海洋作为一个巨大的碳汇、气-海界面的“溶解泵”和海洋生物的“生物泵”，影响全球碳循环并完成碳的传输和固定。每年海洋生物光合作用吸收的碳约占全球生物光合作用吸收碳的55%(Falkowaki et al，2004; Arrigo et al，2005; Simon et al，2009; Bowler et al，2009)，渔业捕捞和水产增养殖则将大量碳以产品的形式捕获，为人类提供营养物质的同时实现碳移出。人工鱼礁增养殖业通过投放人工构造物为水生生物提供适宜的栖息地，礁区增养殖生物以海区自然饵料为食，无须人工投喂，既不会造成养殖污染又可逐步修复生态环境，增殖渔业资源，提高海洋生物的经济价值和海区的生物碳汇功能。人工鱼礁生态系统中的鱼礁材料可实现碳封存，生态系统环境的改善可提升礁区的初级生产力，增加光合作用的固碳量，并为其他海洋生物提供丰富的饵料，使礁区渔业资源种类和生物量得到恢复，最终通过经济性渔业资源的捕获实现碳移出。但目前，国内外在人工鱼礁生态系统碳汇机理方面的研究非常匮乏。本研究利用在混凝土礁体材料中添加农渔生产中废弃物秸秆和贝壳，探讨增加礁体自身碳封存作用的可行性和潜能，并通过鱼礁海区投放、礁体生物取样和实验室生物元素检测、种类鉴定及生物量测量等实验手段，分析并对比材料添加物礁体和普通混凝土礁体对生物附着的影响。相关研究表明，2014年全国秸秆资源的产量达8亿t，秸秆资源目前主要的利用方式有能源、饲料、基料和肥料，但每年因过剩秸秆焚烧导致的环境污染仍影响着人们的身体健康和日常生活(韩鲁佳等，2002; 张强等，2015; Cao et al，2008; Wei et al，2013)；作为贝类养殖大国，我国每年的贝类产量约占全球总产量的50%，而贝壳的利用率却非常低，由此造成的土地占用和环境污染已成为养殖沿岸面临的主要环境问题(李金志等，2011; 王金华等，2003; 姜少杰等，2001)。本研究选取花生秸秆和海湾扇贝贝壳作为礁体材料添加物并进行再利用，不仅可以节约制作成本，降低秸秆燃烧造成的碳排放，还可在一定时期内实现碳封存的作用。
1 材料与方法 1.1 鱼礁制作与投放实验礁选用山东沿海常用的增殖型圆管礁(图 1)，礁体主尺度直径为48 mm，高为90 mm，厚度为4 mm，空方量为0.16 m3/ind。常规圆管型增殖礁的制作材料是水泥、砂子、石子和石粉，实验礁以海湾扇贝壳粉和花生秸秆粉为材料添加物，按一定比例取代石粉(刘殿忠等，2010; Yang et al，2009)。添加物混凝土预制件的制备符合相关规范和标准(中华人民共和国住房和城乡建设部，2011、2008; 国家能源局，2002; 中华人民共和国建设部国家质量监督检验检疫总局，2010)，强度不低于C20，制作材料配合比例见表 1。从表 1可以看出，材料配比完成后，利用特制的圆管礁模具完成礁体的浇筑，成型后的礁体经过洒水、晾晒，待完全凝固后开始在海区投放。每种添加物礁体各制作250个，并由材料相同的250个礁体组成一个单位礁，单位礁体积为40空/m3，间距为30 m。2012年4月完成全部鱼礁的海区投放，投放站位见表 2。
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图 1 增殖型圆管礁 Figure 1 Stock enhancement type of tubular artificial reef |
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表 1 礁体材料和添加物比例 Table 1 Reef material and proportion of additives |
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表 2 实验礁体投放站位地理坐标 Table 2 Geographic coordinate of experimental reefs deployed |
分别于2012年6月、2013年4月、8月和2014年4月、8月，在山东莱州金城海区投放实验鱼礁，对9种鱼礁附着生物进行调查取样，其中，2012年6月取样时未见附着生物。每种添加物鱼礁均随机起吊3个进行礁体取样，取样框尺寸为20 cm×20 cm，将取样框内鱼礁表面的礁体附着生物完全采集，然后封装、标记，放入保鲜箱中暂存。样品带回实验室后需进行分类、清洗，贝壳和软体分离、烘干、测定干重、研磨，最后采用元素分析仪分别测定软体部和贝壳C、N元素的含量。
1.3 固碳潜能估算方法人工鱼礁生态系统的碳汇机理是一个复杂的生物地球化学过程，李娇等(2013)根据海区实验结果，对礁体附着生物和礁体材料添加的固碳量进行估算，计算公式如下：
| ${C_B} = {C_S} \times {E_S} + {C_O} \times {E_O}$ | (1) |
| ${C_T} = \rho \times V \times {C_R}$ | (2) |
式中，CB为附着褶牡蛎(Ostrea plicatula)的总固碳量，CS为褶牡蛎的壳体碳含量，ES为褶牡蛎的壳体总重，CO为褶牡蛎软体部碳含量，EO为附着褶牡蛎的软体部总重。C
通过礁体起吊观测和附着生物取样，共鉴定出30种附着生物，包括16种多毛类，占53.3%；软体类7种，占23.3%；甲壳类6种，占20%；附着植物1种，占3.3%。多毛类中优势种是管栖性的盘管虫属(Hydroides)，甲壳类没有明显的优势种类，附着植物以江篱(Gracilaria confervoides)为主，褶牡蛎是软体类中的优势种，同时是所有附着生物中的绝对优势种，占礁体附着生物总生物量的99.7%。礁体附着生物观测显示，绝大多数褶牡蛎的软体部脱落，少量附着褶牡蛎含有非常小的软体部，因此，通过研究褶牡蛎壳体的变化、分布，分析材料添加物对礁体褶牡蛎附着的影响。
2.2 材料添加物礁体的附着褶牡蛎壳体碳含量测定及其变化利用元素分析仪测得海湾扇贝壳体碳含量平均值为(11.57±0.04)%，花生秸秆碳含量平均值为(32.92± 0.62)%。表 3为不同添加物和配合比礁体附着褶牡蛎的壳体平均碳含量。SPSS17.0差异显著性检验及相关分析结果显示，不同材料添加物和配合比礁体附着褶牡蛎壳的碳含量差异不显著(P＞0.05)。不同添加物和配合比礁体附着褶牡蛎壳体干重变化统计显示(图 2、表 4)，褶牡蛎壳干重在同一取样时间也没有显著差异(P＞0.05)，说明礁体材料添加物对附着褶牡蛎的生长没有明显的影响；相同添加物和配合比礁体的附着褶牡蛎壳干重有显著的季节变化(P＜0.01)，并随着投放时间的积累呈现增加的趋势。其中，2014年4月的褶牡蛎壳干重略低于2013年12月，这与公丕海等(2014)研究的每年4月取样褶牡蛎壳干重低于上一年12月相一致，并符合范昌福等(2012)提出的渤海湾西岸牡蛎(Ostrea gigas)停止分泌壳体的最低平均水温为5.5℃的生长特性。根据2011-2014年对实验海区生态环境跟踪监测的数据，4个年度12月底和3月下旬的底层海水温度均低于5℃，因此，壳体停止分泌，褶牡蛎死亡和环境外力引起的壳体脱落等原因造成壳体干重在4月略低于上一年的12月。
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图 2 附着褶牡蛎壳干重的年季变化 Figure 2 Seasonal and annual weight variation of O. plicatula shell adhering to reefs |
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表 3 不同添加物和配合比礁体附着褶牡蛎的壳体平均碳含量 Table 3 Average carbon content of O. plicatula shell adhering to reefs with different additive types and proportions (%) |
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表 4 不同添加物和配合比礁体附着褶牡蛎壳体干重分布 Table 4 Dry weight of O. plicatula shell adhering to reefs with different additive types and proportions |
添加物礁体碳封存量及实验礁总碳封存量见表 5。从表 5可以看出，实验用海湾扇贝壳体碳含量平均值为11.57%，花生秸秆碳含量平均值为32.92%，单个贝壳添加物礁体的最小碳封存量为0.41652 kg，最大碳封存量为1.0413 kg。单个花生秸秆添加物礁体的最小碳封存量为1.18512 kg，最大碳封存量为2.96280 kg。本研究中单位鱼礁由250个单体鱼礁组成，贝壳添加物单位礁体的最小碳封存量为104.13 kg、2.60 kg/空×m3、最大碳封存量为260.33 kg、6.51 kg/空×m3；花生秸秆添加物单位礁体的最小碳封存量为296.28 kg、7.41 kg/空×m3，最大碳封存量为740.70 kg、18.52 kg/空×m3；实验礁体添加物的总碳封存量达2802.87 kg，平均碳封存量为8.76 kg/空×m3。
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表 5 礁体添加物固碳量及实验礁体总固碳量 Table 5 Carbon fixed by additives and its total amount fixed by experimental reefs |
本研究选择的海区截至2011年已完成66.67 hm2海洋牧场的投建，共投放圆管型单位鱼礁500座，每个单位礁由250个单体鱼礁组成，圆管礁均采用普通混凝土构件制作材料，如果在礁体材料中加入添加物，以海湾扇贝壳替代率10%计算，可完成52040.00 kg碳的封存，以花生秸秆替代率25%计算，66.67 hm2海洋牧场礁体自身的碳封存量可达370350.00 kg。
3 结论研究结果显示，花生秸秆和海湾扇贝壳的添加物在扩增礁体附着褶牡蛎生物固碳方面没有明显优势(P＞0.05)；但添加物可有效提高礁体自身的碳封存能力，贝壳添加物单位实验礁的最小碳封存量为104.13 kg，最大碳封存量为260.33 kg；花生秸秆添加物单位实验礁的最小碳封存量为296.28 kg，最大碳封存量为740.70 kg；实验礁体添加物的总碳封存量达2802.87 kg。通过对材料添加物混凝土礁体的试制和海区实测，本研究验证了以花生秸秆和海湾扇贝壳作为添加物制作礁体的可行性，为利用人工鱼礁的制作和投放来实现对废弃物资源中碳的封存提供了有效方法，而材料添加物的使用不仅可以通过礁体的海底投放来完成碳封存，同时节约鱼礁成本，实现废弃资源的循环再利用，为生态型鱼礁材料的开发利用提供了依据。
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