基于葉綠素a 時空分布的膠州灣菲律賓蛤仔養殖容量評估*

董世鵬 藺 凡 姜娓娓 杜美榮 高亞平 李鳳雪 侯 興 蔣增杰,3①

(1. 中國水產科學研究院黃海水產研究所 農業農村部海洋漁業可持續發展重點實驗室 青島 266071；2. 上海海洋大學水產與生命學院 上海 201306；3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋漁業科學與食物產出過程功能實驗室 青島 266071)

我國是海水養殖大國，海水養殖產量世界第一，據統計，2018 年海水養殖產量達到2031.22 萬t，貝類是我國海水養殖的主要種類，占海水養殖總產量的70%以上，其中，濾食性貝類產量占貝類產量的90%以上(中國漁業統計年鑒, 2019)。濾食性貝類通過濾水、攝食等一系列的生命活動，在提高水體透明度(Ismail et al, 2015)、減緩水體富營養化(Officer et al,1982)、積極應對CO2升高導致的氣候變化(邵桂蘭等,2019)、調節營養鹽循環(Gergs et al, 2009)等方面發揮了非常重要的生態服務功能，但一些區域高密度、無序、粗放式的養殖活動對生態系統也造成一些負面影響(Dame et al, 1985; Hatcher et al, 1994; 印麗云等, 2012)。

為了推進水產養殖業綠色發展，農業農村部、生態環境部等10 部門聯合印發了《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》。養殖容量是有效保障水產養殖業綠色可持續發展的重要依據。我國養殖容量的研究可以追溯到20 世紀90 年代，目前，已經開展了包括桑溝灣(威海)、同安灣(廈門)、象山港(寧波)、乳山灣(煙臺)和膠州灣(青島)等20 余個海灣的養殖容量評估工作(方建光等, 1996; 杜琦等, 2000; 蔡惠文等, 2004; 尹暉等, 2007; 劉學海等, 2015)。養殖容量的研究方法主要分為2 種：一種是靜態方法，主要考慮幾個關鍵性的生理生態參數，數據來源多為月際尺度、季節性尺度或年際尺度等，忽略生態系統內部過程的動態變化及級聯響應，主要包括經驗研究法、瞬時生長率法、能量收支法、營養動力學方法等；另一種是動態方法，基于生態系統動力學方法動態研究和模擬重要生源要素的關鍵生物地球化學過程。通過改變參數的計算方法，靜態和動態方法可以相互轉化。靜態方法具有操作簡單、所需數據易獲取、普適性好等優點，但評估結果存在一定的誤差；動態方法是目前國際上廣泛采用的主流方法，雖然能夠動態地模擬和預測生態系統的響應情況，準確性較高，但涉及到的參數非常多，對使用者的數理知識、專業知識等學術理論層面的要求較高，普適性相對較差。Dame 指標法是Dame 等(1998)根據食物限制要素建立的養殖容量評估的靜態方法，雖然對生態系統過程的刻畫線條較粗，但考慮的關鍵參數比較全面，具有一定的準確性，應用范圍較廣(Gibbs, 2007; 張繼紅等, 2008)。

膠州灣是規?；B殖菲律賓蛤仔的重要海灣，蛤仔年產量高達32.5 萬t，占膠州灣海水養殖總產量的90%以上(張明亮, 2008)。膠州灣的菲律賓蛤仔播種規格為2000～3000 粒/kg，播種密度為750～1000 kg/畝，播苗時間為每年的4～5 月，經7～8 個月養殖，陸續開始采收，繁殖期每年2 次，分別為5 月中下旬與9 月中旬至10 月上旬。近些年來，菲律賓蛤仔養殖產業發展迅速，但存在無序放苗、超容量養殖、養殖結構不合理等問題。在“綠水青山就是金山銀山”綠色發展理念的引領下，亟需以養殖容量理論來指導產業發展。目前，已有學者通過能量收支法、三維浮游生態動力學模型法及依據餌料收支平衡的生態模型法等方法評估了膠州灣菲律賓蛤仔的養殖容量(陳麗梅,2007; 張明亮, 2008; 劉學海等, 2015)，但現有的評估方法或側重于靜態方法，考慮的核心參數不夠全面，或側重于動態方法，學術性較強，難以供管理者和養殖業主使用。

本研究根據2017 年7 月～2019 年4 月的大面觀測、現場實驗、生長跟蹤等數據，采用Dame 指標與Herman 模型相結合的方法，聚焦水團停留時間、初級生產時間和貝類濾水時間3 個關鍵指標，進行膠州灣菲律賓蛤仔養殖容量評估，為養殖業主和管理者等提供決策支持，為生態系統水平的海水養殖管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 Dame 指標法

Dame 指標法是用來檢驗貝類養殖是否會對生態系統構成壓力的評估方法，主要包含水團停留時間、初級生產時間和貝類濾水時間3 個指標(Dame et al,1998)。海域中浮游植物的供給是限制貝類生長和養殖容量的主要因素(Carver et al, 1990)，其主要補充和消耗有3 個，一是海域內浮游植物通過光合作用而生長繁殖的增加量，用初級生產時間表征；二是通過與外部海域的水交換導致養殖區域的浮游植物增加量或減少量，用水團停留時間表征；三是養殖貝類對浮游植物的消耗量，用貝類濾水時間表征。Dame 指標已被證明可以有效評估環境功能、行為以及養殖的發展潛力(Dame et al, 1998; Callens et al, 1999; 張繼紅等, 2008)。

1.1.1 水團停留時間 水團停留時間(Water mass residence time, RT)是指該海域內所有水體的體積或質量被海域外的水體替換所需要的理論時間，可以通過經驗計算(例如潮汐)或者通過構建該海域的水動力模型得到。本研究采用劉哲(2004)構建的膠州灣水動力模型所得到的水團停留時間。

1.1.2 初級生產時間 初級生產時間(Primary production time, PPT)是指海域內浮游植物初級生產取代海域內浮游植物常規生物量所需要的時間，其值是海域浮游植物生物總量(B)與海域浮游植物年初級生產力(P)的比值。

1.1.3 貝類濾水時間 貝類濾水時間(Bivalve clearance time, CT)是指貝類將海域內所有水體過濾一遍所需要的時間，其值為海域的海水總體積與貝類群體濾水能力的比值。

1.2 Herman 模型

Herman(1993)模型是通過模擬物理環境、初級生產和貝類攝食之間的關系，對濾食性貝類養殖容量進行估算。Herman 模型中計算每立方米浮游植物變化率的公式為：

式中，P 為海域內浮游植物量(g/m3)；μ 為海域內浮游植物的生長速率(d–1)；m 為海域內浮游植物的死亡率(除了貝類攝食的原因外的死亡率)；Clff為貝類的濾水率[m3/(g?d)]；Bff為貝類養殖量(g/m3)；RT為水停留時間；Pe為海域水交換中浮游植物的量(g/m3)。

模型公式可以轉換為：

在特定海域內，μ、m 為常量或變化不大，則貝類養殖容量由海域初級生產力、水團停留時間以及養殖貝類的濾水率來決定。

1.3 參數的調查和檢測

1.3.1 葉綠素a 于2017 年7 月、11 月和2018年1 月、4 月開展了20 個站位4 個航次的膠州灣海域大面調查(圖1)。每個站位準確量取水樣800 ml，0.45 μm 的醋酸纖維膜過濾，用于測定各站位浮游植物Chl-a 濃度。Chl-a 濃度采用分光光度法測定，具體操作參照《海洋調查規范》(GB17378.7-2007)。

1.3.2 初級生產力和浮游植物生物總量 初級生產力通過葉綠素a 法測定。按照Cadée(1975)提出的簡化公式計算：

式中，Cchla為初級生產力[mg/(m2?d)]，Ps為表層水中浮游植物的潛在生產力[mg/(m3?d)]，E 為真光層的深度(m)，D 為白晝時間的長短(h)。

圖1 膠州灣海域調查站位Fig.1 Investigation stations in Jiaozhou Bay

其中，Ps根據表層水中葉綠素a 的含量計算：

式中， Ca為表層葉綠素a 含量(mg/m3)，Q 為同化系數[mg/(mg?h)]。真光層E 的深度取透明度的3 倍，同化系數采用3.7(王俊等, 2002)。

浮游植物生物量用過C∶Chl-a 得到。浮游植物的生物總量=葉綠素a 的年平均值×海域總體積×(C∶Chl-a)，膠州灣以硅藻為優勢藻種，C∶Chl-a 取值33(張武昌等, 2001)。

1.3.3 模擬現場流水法測定不同溫度下不同規格菲律賓蛤仔的濾水率 流水系統裝置和流水槽參照文獻(Jiang et al, 2017)進行設計。用水泵將海水(離岸50 m 左右)抽取到緩沖槽內(80 cm× 60 cm×50 cm)，再通過分流軟管分別流入流水槽(20 cm×9 cm×10 cm)。每個分流軟管的頭部安裝一個水閥，用于控制流水槽流速。流水槽進水孔位于槽底上方4 cm 處，出水孔位于另一端的槽頂下方4 cm 處。

挑選大(殼長為 3.5～3.7 cm)、中(殼長為 2.9～3.1 cm)、小(殼長為2.3～2.5 cm) 3 種規格的菲律賓蛤仔，暫養于室內流水系統7 d 后開始實驗。將暫養的3 種規格蛤仔各取出 9 個放入流水槽(長×寬×高=20 cm×6 cm×11 cm)內作為實驗組，另設3 個沒有蛤仔的流水槽作為對照組。調整流水槽水流速度為150 ml/min 左右，馴化1 h。馴化結束后，每隔1 h測定各個流水槽流速，并用聚乙烯小瓶取100 ml 的海水樣品，使用便攜式顆粒計數器 PAMAS(型號S4031GO, 德國)測定水樣瓶中顆粒物數量(測定粒徑范圍為2～50 μm)，共進行3 次重復取樣，PAMAS 測定的樣品連續測量3 次。濾水率的計算公式(Hildreth et al, 1976)如下：

式中，V 為流水槽的流速(L/h)；C0和Ct分別為空白組和實驗組顆粒物數量(ind./L)。

1.3.4 菲律賓蛤仔個體生長數據調查 于2018年4月～2019 年4 月逐月在規?；B殖區定點(36°11′14.0″N,120°15′2.9″E)采集1 齡、2 齡和3 齡的菲律賓蛤仔各50 個，用游標卡尺測定殼長、殼寬和殼高(精確到0.01 cm)，分離軟組織，用電子天平測量軟組織濕重、軟組織干重(60℃烘干至恒重，精確到0.01 g)。

2 結果

2.1 膠州灣水體葉綠素a 的時空分布特征

調查海域表層葉綠素a 的時空分布特征見圖3。從季節變化來看，膠州灣海域表、底層葉綠素a 濃度的年變化范圍分別為2.09～4.28 和2.10～4.02 mg/m3，均值分別為3.33 和2.81 mg/m3，總葉綠素a 的均值為3.07 mg/m3，季節差異極顯著(P<0.01)。從平面分布來看，春季浮游植物主要分布于膠州灣北部近岸；夏季高值區在膠州灣核心區域，海灣南部濃度較低；秋季高值區出現在膠州灣東部偏南海域；冬季高值區在膠州灣西部和北部偏東近岸。從垂直分布來看，冬季表層浮游植物濃度高于底層，差異顯著(P<0.05)；春季、夏季和秋季表、底層Chl-a 濃度相近。

圖2 膠州灣海域表層浮游植物Chl-a 的時空分布特征Fig.2 Seasonal and spatial variations of phytoplankton Chl-a in the surface layer of Jiaozhou Bay

根據葉綠素a 濃度估算的不同季節初級生產力和浮游植物生物量見表1，膠州灣海域年平均初級生產力為450.28 mg C/(m2?d)，海域浮游植物生物總量為2.48×109g C。

表1 膠州灣海域各季節的葉綠素a 含量和初級生產力Tab.1 Seasonal variation of chlorophyll a and primary production in Jiaozhou Bay

2.2 菲律賓蛤仔濾水率

通過現場流水模擬實驗測定3 種規格菲律賓蛤仔的濾水率(表2)，菲律賓蛤仔個體濾水率為大規格>中規格>小規格，單位重量濾水率為大規格<中規格<小規格。3 種規格的菲律賓蛤仔個體平均濾水率為0.45 L/(h?ind.)，單位重量平均濾水率為2.52 L/(g?h)。

2.3 Dame 指標法評估膠州灣菲律賓蛤仔養殖情況

膠州灣菲律賓蛤仔年產量高達32.5 萬t (張明亮,2008)，商品蛤(殼長>3.0 cm)的平均體重為6 g，則年收獲5.42×1010粒，養殖周期2 年，推算膠州灣菲律賓蛤仔現存量為1.08×1011粒。膠州灣面積為349 km2，平均水深為7 m，體積為2.44×109m3(張志恒, 2009)。更新該海域水團停留時間(RT)為52 d (劉哲, 2004)。根據以上文獻數據和調查結果得到Dame 指標的結果見表3。

表2 菲律賓蛤仔生物學參數及濾水率Tab.2 Biological parameters and clearance rate of R. philippinarum

表3 膠州灣海域Dame 指標的估算結果Tab.3 Evaluation results of Dame indicators for Jiaozhou Bay

2.4 Herman 模型估算膠州灣菲律賓蛤仔養殖容量

膠州灣大面調查結果顯示，膠州灣灣內年浮游植物量P 為3.07 mg/m3，灣口交換處年浮游植物量Pe為1.44 mg/m3?，F場流水實驗法測得菲律賓蛤仔的平均濾水率為0.06 m3/g。浮游植物生長率μ 取0.99 d–1，死亡率m 取0.001 d–1(譚書杰, 2009)。根據以上數據和Herman 模型，得到菲律賓蛤仔養殖容量Bff為16.31 g/m3。菲律賓蛤仔個體生長逐月調查數據顯示，1 齡、2 齡和3 齡的蛤仔平均軟體干重分別為0.18、0.30 和0.42 g，得到1 齡、2 齡和3 齡的平均養殖容量分別為637、378 和272 ind./m2。

3 分析與討論

葉綠素a 是浮游植物光合作用最主要的色素，其分布是浮游植物生物量重要的指標(Culver et al,1989)，是評估膠州灣養殖容量的關鍵因子。潘友聯等(1995)的調查結果顯示，1983～1985 年膠州灣口表層海水葉綠素a 的含量為1.02～15.62 mg/m3，平均含量為3.05 mg/m3；吳玉霖等(2004)研究得出，1991 年5 月～2002 年11 月膠州灣葉綠素a 的含量為2.09～5.70 mg/m3，平均為3.47 mg/m3；王玉玨等(2015)研究表明，2010 年6 月～2011 年5 月的葉綠素a 含量為1.02～3.88 mg/m3，平均為2.85 mg/m3，不同年份之間存在一定的波動范圍。本研究結果表明，葉綠素a 含量在2.09～4.28 mg/m3之間，均值為3.07 mg/m3，從年際變化來看，膠州灣葉綠素a 濃度變化不明顯，沒有出現顯著上升或者下降的趨勢。

濾水率表示單位時間內濾食性貝類所濾過水體的體積，是評估養殖容量的核心指標之一。本研究測定菲律賓蛤仔濾水率采用現場模擬流水法，相對于傳統的靜水法，此方法更能真實反映蛤仔在自然海區中的生活狀態，其測定值更加可靠。測定濾食性貝類濾水率的方法通常有抽膜法(林少君等, 2005)和顆粒計數器測定法(杜美榮等, 2012)，傳統的抽膜法易受過濾水的體積定量、濾膜破碎等人為影響，工作強度很大，但獲得的數據數量及質量均存在局限性；臺式顆粒計數器(如庫爾特等)，較適宜室內實驗，但受儀器價格昂貴、運輸不便、對運行條件要求嚴格等因素制約，難以在野外實驗中廣泛使用；本研究采用的基于便攜式顆粒計數器的濾水率測定方法是近些年來國際上普遍認可的濾食性貝類攝食生理研究方法，該方法具有可嚴格按照既定程序連續運行、不受人為影響、操作簡單和同一樣品可多次重復測定等優點，可以有效保證數據質量。本研究建立的模擬現場流水實驗法與便攜式顆粒計數器測定技術的聯合運用，將有效提升濾食性貝類濾水率測定方法的客觀性和準確性，進而保障基于濾水率估算的養殖容量評估結果的準確性。

本研究嘗試將Dame 指標法和Herman 模型結合起來評估膠州灣菲律賓蛤仔的養殖容量，Herman 模型包括了水團停留時間、初級生產時間和貝類濾水時間3 個主要周轉時間要素，是適合估算貝類養殖容量的生態系統模型(Dame et al, 1998)。在特定的海域內，μ、m 和Clff為常量或變化不大，初級生產力和水團交換時間決定貝類生物量(李長松等, 2007)。Dame 等(1998)指出，水團停留時間相對較短(<40 d)和初級生產時間短(<4 d)的海域，可以維持較高的雙殼貝類生物量。膠州灣菲律賓蛤仔濾水時間為2.09 d，初級生產時間為1.58 d，而水團停留時間為52 d?？梢?，較高水平的初級生產力維持著該海域的蛤仔養殖。

在進行膠州灣菲律賓蛤仔生長狀況跟蹤時發現，近年來，膠州灣的菲律賓蛤仔出現死貝多、肥滿度降低、蛤仔偏瘦、生長周期延長等現象。除了受天氣等環境影響外，最主要原因是膠州灣現有的菲律賓蛤仔養殖密度已超過其養殖容量。有數據表明，膠州灣蛤仔的平均播種密度約為2500 ind./m2，平均存活密度約為450 ind./m2(張明亮, 2008)，2 齡和3 齡的養殖容量分別為378 和272 ind./m2，實際養殖密度高于養殖容量，這是造成菲律賓蛤仔質量下降的重要原因之一。利用Dame 指標和Herman 模型評估養殖容量時主要考慮食物限制下的養殖容量，而養殖容量要受多種因素影響，以本評估為例，菲律賓蛤仔排泄活動會改變海域底質環境，降低水中溶氧，較長的水團停留時間(52 d)使水體不能及時更新，不利于蛤仔的生存，養殖容量減小。在估算膠州灣菲律賓蛤仔養殖容量時，與菲律賓蛤仔有相同食物來源的野生濾食性種群被忽略，對估算結果造成一定的誤差。為提高蛤仔品質和產量，生產過程中需有效控制養殖密度。膠州灣菲律賓蛤仔1～2 齡和2～3 齡的自然死亡率分別為35%和47%(任一平等, 2006)，結合養殖容量，若以2 齡蛤為采捕對象，則適宜的播種密度為582 ind./m2；若以3 齡蛤為采捕對象，則789 ind./m2為適宜。本研究中，養殖容量的估算模型通過較少的參數就可以滿足要求，后期將對這一模型進行優化，充分考慮浮游植物的動態變化、濾水率的動態變化以及水團停留時間的空間異質性等，將復雜的計算過程進行后臺計算，嘗試開發人機交互的軟件，提升養殖容量評估方法的準確性和普適性。