随着海洋生态环境的恶化和海洋渔业资源的匮乏，人工鱼礁建设成为当前改善海洋生态环境和养护渔业资源的有效途径之一。人工鱼礁本身是一种附着基，投入海中会附着大量生物，用来改善海域生态环境，而附着生物是礁区鱼类和其他生物的饵料来源(张伟等, 2008)，礁体上附着生物种类和数量的变化是人工鱼礁饵料效应的重要体现(张伟等, 2015)，因此，附着生物是影响礁区聚集鱼类的重要因素之一。礁体附着生物的丰富度和多样性越高，诱集的鱼类数量越多(黄宗国等, 1981)，生物种类更加丰富。附着生物的种类和数量变化直接影响人工鱼礁的生态效应。

混凝土鱼礁是常见的人工鱼礁类型，造价便宜而且稳定，可以为附着生物提供良好的附着基和栖息地，还可以为其他无脊椎动物和鱼类提供饵料和避难所。国内外已对混凝土人工鱼礁对生物附着的影响开展了一些研究，江艳娥等(2013)对比不同材料的生物诱集效果研究表明，水泥材料的诱集效果比天然礁好。Oyamada等(2008)和Kress等(2002)研究发现，混凝土混合材料礁体的附着效果显著高于纯混凝土礁体。钢制鱼礁是一种制作和使用便捷的结构，近年来，国外大力发展钢制鱼礁，钢材在水中溶解的铁离子容易使生物附着。Fitzhardinge等(1989)比较了混凝土、轮胎和金属3种材料的生物附着效果，钢板的生物附着效果最好。王莲莲等(2015)对圆洲岛人工鱼礁的附着生物群落研究表明，表面经过处理的混凝土礁体上附着生物的生物量和丰度都较高。

目前，虽然对人工鱼礁材料的研究和利用较多，但在国内添加辅助材料的混凝土人工鱼礁和钢制鱼礁对附着生物群落结构的影响却很少。本研究通过海区挂板实验，分析了普通硅酸盐水泥、添加贝壳粉硅酸盐水泥和钢板3种不同人工鱼礁材料的生物附着效果及其附着生物群落结构，以期为人工鱼礁材料的选择和石雀滩海域附着生物群落特征研究提供参考。

3种人工鱼礁挂板包括普通硅酸盐水泥挂板(P)、添加贝壳粉硅酸盐水泥挂板(S)和钢板(F)，每种材料挂板制作36个(表 1)。普通硅酸盐水泥挂板和添加贝壳粉硅酸盐水泥挂板在2017年4月7日制作并开始进行养护，养护周期为28 d。

表 1(Tab.1)

表 1 鱼礁挂板尺寸及数量 Tab.1 Size and quantity of artificial reef 鱼礁类型Type of reef 代号Code 尺寸Size(cm) 组数Groups 普通硅酸盐水泥 Ordinary portland cement P 20×20×3 12 添加贝壳粉硅酸盐水泥 Scallop portland cement S 20×20×3 12 钢板 Iron plate F 20×20×0.3 12

表 1 鱼礁挂板尺寸及数量 Tab.1 Size and quantity of artificial reef

2017年5月10日在山东省青岛市石雀滩海域投放。

将3种材料挂板用聚乙烯绳直接吊挂在空网箱上，每条绳上3个挂板，使挂板分别沉降于海面以下0.5、2和9 m水深处。2017年7、9、11月和2018年1月分别进行附着生物采样。每次采样每组材料的挂板各取3组样品，采样流程按照《海洋调查规范》(GB/T12763.6-2007)进行。采集的样品装入密封袋内并用5%的甲醛溶液固定，带回实验室鉴定分析。

Shannon-Wiener多样性指数(H')和Pielou均匀度指数(J)的计算公式：

式中，S为样品的种类数，N为样品的总丰度，n_i/N为第i种的个数与样品总个数的比值，H'为多样性指数。

优势度(Y)的计算公式：

式中，n_i/N为第i种的个数与样品总个数的比值。f_i为该种在各样品中出现的频率。将Y≥0.02的生物定为优势种，Y≥0.006的生物定为常见种。

采用SPSS16.0软件进行主成分分析和统计分析。主成分分析法是利用降维的思想将多个相互关联的数值转换成少数互不相关的综合指标。单因素方差分析(One-way ANOVA)检验组内差异，P＜0.05为差异显著。

本研究综合4次采集样品，共鉴定出附着生物69种(表 2)，其中，藻类9种、多毛类12种、软体动物15种、甲壳动物25种、苔藓动物3种、棘皮动物1种、脊索动物1种、扁平动物1种、刺胞动物2种。本研究中优势种为麦秆虫(Caprella sp.)、褶牡蛎(Ostrea plicatula)、紫贻贝(Mytilusgallo provincialis)、孔石莼(Ulva pertusa)、青岛板钩虾(Stenothoe qingdaoensis)；常见种为疣荔枝螺(Thais clavigera)、独齿围沙蚕(Perinereis nuntia)、强壮藻钩虾(Ampithoe valida)、毛日藻钩虾(Sunamphitoe plumosa)、纹藤壶(Balanus amphitri teamphitrite)、施氏玻璃钩虾(Hyale schmidti)等。

表 2(Tab.2)

表 2 不同材料人工鱼礁挂板附着生物种类 Tab.2 Species of attachment organisms on different-material artificial reefs 种类 Species 人工鱼礁材料Material of artificial reef 普通硅酸盐水泥挂板P 粉硅酸盐水泥挂板S 钢板F 浒苔 Enteromorpha prolifera + + – 海蒿子 S. pallidum + + + 褐藻1种 Phaeophyta + + + 肠浒苔 Entermorpha intestinalis – + + 拟钩虾属 Gammarus – – – 独齿围沙蚕 Perinereis nuntia + + + 背褶沙蚕 Tambalagamia fauveli – + + 裂虫科1种 Amphileptidae + + – 乳突半突虫 Phyllodoce papillosa + + – 狭细蛇潜虫 Ophiodromus angustifrons – + – 多丝独毛虫 Tharyxmultifilis – + – 褶牡蛎 O. plicatula + + + 圆楔樱蛤 Cadella narutoensis + + + 扇贝 Placopecta magellanicus – + – 东方缝栖蛤 Hiatella orientalis + + + 梯螺科1种 Janthinidae + + – 太平洋牡蛎 Grassostrea gigas + + – 中华近方蟹 Hemigrapsus inensis + + – 嫁䗩 Cellana toreuma + – – 青岛板钩虾 S. qingdaoensis + + + 毛日藻钩虾 S. plumosa + + + 强壮藻钩虾 A. valida + + + 东方小藤壶 Chthamalus challengeri + + – 施氏玻璃钩虾 H. schmidti + + + 理石叶钩虾 Jassamarmorata – – + 锯齿利尔钩虾 Liljeborgia serata – + – 高脊藤壶 Balanus cristatus + + – 日本大螯蜚 Grandidierella japonica + + – 豆形拳蟹 Pyrhila pisum + – – 瓷蟹 Porcellanidae – + – 谭氏泥蟹 Ilyoplax deschampsin + – – 多室草苔虫 Bugula neritina + + + 近辐蛇尾 Ophiactis affinis + + + 纵条矶海葵 Haliplanella luciae + + – 异管藻 Heterosiphonia japonica + + – 孔石莼 U. pertusa + + + 石莼 U. lactuca – + + 水云 Ectocarpus sp. – – + 鼠尾藻 Sargassum thunbergii – – – 强刺鳞虫 Sthenolepis japonica + + + 软背鳞虫 Lepidonotus helotypus + + + 围沙蚕 Perinereis sp. – + – 多齿围沙蚕 Pernereis cultrifera + – + 长双须虫 Phyllodocimorpha + – – 日本刺沙蚕 Neanthes japonica + – – 紫贻贝 M. provincialis + + + 翡翠贻贝 Pernaviridis + – + 锈笔螺 Mitraferruginea Lamarck + + + 疣荔枝螺 T. clavigera + – + 脉红螺 Rapanavenosa + + – 秀丽织纹螺 Nassarius festiva + – – 短滨螺 Littorina brevicula + + – 麦秆虫 Caprella sp. + + + 纹藤壶 B.amphitri teamphitrite + + + 长尾亮钩虾 Photislongi caudata + + + 瘤突地钩虾 Podocerus tuberculosus + + – 平角涡虫 Planocerareticulate – – – 中华原钩虾 Eogammarus sinensis + + + 镰形叶钩虾 Jassafalcata – + – 等足目1种 Isopoda – + – 蜾蠃蜚 Corophium sinense + + – 肉球近方蟹 Hemigrapsus sanguineus + – – 绒毛细足蟹 Raphidopus ciliates – + – 孔苔虫1种 Membran iporidae + + – 加州草苔虫 Bugula californica + + + 海鞘1种 Ascidiacea sp. + + – 水螅 Hydroidae + + – 网纹平涡虫 Planocera reticulata + + +

表 2 不同材料人工鱼礁挂板附着生物种类 Tab.2 Species of attachment organisms on different-material artificial reefs

根据3种材料附着生物的个体数矩阵，通过主成分分析得出，每种挂板材料附着生物的主成分的个数、特征值、贡献率和代表生物见表 3。从表 3可以看出，3种材料挂板的第1主成分生物种类基本一致，但其他主成分中出现的生物种类存在差异。

表 3(Tab.3)

表 3 附着生物种类主成分分析结果及附着生物代表种类 Tab.3 Principal component analysis results of attachment organisms and species 鱼礁材料 Material of artificial reef 主成分 Component 特征值 Eigenvalue 贡献率 Contribution rate (%) 代表生物 Representative species of attaching organisms 普通硅酸盐水泥挂板P 主成分1 3.406 42.571 褶牡蛎O. plicatula、紫贻贝M. provincialis、麦秆虫Caprella sp.、强壮藻钩虾A. valida 主成分2 2.139 26.732 褶牡蛎O. plicatula、紫贻贝M. provincialis、麦秆虫Caprella sp. 主成分3 1.366 17.081 孔石莼U. pertusa、独齿围沙蚕P. nuntia、长尾亮钩虾Photislongi caudata 粉硅酸盐水泥挂板S 主成分1 3.785 42.051 褶牡蛎O. plicatula、青岛板钩虾S. qingdaoensis、紫贻贝M. provincialis、麦秆虫Caprella sp. 主成分2 1.727 19.190 褶牡蛎O. plicatula、紫贻贝M. provincialis、纹藤壶B.amphitri teamphitrite 主成分3 1.386 15.396 毛日藻钩虾S. plumosa、孔石莼U. pertusa、纹藤壶B.amphitri teamphitrite 主成分4 0.979 10.878 孔石莼U. pertusa、褶牡蛎O. plicatula、紫贻贝M. provincialis 钢板F 主成分1 3.285 36.505 紫贻贝M. provincialis、麦秆虫Caprella sp.、独齿围沙蚕P. nuntia、圆楔樱蛤Cadella narutoensis、青岛板钩虾S. qingdaoensis 主成分2 2.146 23.847 麦秆虫Caprella sp.、青岛板钩虾S. qingdaoensis、多室草苔虫Bugula neritina 主成分3 1.772 19.687 麦秆虫Caprella sp.、青岛板钩虾S. qingdaoensis、长尾亮钩虾Photislongi caudata

表 3 附着生物种类主成分分析结果及附着生物代表种类 Tab.3 Principal component analysis results of attachment organisms and species

普通硅酸盐水泥挂板提取出3个主成分，3个主成分的累积贡献率达86.384%。在第1主成分中，载荷系数最大的是强壮藻钩虾，达到0.860；在第2主成分中，载荷系数最大的为褶牡蛎，高达0.844；在第3主成分中，载荷系数最大的为独齿围沙蚕，高达0.729。

粉硅酸盐水泥挂板提取出4个主成分，4个主成分的累积贡献率达87.516%。在第1主成分中，载荷系数最大的是麦秆虫，达到0.981，青岛板钩虾次之，为0.974；在第2主成分中，载荷系数最大的是褶牡蛎，达到0.746，紫贻贝次之，为0.656；在第3主成分中，载荷系数最大的是毛日藻钩虾，达到0.774；在第4主成分中，载荷系数最大的是紫贻贝，为0.609。

钢板提取出3个主成分，3个主成分的累积贡献率达80.039%。在第1主成分中，载荷系数最大的是紫贻贝，高达0.925，圆楔樱蛤次之，为0.914；在第2主成分中，载荷系数最大的是多室草苔虫；在第3主成分中，青岛板钩虾的载荷系数最大，为0.696。

综合4次采集样品，粉硅酸盐水泥挂板附着生物种数最高(53种)，普通硅酸盐水泥挂板次之(51种)，钢板最低(31种)。按月分析，2017年7月附着生物种数以粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低；9月附着生物种数以粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低；11月附着生物种数以粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低；2018年1月附着生物种数以钢板最高，粉硅酸盐水泥挂板最低(表 4)。

表 4(Tab.4)

表 4 不同材料人工鱼礁挂板的附着生物种类数量 Tab.4 The species of the attachment organisms on different artificial reefs 人工鱼礁材料 Material of artificial reef 附着生物种类 Species of attachment organisms 2017–07 2017–09 2017–11 2018–01 普通硅酸盐 水泥挂板P 33 17 19 18 粉硅酸盐水泥挂板S 38 25 20 16 钢板F 21 12 6 20

表 4 不同材料人工鱼礁挂板的附着生物种类数量 Tab.4 The species of the attachment organisms on different artificial reefs

综合4次采集样品，粉硅酸盐水泥挂板的平均生物量最大(4717.50 g/m²)，其次是普通硅酸盐水泥挂板(2621.12 g/m²)，钢板最小(163.86 g/m²)。按月分析，2017年7月生物量钢板最高，粉硅酸盐水泥挂板最低；9月生物量以粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低；11月生物量粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低；2018年1月生物量粉硅酸盐水泥挂板最高，钢板最低(表 5)。生物附着盛期为9~11月。

表 5(Tab.5)

表 5 不同材料人工鱼礁挂板的附着生物生物量 Tab.5 The biomass of the attachment organisms on different artificial reefs 人工鱼礁材料 Material of artificial reef 附着生物量 Biomass of attachment organisms (g/m2) 2017–07 2017–09 2017–11 2018–01 普通硅酸盐水泥挂板P 9.88 4801.09 4766.41 907.09 粉硅酸盐水泥挂板S 7.92 7585.13 10246.10 1030.84 钢板F 21.59 347.16 214.65 72.02

表 5 不同材料人工鱼礁挂板的附着生物生物量 Tab.5 The biomass of the attachment organisms on different artificial reefs

2017年7月，普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板2组分别有7个优势种，钢板有6个优势种。麦秆虫在普通硅酸盐水泥挂板和粉硅酸盐水泥挂板占绝对优势，优势度分别为0.56、0.65。紫贻贝在钢板中占绝对优势，优势度为0.52。2017年9月，普通硅酸盐水泥挂板有2个优势种，粉硅酸盐水泥挂板有3个优势种，钢板有4个优势种。褶牡蛎在普通硅酸盐水泥挂板和粉硅酸盐水泥挂板中占绝对优势，优势度分别为0.57、0.44。麦秆虫在钢板中占绝对优势，优势度为0.58。2017年11月，普通硅酸盐水泥挂板有4个优势种，粉硅酸盐水泥挂板有7个优势种，钢板有3个优势种。褶牡蛎在普通硅酸盐水泥挂板和粉硅酸盐水泥挂板占绝对优势，优势度分别为0.65、0.68。孔石莼在钢板中占绝对优势，优势度为0.76。2018年1月，普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板2组分别有7个优势种，钢板有8个优势种。褶牡蛎在普通硅酸盐水泥挂板和粉硅酸盐水泥挂板占绝对优势，优势度分别为0.40、0.52。麦秆虫在钢板占优势地位，优势度为0.16。

从图 1a可以看出，Shannon-Wiener多样性指数(H')在2017年7月为普通硅酸盐水泥挂板(2.41)＞粉硅酸盐水泥挂板(2.22)＞钢板(2.21)，钢板与粉硅酸盐水泥挂板差异不显著(P＞0.05)，但都与普通硅酸盐水泥挂板均有显著差异(P < 0.05)。9月为粉硅酸盐水泥挂板(1.71)＞普通硅酸盐水泥挂板(1.33)＞钢板(1.31)，差异显著(P < 0.05)。11月为普通硅酸盐水泥挂板(1.95)＞粉硅酸盐水泥挂板(1.94)＞钢板(1.41)，普通硅酸盐水泥挂板与粉硅酸盐水泥挂板差异不显著(P > 0.05)，但都与钢板均有显著差异(P < 0.05)。2018年1月为钢板(3.69)＞普通硅酸盐水泥挂板(2.73)＞粉硅酸盐水泥(2.32)，显著差异(P < 0.05)。4次采样多样性指数取平均值为钢板(2.16) > 普通硅酸盐水泥挂板(2.11) > 粉硅酸盐水泥挂板(2.05)。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同材料挂板附着生物多样性指数变化 Fig.1 Changes of biodiversity index of attachment organisms to different material reefs

从图 1可以看出，Pielou均匀度指数(J)，在2017年7月为钢板(0.50) > 普通硅酸盐水泥挂板(0.48) > 粉硅酸盐水泥挂板(0.43)，差异显著(P < 0.05)。9月为粉硅酸盐水泥挂板(0.38) > 钢板(0.36) > 普通硅酸盐水泥挂板(0.33)，差异显著(P < 0.05)。11月为钢板(0.61) > 粉硅酸盐水泥挂板(0.46) > 普通硅酸盐水泥挂板(0.45)，普通硅酸盐水泥挂板与粉硅酸盐水泥挂板差异不显著(P > 0.05)，但与钢板均有显著差异(P < 0.05)。2018年1月为钢板(0.84) > 普通硅酸盐水泥挂板(0.65) > 粉硅酸盐水泥挂板(0.58)，差异显著(P < 0.05)。4次采样均匀度指数取平均值为钢板(0.58) > 普通硅酸盐水泥挂板(0.48) > 粉硅酸盐水泥挂板(0.46)。

青岛石雀滩海域附着生物种类主要为温水种和广温种，褶牡蛎(王琦等, 2000)、紫贻贝(孔泳滔等, 2000)、纹藤壶(李太武等, 2001)、麦秆虫(曹善茂等, 1999)、石莼和浒苔(郝允碧等, 1990)为黄海主要的附着种类。本研究中，普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板优势种均为褶牡蛎、紫贻贝和麦秆虫，其中，褶牡蛎的生物量分别占39%和36%；钢板优势种为紫贻贝、麦秆虫和青岛板钩虾。褶牡蛎容易附着在质材坚硬、表面粗糙的附着基上，随着普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板下水周期的延长，褶牡蛎不断生长并逐渐在稳定群落中占据优势地位(周斌等, 2016; 孙大鹏等, 2010)。钢板附着生物主要以藻类和甲壳动物为主，受温度影响变化大，海藻的附着期主要在冬、春水温较低的月份，麦秆虫各次采样中均有出现，钢板的研究结果与以往研究不同季节的优势种存在差别的结论是一致的(方芳等, 2004; 李传燕等, 1991; 严颂凯等, 1992)。

挂板附着生物群落的组成和数量与环境因子(温度、盐度、溶解氧等)相关(Su et al, 2009)。7月以后，随着温度的升高，生物种类增多，但个体较小造成生物量较低(Callow, 1984)。在7~11月，褶牡蛎成为优势种，随着褶牡蛎的生长，附着生物群落生物量不断升高。在1月，水温降低造成褶牡蛎和紫贻贝的新陈代谢减缓或者停止(谷进进等, 1998; 林军等, 2016)是群落生物量降低的主要原因。通过分析得出，同种材料不同航次调查取样的附着生物种类、数量、生物量和优势种均存在差异，这与黄梓荣等(2006)和Menon等(1971)的研究结果一致。群落在种类组成、结构功能上都与群落的多样性密切相关，并在多样性指数上得以体现(曾呈奎等, 1959、1964)。一般来说，多样性指数和均匀度指数越高，该群落结构越稳定。7月多样性指数较高，主要是由于个体小的生物占据了挂板的较大空间。7~9月，主要优势种逐步占据挂板空间，导致物种多样性降低，多样性指数和均匀度指数从9月~翌年1月不断升高，说明生物群落更加稳定和成熟。

本研究结果表明，普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板的生物量最大且生物种类较多，比钢板的生物附着效果好，这与江艳娥等(2013)、Oyamada等(2008)、Kress等(2002)的研究结果一致，表现为混凝土鱼礁比铁质鱼礁更适合附着生物生长。而Fitzhardinge等(1989)研究表明，钢板的附着效果最好，与本研究结果有所不同，其主要原因是前者只是检测礁板上珊瑚的数量，而本研究检测的是挂板上的所有附着生物的数量。同时，粉硅酸盐水泥挂板的生物量、种数相对于普通硅酸盐水泥挂板更具优势，说明粉硅酸盐水泥挂板的附着效果较好。Warren等(2000)研究显示，牡蛎贝壳礁相对于混凝土鱼礁对鱼类具有更好的诱集效果，这与本研究结果具有一致性。粉硅酸盐水泥挂板的多样性指数和均匀度指数相对较低，而钢板却有较高的多样性指数和均匀度指数，可能是由于附着生物在生物量大的环境下，通常是一种或多种生物占优势种，相对多样性指数较小，对此，赵文等(2000)也有相同结论。

张伟等(2008)对混凝土鱼礁和铁质鱼礁附着生物进行了比较，结果表明，混凝土鱼礁比铁质鱼礁的附着效果更好。普通硅酸盐水泥挂板、粉硅酸盐水泥挂板的表面粗糙，有利于生物的附着且对环境无污染，而钢板作为废弃船舶和海上平台的主要材料，虽能实现废弃物的循环利用，但废弃物数量少且包含的有害物质会对海洋环境造成一定影响(张永波等, 2016)。粉硅酸盐水泥挂板中添加了常见的天然海洋生物材料牡蛎壳和扇贝壳，降低了制作礁板的成本，而且生物附着效果较好，经济效益和生态效益均占优势。王波等(2013)研究发现，硅酸盐水泥中添加5%~15%的贝壳混合材料后具有强度高、性能好等特点。另外，添加扇贝粉的硅酸盐水泥鱼礁能增加鱼礁的生物亲和性，缩短了人工鱼礁发挥生态效应的周期，有助于生物的附着(王莲莲等, 2015)。综上所述，添加贝壳粉硅酸盐水泥制作的人工鱼礁充分利用牡蛎壳和扇贝壳等废弃资源，减少扇贝壳、牡蛎壳对环境的污染，同时，作为人工鱼礁材料其生物附着效果较好，具有较高的生态效益和开发应用前景。