一种基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统

技术领域

本发明涉及海洋牧场建设技术领域，特别是涉及一种基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统。

背景技术

人工鱼礁是当前缓解渔业资源衰退、保护渔业资源栖息地环境以及现代海洋牧场建设的一项重要的有效措施之一。人工鱼礁通过修复和优化水体中的环境条件来增值和诱集海洋生物。人工鱼礁的生态环境效应的发挥主要依托于鱼礁投放后的流场效应。鱼礁周围产生的上升流和背涡流促进了周围水体的交换，加快了营养物质的循环速度。鱼礁的投放常以单位鱼礁的形式进行投放，以发挥鱼礁单体协同效应。人工鱼礁的规模生态效应是科学建设人工鱼礁的基础，而鱼礁配置组合是发挥鱼礁规模生态效应的关键。当前人工鱼礁布局研究主要关注人工鱼礁形式和布局对水动力过程、营养物分布的影响，常以流场效应规模最大来优化鱼礁组合。

生物资源种群特征是反映人工鱼礁规模生态效应的直接目标。人工鱼礁建设在为刺参等生物提供索饵、繁殖和生长的栖息地的同时，还改变了饵料等食物资源的空间分布。刺参种群变化受到人工鱼礁与水动力过程交互作用下的庇护所和饵料综合限制，目前人工鱼礁生态环境效应研究主要针对水动力过程变化对营养物质分配和生物群落的影响展开，其优化模式多局限于流场效应规模，缺少人工鱼礁建设后的生态效应的直接评价分析。动力过程影响下生物种群响应和适应机制已成为阐释人工鱼礁生态环境效应理论分析以及近海生态修复和资源养护技术发展中面临的亟待解决的难点问题。因此有必要从刺参种群结构特征的角度提出人工鱼礁空间布局调控技术，为近海生态保护和资源养护提供理论指导。

发明内容

有鉴于此，本发明提供针对现有基于流场效应的人工鱼礁布局调控方法缺少生态效应分析的不足，本发明实施例提供一种新的人工鱼礁空间布局调控方法，该方法能有效提升人工鱼礁增值和诱集海洋生物的应用效果。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

通过一种基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统，包括：

在人工养殖池塘中按照矩阵方式布置M*N个中空方型人工鱼礁单体，其中，M和N均为≥3的正整数，所述人工鱼礁单体的边长为L，所述中空方型人工鱼礁单体的横向间距为第一设定值，所述中空方型人工鱼礁单体的纵向间距为第二设定值；

中空方型人工鱼礁单体按照所述第一设定值和第二设定值布置好，在所述中空方型人工鱼礁单体中放养等重量的刺参，并在所述中空方型人工鱼礁单体上方投喂饲料，喂养设定时间后，获取刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据；

更改所述第一设定值和第二设定值后，重新布置所述中空方型人工鱼礁单体，喂养后获取刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据，此步骤重复至少两次；

根据多次重复所获取的刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据，比较分析刺参重量变化量和较大个体生物量占数据，获取最佳人工鱼礁单体布设间距。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述人工养殖池塘包括造浪泵，所述造浪泵设置在所述人工养殖池塘的第一侧，投喂饲料的位置设置在所述第一侧的中间位置。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，在所述中空方型人工鱼礁单体中放养10g左右的刺参，放养的所述刺参的密度为7ind·m

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述人工养殖池塘中的溶解氧在5mg/L以上，所述人工养殖池塘的pH在7.8-8.2之间，所述人工养殖池塘的盐度为31-32；

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述人工养殖池塘为宽3m，长3m，高为1.2m的玻璃钢材质的矩形养殖池，所述中空方型人工鱼礁单体设置在所述人工养殖池塘底部，所述人工养殖池塘中为海水，水深为1.1m。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述第一设定值为0.5倍L、1倍L、1.25倍L、1.5倍L或2倍L；

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述第二设定值为0.25倍L、0.5倍L、0.75倍L、1倍L或1.25倍L。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述获取最佳人工鱼礁单体布设间距的方法为：通过比较所有刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据，其中体重变化最大和较大个体生物量占比指标最大所对应的横向间距和纵向间距，即为最佳人工鱼礁单体布设间距。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，以第一设定值为因变量、以刺参重量变化量为响应变量，绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式；根据多次重复所获取刺参重量变化量，确定一元非线性函数中的各系数值；根据所述横向间距的第一设定值的范围，求取以刺参重量变化量为响应变量条件下的横向间距的最大值；

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，以第二设定值为因变量、以刺参重量变化量为响应变量，绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式；根据多次重复所获取刺参重量变化量，确定一元非线性函数中的各系数值；根据所述纵向间距的第二设定值的范围，求取以刺参重量变化量为响应变量条件下的纵向间距的最大值。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，以第一设定值为因变量、以较大个体生物量占比数据为响应变量，绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式；根据多次重复所获取的较大个体生物量占比数据，确定一元非线性函数中的各系数值；根据所述横向间距的第一设定值的范围，求取以较大个体生物量占比数据为响应变量条件下的横向间距的最大值；

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，以第二设定值为因变量、以较大个体生物量占比数据为响应变量，绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式；根据多次重复所获取的较大个体生物量占比数据，确定一元非线性函数中的各系数值；根据所述纵向间距的第二设定值的范围，求取以较大个体生物量占比数据为响应变量条件下的纵向间距的最大值。

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，所述一元非线性函数的表达式形式为y-β

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，根据分别以刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据为响应变量条件下的横向间距的最大值，构建综合函数，所述最佳横向间距即两个响应函数的乘积，其具体形式如下：

f

上述的人工鱼礁单体间距调控系统中，根据分别以刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据为响应变量条件下的纵向间距的最大值，构建综合函数，所述最佳纵向间距即两个响应函数的乘积，其具体形式如下：

f

借由上述技术方案，本发明人工鱼礁单体间距调控系统至少具有下列优点：

1)本实施例所提供的基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统，是通过人工养殖池塘实验，分析不同人工鱼礁模型布局下刺参种群的空间分布状态，根据刺参种群结构特征指标与人工鱼礁模型间距的响应关系来优化不同人工鱼礁配置组合间距。

2)人工鱼礁布局调控方法缺少生态效应分析的不足，本发明实施例提供一种新的人工鱼礁空间布局调控方法，该方法能有效提升人工鱼礁增值的应用效果。

3)通过本实施例获取的横向间距和纵向间距数值更加精确，通过权衡了较大个体占比与横向人工鱼礁单体间距两种变量对间距的影响，从而能够获取最优的横向间距和纵向间距。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的一种人工鱼礁单体的结构示意图；

图2是本发明的实施例提供的人工养殖池塘中人工鱼礁单体的布局示意图；

图3为实验时饵料在海水养殖池塘中的空间分布。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

本实施例公开了一种基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统，包括：在人工养殖池塘中按照矩阵方式布置M*N个中空方型人工鱼礁单体，其中，M和N均为≥3的正整数(具体根据人工养殖池塘和中空方型人工鱼礁单体的大小进行确定)，所述人工鱼礁单体的边长为L，所述中空方型人工鱼礁单体的横向间距为第一设定值，所述中空方型人工鱼礁单体的纵向间距为第二设定值，将中空方型人工鱼礁单体按照所述第一设定值和第二设定值布置好；在所述中空方型人工鱼礁单体中放养等重量的刺参，并在所述中空方型人工鱼礁单体上方投喂饲料，喂养设定时间后，获取刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据；更改所述第一设定值和第二设定值后，重新布置所述中空方型人工鱼礁单体，喂养后获取刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据，此步骤重复至少两次；根据多次重复所获取刺参重量变化量和较大个体生物量占比数据，比较分析体重变化的平均值和较大个体生物量占比指标的平均值，获取最佳人工鱼礁单体布设间距。

本实施例所提供的基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统，是通过人工养殖池塘实验，分析不同人工鱼礁模型布局下刺参种群的空间分布状态，根据刺参种群结构特征指标与人工鱼礁模型间距的响应关系来优化不同人工鱼礁配置组合间距。

在本实施例中，所述人工鱼礁单体间距调控系统包括人工养殖池塘、造浪泵和投喂装置。在具体实施时，在所述人工养殖池塘的第一侧设有造浪泵，从而能够使所述造浪泵模拟海洋的水动力过程。所述投喂装置设置在所述人工养殖池塘的上方，具体地，设置在所述人工养殖池塘第一侧的中间位置，通过所述投喂装置向所述人工养殖池塘中投喂饲料。利用所述人工养殖池塘分析水动力过程与人工鱼礁综合影响下人工饵料空间分布特征。所述投喂装置每天固定时间向所述人工养殖池塘中投喂饵料。

具体地，所述人工养殖池塘为宽3m，长4m，高为1.2m的玻璃钢材质的矩形养殖池，所述中空方型人工鱼礁单体设置在所述人工养殖池塘底部，所述人工养殖池塘中为海水，水深为1.2m。所述人工养殖池塘中的溶解氧在5mg/L以上，所述人工养殖池塘的pH在7.8-8.2之间，所述人工养殖池塘的盐度为31-32。

所述的人工鱼礁单体是由混凝土材料制作而成的中空方型人工鱼礁模型，大小为50cm×50cm×50cm，所述人工鱼礁单体内部中空(所述中空部分为刺参的栖息和庇护所)，每个正方形面上正中间挖去边长为20cm的正方形。所述人工鱼礁单体具体实物图如图1所示。在具体投放刺参时，仅仅需要将刺参放置在饵料与庇护所的中间即可，并不需要将刺参均匀投放，让刺参自由选择运动方向。由于刺参能够自由运动，所以所述刺参的初始位置的放置对后续实验的影响较小。另外，在投放刺参时需要进行称重和测量规格大小，要挑选重量和规格相近的刺参，在实验过程中每周会测量一下刺参重量，根据刺参重量微调投喂量(投喂饲料量与刺参重量相等)，从而保证刺参有一定量的食物可以食用，又不能提供过多的食物量，这样才可以通过在相同食物量的喂养条件下，观测由于人工鱼礁间距调整导致的生长差异。此外，在实验过程中，每天清理刺参的排泄物，以减少有害物质的影响。

所述投喂装置为小型单层吊笼。选择合适的人工鱼礁单体正上方，靠近水面处布设一个小型单层吊笼，在人工鱼礁区上方模拟吊笼养殖环境，使用人工饵料在单层吊笼内进行投放。以养殖池塘左下角为原点，吊笼在纵轴方向上池壁的投影点处安放造浪泵，造浪泵是在纵轴中心线上，且在池壁上固定，只要投喂食物就会用上造浪泵。吊笼是在鱼礁单体正上方，利用支架悬挂细绳支撑，投喂完即可搬离养殖池。利用造浪泵模拟海浪的作用，分析饵料在人工鱼礁布局影响下的养殖池底部空间分布特征。以养殖池底部左下角为原点建立平面直角坐标系，按照人工鱼礁单体的边长1/4大小的正方形单元(即边长为12.5cm)对养殖池底部进行单元划分，统计每个单元内沉积物空间分布特征指标包括沉积物厚度分布，颗粒大小等级指标，通过在arcgis软件中输入每个正方形网格内的沉积物粒径数据等级，从而绘制出人工饵料在养殖池中的空间分布图。确定饵料的颗粒大小等级的过程是首先采用Malvern Mastersizer2000粒径分析仪进行确定粒径大小，根据测定的粒径数值特征划分为3个等级，如0-125um为等级1，126-250um为等级2，大于250um为等级3。图3中的AF表示中空方型人工鱼礁，AF+TF表示此鱼礁正上方靠近水面处布设有单层吊笼，数字3、2、1表示沉积物厚度等级。通过所述造浪泵的设置，能够确保饲料覆盖至人工养殖池塘底面所有区域。从而，也就是说，在一个人工鱼礁单体的周围L距离内都是有效区域。也就是在所述人工养殖池塘中饲养的所有刺参均能够吃到饲料，从而减少由于饲料分配不均而产生的对刺参体重影响，以使对人工鱼礁单体间距的计算更加精确。

另外一个方面，通过测量饵料的分布，能够根据沉积物厚度等级来确定设定投喂装置的最优间隔。在本实施例中等级为1就证明有足够刺参实用的足够的饲料，也就是说投喂装置向前(也就是波浪运动方向)1.5m内都是有效喂养距离。从而，在野生环境中，投喂装置间隔可以设置为1.5m范围。

由于对多个人工鱼礁单体布局时，需考虑不同方向的排列间距导致的流场效应差异，因此本实施例所提供的人工鱼礁单体间距调控系统中，将人工鱼礁单体按照纵、横两个方向进行等间距布设。由于横向的流场效应大于纵向的流场效应，因此在横向上设置0.5倍，1倍，1.25倍，1.5倍和2倍礁长(L)的布设间距，在纵向上设置0.25倍，0.5倍，0.75倍，1倍和1.25倍礁长(L)的布设间距。其中，所述横向方向与水流方向平行，在具体实施时，所述人工鱼礁单体间距调控系统共包括9个人工鱼礁单体，也就是说，M＝3，N＝3。其中一种具体布局方式如图2所示，所述横向间距为1L，所述纵向间距为0.5L。当然，所述M和N的具体数目可以根据具体根据人工养殖池塘和中空方型人工鱼礁单体的大小进行确定。例如在空间较大的人工养殖池塘中，M＝4、5、6、7、8、9或10；N＝4、5、6、7、8、9或10，在这种方式中，所述投喂装置在投喂饲料后，由于面积较大，饲料可能并不能均匀分布至整个人工养殖池塘，从而，需要设置多个投喂装置，以达到饲料的均匀分布。所述多个投喂装置的布置间隔参照饲料的分布进行设置(以确保每个正方形单元中均有饲料)。

刺参的养殖实验在春季的3-5月进行，在所述中空方型人工鱼礁单体中放养10g左右规格的刺参，放养的所述刺参的密度为7ind·m

通过设置不同的间距(即所述第一设定值为0.5倍L、1倍L、1.25倍L、1.5倍L或2倍L；所述第二设定值为0.25倍L、0.5倍L、0.75倍L、1倍L或1.25倍L)，在喂养3个月后，所获得的刺参重量变化量和较大个体生物量占比的具体实验数据如下表1：

所述获取最佳人工鱼礁单体布设间距的方法为：通过比较所有体重变化的平均值和较大个体生物量占比指标的平均值数值，其中体重变化的平均值最大和较大个体生物量占比指标的平均值最大所对应的横向间距和纵向间距，即为最佳人工鱼礁单体布设间距。所述较大个体生物量占比指标是由个体生物量大于平均个体生物量的刺参个体数量占整个养殖池内刺参总个数的百分比确定。本实施例中，通过将每个刺参单独称重，然后计算刺参重量平均值，大于平均值的刺参的个数百分比即为较大个体生物量占比。

通过本实施例所提供的人工鱼礁单体间距调控系统，能够确定人工鱼礁单体的最适宜间距。考虑到人工鱼礁增值目标生物的种群稳定性，分析不同人工鱼礁布设间距下刺参种群特征和个体特征指标之间的响应关系。提出考虑刺参种群特征和个体特征相协调，以种群内个体数量较多、较大个体生物量占比较高来表征种群结构特征及生物量提升，其对应的鱼礁单体间的布设间距作为单位鱼礁内优化后的鱼礁单体间最适宜间距。比较分析养殖期内不同人工鱼礁单体间布设间距下种群斑块内个体数量的平均值，以及较大个体生物量占比指标的平均值，生物量指标的平均值。根据实验结果确定当横向布设间距为1.25倍礁长，纵向布设间距为0.75倍礁长时获取最佳的刺参种群动态，能保持刺参种群的稳定性和持续产出，因此确定此布设间距为优化后的人工鱼礁单体间的最佳距离。

考虑到人工鱼礁增值目标生物的种群稳定性，分析不同人工鱼礁布设间距下刺参种群特征和个体特征指标之间的响应关系。提出考虑刺参种群特征和个体特征相协调，以种群内个体数量较多、较大个体生物量占比较高来表征种群结构特征及生物量提升，其对应的鱼礁单体间的布设间距作为单位鱼礁内优化后的鱼礁单体间最适宜间距。

本发明的有益效果在于：本发明建立人工鱼礁布设间距与刺参种群结构指标之间的响应关系，提出单位人工鱼礁内人工鱼礁单体之间布设间距的优化方法，对当前海洋牧场建设中提升人工鱼礁的增值和聚集生物资源的生态功能具有现实意义。

实施例2

本实施例公开了一种基于刺参种群结构特征的人工鱼礁单体间距调控系统，其与实施例1的区别在于：

所述获取最佳人工鱼礁单体布设间距的方法为：基于R语言平台构建统计学模型，利用nls函数建立人工鱼礁间距和刺参重量变化量之间的一元非线性模型，并使用optimize函数求解一元非线性模型的极值，该极值即为理论上的最佳人工鱼礁单体布设间距。

所述一元非线性回归模型的数学表达式为：y＝β

其中，x为间距，y为刺参重量，e为误差项，β

最优横向间距求解过程具体步骤：

步骤1：利用R语言平台进行求解。

步骤2：刺参重量变化量与横向人工鱼礁单体间距的响应关系构建：将表1中横向间距(自变量)和刺参重量变化量(响应变量)制成数据框格式；绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式，根据获取的观测数据可知，两者呈现一元二次函数形式，即其数学表达式为y＝β

步骤3：较大个体占比与横向人工鱼礁单体间距的响应关系构建：将表1中横向间距(自变量)和较大个体占比(响应变量)制成数据框格式；绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式，根据获取的观测数据可知，两者呈现一元二次函数形式，即其数学表达式为y＝β

步骤4：为了对刺参重量变化量与刺参较大个体占比两种条件下的最适横向人工鱼礁单体间距进行权衡。可以通过构建综合函数，即两个响应函数的乘积，其具体形式如下：

根据步骤2和步骤3，确定的响应函数以及极值，由于综合函数的横向间距取值区间为[1.257，1.306]，在此区间内综合函数的对应的极大值为4934.23，其对应的最适宜横向人工鱼礁单体布设间距为1.292倍鱼礁边长。

同样，采用同样的方法对最优纵向间距求解过程具体步骤：

步骤1：将表1中纵向间距(自变量)和刺参重量变化量(响应变量)制成数据框格式；绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式，根据获取的观测数据可知，两者呈现一元二次函数形式，即其数学表达式为y＝β

步骤2：将表1中纵向间距(自变量)和较大个体占比(响应变量)制成数据框格式；绘制散点图确定一元非线性函数的表达式形式，根据获取的观测数据可知，两者呈现一元二次函数形式，即其数学表达式为y＝β

步骤3：刺参重量变化量与刺参较大个体占比权衡下的最适纵向人工鱼礁单体间距，确定综合函数的取值区间为[0.755，0.785]，在此区间内综合函数的对应的极大值为6669.55，其对应的最适宜横向人工鱼礁单体布设间距为0.778倍鱼礁边长。

通过本实施例获取的横向间距和纵向间距数值更加精确，另外，权衡了较大个体占比与横向人工鱼礁单体间距两种变量对间距的影响，从而能够获取最优的横向间距和纵向间距。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。