成也較復雜，且網(wǎng)具采樣生物數(shù)量有限，無法得到各物種的優(yōu)勢體長，在以后的研究中應設置更多的采樣站位，并盡量細化每一物種的體長分布頻度。

漁業(yè)資源量聲學調(diào)查過程中，換能器固定于船舷右側(cè)、水下1 m處。為排除表層航行氣泡干擾，數(shù)據(jù)積分起始水層設置為1.5 m，積分截止水層設置為距海底0.5 m，該區(qū)域視為聲學盲區(qū)，盲區(qū)內(nèi)的生物視為海表和海底，不在積分范圍內(nèi)，另外，礁體多為混凝土結(jié)構(gòu)，不僅無法進行網(wǎng)具采樣，而且聲波也較難穿透，導致礁體框架內(nèi)的魚類無法被探測，例如，貼附人工魚礁的鰈鲆類，水下相機和蛙人采捕均可觀測到，而此次調(diào)查結(jié)果卻未顯示，因此，魚類的資源量和豐度估算值存在偏差。Soria等[19]研究表明，魚類在距離調(diào)查船70 m時有側(cè)向回避的行為，盡管本次調(diào)查未對獐子島人工魚礁水域的魚類回避行為進行研究，但該區(qū)域的水深在影響范圍內(nèi)，可能存在魚類對調(diào)查船具有側(cè)向回避行為。因而使用聲學方法計算漁業(yè)資源量結(jié)果較實際漁業(yè)資源量偏小。以后需參考不同生物種類規(guī)避程度和逃逸率，以更加精確地估算各物種的資源量。

除了人工魚礁礁體外，周圍環(huán)境也是影響人工魚礁生態(tài)效應的重要因素，因此，在設計魚礁區(qū)外部航線時需要考慮對生態(tài)環(huán)境方面的影響。魚礁區(qū)內(nèi)外界限劃分不準確，也會影響調(diào)查結(jié)果中魚礁區(qū)外漁業(yè)資源量的評估準確度。有資料顯示[20]，人工魚礁區(qū)對周邊水域的影響范圍為5～50 m。為區(qū)別魚礁區(qū)內(nèi)部，此次調(diào)查航線設計向魚礁區(qū)外擴500 m，將此范圍設定為魚礁區(qū)外部區(qū)域，超出人工魚礁區(qū)的影響范圍，同時還會影響結(jié)果的準確度。因此，今后需盡快完善界限劃分并制定合理的海洋牧場聲學調(diào)查規(guī)范，使聲學評估結(jié)果更具可靠性和準確性。