图1 调查取样站位与评估区域示意图
Fig.1 Diagram of sampling stations and evaluation area during the survey
现代海洋牧场建设是实现海洋渔业与近海生态系统和谐发展的重要途径之一[1]。近年来，中国海洋牧场事业发展迅猛，地处北黄海长山群岛南部的獐子岛海域以其优越的自然环境和极为丰富的生物资源成为首批国家级海洋牧场示范区[2]。从2011年到2016年，在獐子岛附近海域建立了海洋牧场的深水鱼礁区，其功能是否达到预期效果，是海洋牧场生态组成平衡和稳定的重要环节，而渔业资源量是评价人工鱼礁区建设效果的重要指标之一[3]，准确的评估渔业资源量是评价人工鱼礁区建设效果的前提。
目前，渔业声学测量技术越来越广泛地应用在渔业资源评估和生态环境调查等领域，已成为当今国内外海洋生态观测的重要手段[4-7]。本研究中，利用声学方法在2016年秋季对獐子岛海域的人工鱼礁区域渔业生物资源的概况进行了声学调查，通过对所探测鱼类生物的回波特征和定置网具采样结果的统计，分析该海域人工鱼礁区内部和外部渔业资源的种类组成和空间分布，比较鱼礁区内外海域渔业生物个体大小及渔业资源的丰度密度，旨在进一步探讨人工鱼礁区对獐子岛附近海域渔业生物资源的影响，为鱼礁区渔业资源的科学管理和合理开发提供参考[8]。
调查区域为獐子岛39°0.4′N～39°1.3′N、122°54.0′E～122°55.5′E海域，调查时间为2016年11月12日，调查船为獐子岛科研调查船(长25 m，宽5.5 m，功率110.3 kW)。根据《渔业资源声学调查与评估》[9]设计此次调查航线，走航调查过程采用等距平行断面的方式进行。设置10个平行断面(图1)，平行断面设计间距为500 m，每条断面航线向人工鱼礁区外部拓展为500 m。
2016年11月12日利用獐子岛科研调查船载双频分裂波束科学鱼探仪系统(SimradEK60型，120 kHz、200 kHz，挪威)，通过RS232接口外接GPS(Gamin，美国)对声学数据及动态经纬度位置信息进行同步采集及储存。表1中数据为此次调查所使用科学鱼探仪的主要技术参数。在调查开始前，首先根据标准目标法(国际通用)，利用直径为38.1 mm的钨碳合金标准球(Tungsten carbide standard sphere)分别对120、200 kHz的科学鱼探仪系统的增益进行现场校正[10]。走航调查过程中，调查船航速为5～7 kn。
图1 调查取样站位与评估区域示意图
Fig.1 Diagram of sampling stations and evaluation area during the survey
采用Echoview软件处理渔业声学数据：首先对所有回波映像进行检查回放，设置最佳积分起始线用以剔除海表航行时产生的气泡，设置积分终止线剔除虚假海底及机器干涉信号等产生的回波映像，根据此次调查得到的回波映像来看，对所采集声学数据积分线设定为海平面以下1 m至海底以上0.5 m。为便于计算，根据鱼礁区内外部水域的特点，设置鱼礁区内部的基本积分航程单元(Elementary distance sampling unit，EDSU)为600 m，鱼礁区外部的基本积分航程单元为500 m，积分阈值设定为-65 dB，用以剔除弱散射体的回波信号。采用回波积分法评估所调查的海洋牧场深水人工鱼礁区域的渔业资源密度，分析其空间分布特征。
表1 EK60科学鱼探仪主要技术参数
Tab.1 Main Technical parameters setting for scientific echo sounder EK60
换能器transducer 发射功率/Wtransmitted power脉冲宽度/μspulse duration数据采集深度/mdata acquisition depth长轴3 dB波束角/(°)major axis 3 dB beam angle短轴3 dB波束角/(°)minor axis 3 dB beam angle等效波束角/dBequivalent beam angle换能器增益/dBtransducer gain吸收系数/(dB·km-1)absorption coefficient120 kHz换能器250256706.156.35-2126.393.728200 kHz换能器150256707.17.1-2127.9910.322
走航调查过程中，进行声学数据采集的同时，利用定置网对预先设置的9个站位进行生物采样，定置网所用网笼(10.0 m×0.5 m×0.4 m)共30节。采样生物的种类可以用来确定声学评估种类，采样各种类的数量又能帮助判别声学回波映像和分配积分值。因为采样站位具有代表性，所以各采样站位的渔获组成情况也基本代表了该站位所有基本积分航程单元内的生物组成情况。采样完成后，随船研究人员首先对各站位的采样样品进行现场分类和计数抽样，然后测量并记录每个样品的体长(单位cm)和体质量(单位g)。由于采样数量较多，船上人员有限，现场未能及时进行处理的样品冷冻后带回实验室进行测量分析。
利用Echoview软件对调查所获得的声学数据进行处理，输出平均目标散射强度值和各个积分单元的声学积分值(Nautical area scattering coefficient，NASC，单位m2/n mile2)，用来计算獐子岛人工鱼礁区及其附近海域鱼类目标强度和渔业资源量。
1.4.1 鱼类目标强度的计算 鱼类目标强度(Target strength，TS，单位dB)由渔获物体长进行推算求得。针对不同鱼类的平均体长，使用体长和目标强度的经验公式推算不同鱼类的平均目标强度
(1)
其中：b20表示当lgL的系数取20时对应的b值，i为鱼的种类；Lcm为以cm为单位的鱼类体长；b20鱼体长为20 cm时对应的目标强度划分参见表2[11-13]。不同鱼类数量的组成比例(频数分布)按照渔获物的实际数量计算。
1.4.2 渔业资源丰度密度及资源量的计算 根据设定的基本积分航程单元EDSU，测量获得的积分值sa，可以计算出该区段单位水面(m2)的鱼类资源密度(ρ)：
ρ=sa/σbs,
(2)
其中，σbs为后向散射截面(m2)，其与TS的关系为
TS=10 lgσbs。
(3)
鱼类的目标强度可以通过鱼类的采样组成利用公式(1)进行计算。一般在海洋中，使用积分值NASC计算鱼类密度(ρn，ind./m2):
ρn=NASC/(18522×4πσbs)。
(4)
本次调查基本积分航程单元设置密集，故使用sa，不使用NASC。针对不同鱼类组成，sa需要种类分配。计算公式为
(5)
其中，i为鱼的种类，分母为不同鱼种目标强度的加权平均，单一鱼种不同体长的均值也需要根据体长的数量组成进行加权计算。
每种鱼类的密度
计算公式为
(6)
不同鱼种的资源量(wi)计算公式为
(7)
其中：wsi为不同鱼种的质量(g)；A为基本积分航程单元的面积(m2)。
表2 声学评估鱼类的b20
Tab.2 Values of b20 for acoustic estimation of fish species
物种 speciesb20/dB白姑鱼Argyrosomus argentatus Houttuyn-67.4鳀鱼Engraulis japonicus-76.1绵鳚Zoarce selongatus-67.4大泷六线鱼大泷六线鱼Hexagrammosota-ki-71.9许氏平鲉Sebastods schlegeli-67.7
首先，根据上述公式计算每个基本积分航程单元的渔业资源丰度密度，再计算人工鱼礁区域内外渔业资源的丰度密度和空间分布。参照各个积分单元所处位置，人工鱼礁区内外水域渔业资源丰度密度分布情况见图2。在人工鱼礁区内外，渔业资源丰度密度差别较大，鱼礁区内明显高于鱼礁区外，鱼礁区内平均生物资源量密度为0.046 ind./m2，而鱼礁区外平均生物资源量密度为0.033 ind./m2，鱼礁区外渔业资源丰度密度较低。
利用Echoview软件处理鱼礁区内外数据的过程时，需要进行单体目标检测和单体目标轨迹追踪，输出不同水层的单体目标强度分布(图3)。鱼礁区内单体目标强度在-65～-53 dB的目标物主要分布于20 m以浅水层，强度在-47～-29 dB的单体目标主要分布于30 m以深水层，个体在底层依附礁石活动现象明显；鱼礁区外单体目标强度在-65～-57 dB的目标物分布于各水层，单体目标强度-55～-25 dB的目标物主要分布于23～30 m水层，鱼礁区外个体集中于中上水层，底层较少。
图2 鱼礁区内外渔业资源丰度密度的水平空间分布
Fig.2 Horizontal spatial distribution of abundance density of fisheries resources inside and outside the artificial reef area
图3 鱼礁区内外渔业资源目标强度的垂直空间分布
Fig.3 Vertical spatial distribution of target strength of fishery resource inside and outside the artificial reef area
渔业资源声学调查中，接近海底0.5 m范围内视为声学盲区，盲区内的生物视为海底，不在积分范围内[14]。比如底栖虾蟹类和鲆鲽类等非常贴底的生物位于声学盲区中，定置网具采样也无法捕到，故不在资源评估之列。此外，还有一些弱散射体如浮游生物等也不在评估之列，可以通过设置积分阈值来剔除。因此，在统计各网次渔获物中所有可参与评估的生物种类后，再分析声学映像和分配积分值。本次生物采样共采集鱼类36种，其中虾蟹类、头足类11种。鱼礁区内捕获鱼类29种，其中虾蟹类、头足类11种；鱼礁区外捕获鱼类24种，其中虾蟹类、头足类9种。而渔获物中的白姑鱼Argyrosomus argentatus Houttuyn、短鳍鱼衔Callionymus kitaharae Jordan et Seale、蓝圆鲹Decapterusmaruadsi仅在鱼礁区内捕获。渔获量前5位生物组成信息见表3。
表3 渔获量前5位生物的种类组成信息
Tab.3 Biological data of the top five species in catches
物种species区域area数量/ind.number数量百分比/%number percent质量百分比/%weight体长body length/cm体质量body weight/g范围range平均值mean范围range平均值mean白姑鱼Argyrosomus argentatus Houttuyn鱼礁区内10432.523.15.4～10.38.2±1.387.8～19.910.7±2.56鳀鱼Engraulis japonicus鱼礁区内19848.533.78.7～10.99.8±0.612.1～10.98.2±1.85鱼礁区外6040.937.08.0～10.08.7±0.584.0～9.36.1±1.24绵鳚Zoarce selongatus鱼礁区内9423.032.911.8～24.616.1±3.365.7～59.916.9±5.27鱼礁区外6744.539.211.6～30.918.3±4.5210.4～156.230.7±6.52大泷六线鱼Hexagrammos otakii鱼礁区内102.59.712.5～14.713.9±0.6231.2～60.246.9±2.48鱼礁区外653.523.610.0～15.612.8±1.5817.5～83.943.2±1.56许氏平鲉Sebastods schlegelii鱼礁区内20.50.68.0～8.88.4±0.4011.0～17.314.2±3.15鱼礁区外24.00.26.2～6.56.4±0.155.1～7.16.1±1.00
利用Echoview软件输出不同目标强度阶层的单体数目。图4分别对应于人工鱼礁区内外的平均目标强度的频度分布。鱼礁区内，鱼类目标强度分布于-65～-24 dB，呈均匀分布，单体目标强度为-56 dB的个体所占比例最高约为8.4%。鱼礁区外鱼类目标强度分布于-65～-32 dB，呈均匀分布，单体目标强度为-64 dB的个体所占比例最高约为9.8%。整体来看，鱼礁区内单体目标强度比鱼礁区外高，且各阶层目标强度分布均匀。
图4 鱼礁区内外渔业资源目标强度的频度分布
Fig.4 Frequency distribution of target strength of fishery resources inside and outside the artificial reef area
对调查海域内各个站位进行生物采样，估算该海域的渔业资源种类及资源量。采样结果表明：渔获量前5位的生物种类分别为白姑鱼、鳀鱼、绵鳚、大泷六线鱼和许氏平鲉(表3)，其中白姑鱼仅在鱼礁区内捕获，且捕获数量百分比为32.5%，在鱼礁区内占据优势。从表4可以看出，鱼礁区内渔业资源量总体高于鱼礁区外。
根据獐子岛人工鱼礁区内外基本积分航程单元积分值的不同，分析鱼礁区内外渔业资源的丰度密度及空间分布特征，可以看出，人工鱼礁能够明显影响该海域渔业资源丰度密度的空间分布。整体而言，鱼礁区内渔业资源丰度密度大于鱼礁区外。调查海域的渔业资源垂直分布特征，对目标强度小于-56 dB的鱼类单体，鱼礁区内外鱼类单体活动水层差异不明显，但是鱼礁区内单体目标强度大于鱼礁区外；目标强度大于-55 dB的鱼类单体，鱼礁区内鱼类单体主要活动于底层，鱼礁区外鱼类单体主要活动于中下层。这反映出鱼礁区对鱼类活动水层的影响，鱼礁区内鱼类多依附于人工鱼礁生活。鱼礁区内捕获物种数高于鱼礁区外，且有一些种类仅在鱼礁区内捕获，如白姑鱼、短鳍鱼衔、蓝圆鲹，从另一方面证实了人工鱼礁的集鱼特征，可以丰富鱼礁区内的生物多样性[15]。有研究表明[8,16]，人工鱼礁区含有丰富的饵料，且中空的礁体可为鱼类提供庇护场所，鱼类的索饵、生殖和逃避本能使得附近的鱼类游向鱼礁区内，人工鱼礁可以为鱼类等生物提供栖息场。
表4 渔获量前5位的生物资源量和密度
Tab.4 Biological biomass and density of top 5 species in catches
物种species生物资源量biological biomass/t生物资源密度 biological density/(g·m-2)鱼礁区内inside鱼礁区外outside鱼礁区内inside鱼礁区外outside白姑鱼Argyrosomus argentatus Hout-tuyn1.046—3.487—鳀鱼Engraulis japonicus1.5261.3075.0874.357绵鳚Zoarce selongatus1.4931.7274.9775.757大泷六线鱼Hexagrammos otakii0.4410.3581.4701.193许氏平鲉Sebastods schlegelii0.0270.0110.0900.037
在声学评估渔业资源的调查中，往往需要获取鱼类的种群信息以辅助声学数据的分析处理，这就需要选择适当的网具采样[13-14]，由网具采样所得渔获物的组成比例分配各种生物的积分值[4]。本次调查使用定置网具进行生物学采样，定置网具是被动型捕捞方法[17]，依靠生物主动进入网具内，故白姑鱼和许氏平鲉等活动性较强的鱼类被捕获的比例较高。同一物种不同年龄阶层的鱼类，其大小和活动性也有差异[14]，因此，利用定置网具渔获数据反映鱼礁区内外的生物组成和体长分布，对积分值分配和资源量评估也存在一定影响。
利用多种方法确定调查海域的生物组成和体长分布并科学分配声学数据积分值是准确反映海域内的生物组成的基础，而鱼类的生态学测量也要力求精准。以后的研究中可以利用多种网具采样，多方位多水层采捕鱼类样品，以便使积分值的分配更合理准确。此外，网具采样是一段时间的结果，而走航调查过程中声学数据的采集具有即时性，这就导致声学映像中单体目标大小和种类的判别误差。在以后的研究中，可以尝试将探测和采样同时进行，探测到鱼群回波后立即投网采捕，将生物采样数据与声学探测结果一一对应，能更准确地得到不同鱼类种类和体长的目标强度值。
本次渔业资源声学评估选择在獐子岛(39°0.4′N～39°1.3′N、122°54.0′ E～122°55.5′E)海域的鱼礁区内外进行，为满足人工鱼礁区声学采样的空间随机性和相邻航线的非相关性要求[18]，此次调查采用等距平行断面的走航方式，共设置10条平行断面，完全覆盖人工鱼礁区，并且航线向鱼礁区域外扩张500 m，能够较为准确地反映人工鱼礁区内渔业资源的丰度密度和空间分布概况。此次调查结果显示，鱼礁区内单体目标强度呈均匀分布，主要是因为人工鱼礁区内物种繁多，结构组成也较复杂，且网具采样生物数量有限，无法得到各物种的优势体长，在以后的研究中应设置更多的采样站位，并尽量细化每一物种的体长分布频度。
渔业资源量声学调查过程中，换能器固定于船舷右侧、水下1 m处。为排除表层航行气泡干扰，数据积分起始水层设置为1.5 m，积分截止水层设置为距海底0.5 m，该区域视为声学盲区，盲区内的生物视为海表和海底，不在积分范围内，另外，礁体多为混凝土结构，不仅无法进行网具采样，而且声波也较难穿透，导致礁体框架内的鱼类无法被探测，例如，贴附人工鱼礁的鲽鲆类，水下相机和蛙人采捕均可观测到，而此次调查结果却未显示，因此，鱼类的资源量和丰度估算值存在偏差。Soria等[19]研究表明，鱼类在距离调查船70 m时有侧向回避的行为，尽管本次调查未对獐子岛人工鱼礁水域的鱼类回避行为进行研究，但该区域的水深在影响范围内，可能存在鱼类对调查船具有侧向回避行为。因而使用声学方法计算渔业资源量结果较实际渔业资源量偏小。以后需参考不同生物种类规避程度和逃逸率，以更加精确地估算各物种的资源量。
除了人工鱼礁礁体外，周围环境也是影响人工鱼礁生态效应的重要因素，因此，在设计鱼礁区外部航线时需要考虑对生态环境方面的影响。鱼礁区内外界限划分不准确，也会影响调查结果中鱼礁区外渔业资源量的评估准确度。有资料显示[20]，人工鱼礁区对周边水域的影响范围为5～50 m。为区别鱼礁区内部，此次调查航线设计向鱼礁区外扩500 m，将此范围设定为鱼礁区外部区域，超出人工鱼礁区的影响范围，同时还会影响结果的准确度。因此，今后需尽快完善界限划分并制定合理的海洋牧场声学调查规范，使声学评估结果更具可靠性和准确性。
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