基于遥感和DEB模型的山东半岛长牡蛎秋冬季育肥养殖适宜区域评价

为了优化山东半岛近海长牡蛎秋冬季育肥养殖的空间格局,本研究采用卫星遥感获取的海水表层温度、叶绿素a浓度和悬浮颗粒物浓度数据,以及海水表面高度再分析数据,基于动态能量收支(Dynamic Energy Budget,DEB)理论,构建了山东半岛长牡蛎秋冬季育肥养殖适宜性评价模型,通过对山东半岛海域长牡蛎养殖适宜性指数的时空变动分析发现,适宜性呈现南部海域>北部海域>东部海域>西部海域的趋势,其中南部海域非常适宜的区域面积占比最大,为9.1%,主要分布在乳山地区;山东半岛西部黄河口周边海域存在大面积的不适宜养殖区域,占比高达该海域的30.5%。长牡蛎秋冬季育肥养殖的非常适宜区域在2017年和2019年分别占总近海面积的38.2%和57.9%,显著高于其余年份。通过实地验证发现,山东长牡蛎的秋冬季育肥养殖最适宜海区具备水体浑浊度较低、叶绿素浓度较高、温度较暖且风浪较小的特征。本研究结果可以为山东半岛长牡蛎养殖规划提供有效的量化依据和理论基础。

基于DEB理论的皱纹盘鲍个体生长模型参数的测定

为获取皱纹盘鲍(Haliotis discus hannai)个体生长模型所需的6个关键参数,设计了饥饿耗能、温度对耗氧的影响等相关生理实验,计算得到各项参数值。单位体积维持耗能率的值[pM]、形成单位体积结构物质所需的能量值[EG]、单位体积最大储存能量[Em]和储备能量值μE4个参数,通过连续测定皱纹盘鲍饥饿过程中呼吸耗氧率和软组织干重不断下降直至保持稳定时的能量值计算;温度函数中Arrhenius温度TA的数值根据皱纹盘鲍在不同温度梯度下的单位干重耗氧率测定、计算;形状系数δm值通过统计测量的壳长、软组织湿重等生物学参数拟合回归得到。结果显示,皱纹盘鲍在饥饿后,呼吸耗氧率和软组织干重分别降低了26.3%和70.0%,呼吸耗氧率由2.69mg/(ind.·h)逐渐降低并稳定在0.8mg/(ind.·h),软组织干重由(5.21±0.89)g降低至(3.84±0.22)g;根据公式计算得[pM]和[EG]的值分别为20.18J/(cm^3·d)和8120J/cm;皱纹盘鲍饥饿前后有机物含量分别为80%和58%,经过换算,[Em]和μE的值分别为2726 J/cm3和32583J/g。不同规格的皱纹盘鲍在水温为5℃~20℃范围内,温度与单位干重耗氧率呈正比;当水温超过20℃之后,温度与单位干重耗氧率呈反比。在转折点20℃之前,单位干重耗氧率的ln值与温度(热力学温度,K)的倒数呈线性关系,线性回归方程斜率的绝对值为Arrhenius温度TA值(TA=7196K)。生物学统计分析鲍壳长(L)与体积(V)呈三次函数关系:V=0.0639 L3.1621(R2=0.9852),根据公式对软组织湿重的立方根与壳长进行线性回归,所得的斜率即为形状系数δm值(δm=0.43)。本研究对建立以DEB理论为指导的皱纹盘鲍个体生长模型提供了数据支撑。

虾夷扇贝动态能量收支模型参数的测定

本研究以虾夷扇贝为实验生物,介绍了动态能量收支(dynamic energy budget,DEB)模型5个关键基本参数的测定及计算方法,分析了方法的利弊及注意事项,为贝类DEB模型参数的准确获取提供参考方法。采用壳长与软体部湿重回归法计算虾夷扇贝的形状系数δm;采用静水法测定不同温度条件下虾夷扇贝的呼吸耗氧率,计算阿伦纽斯温度TA参数;采用饥饿法测定、计算单位时间单位体积维持生命所需的能量[]、形成单位体积结构物质所需的能量[EG]和单位体积最大储存能量[EM]3个参数。室内饥饿实验持续60 d,直至呼吸耗氧率及软体部干重基本保持恒定。结果显示,壳长(SL)与软体部湿重(WW)的回归关系式为WW=0.0118SL3.4511(R2=0.9365),根据公式V=(δm L)3,对软体部湿重的立方根和壳长进行线性回归,所得的斜率即为形状系数δm值(δm=0.32);获得不同规格的虾夷扇贝耗氧率与水温(热力学温度,K)倒数的线性回归关系,线性回归方程斜率的绝对值为阿伦纽斯温度TA,平均为(4160±767)K。饥饿实验结束时,软体部干重和呼吸耗氧率分别降低了56%和81%。虾夷扇贝的耗氧率稳定在0.17 mg/(ind·h),经计算获得[]=25.9 J/(cm^3·d);饥饿持续30天之后,虾夷扇贝软体部干重基本维持在(0.25±0.01)g,经计算获得[EG]=3160 J/cm^3,[EM]=2030 J/cm^3。动态DEB理论是基于能量代谢的物理、化学特性而建立的,体现了生物能量代谢的普遍性规律,能够反映摄食获取能量在不同发育生长阶段的能量分配情况。但是,DEB模型参数的测定及计算比较复杂。基本参数的准确获取将影响其他参数以及模型的准确性。本研究为虾夷扇贝DEB模型的构建奠定基础。

虾夷扇贝动态能量收支生长模型

本研究旨在建立虾夷扇贝的动态能量收支(Dynamic Energy Budget,DEB)数值模型,为进一步构建北方海域虾夷扇贝养殖容量评估模型奠定基础。根据DEB理论,以水温和叶绿素浓度作为强制函数,基于现场及室内实验收集DEB模型参数,针对桑沟湾养殖环境和虾夷扇贝生长的数据,利用STELLA软件构建了虾夷扇贝的DEB模型,以长海县养殖环境和1龄、2龄、3龄虾夷扇贝生长的数据对模型进行验证。模型的模拟结果显示:(1)构建的DEB模型能够很好地模拟虾夷扇贝软体部干重的生长,反映了不同时间的能量分配情况;(2)在桑沟湾,6月1日至9月25日期间水温的限制性强于食物限制;在长海海域,9月15日至次年的6月20日期间食物的限制性强于水温的限制,由此推断,长海海域虾夷扇贝的养殖密度过大,可能超出了海域的养殖容量。另外,敏感性分析结果显示,能量分配系数k以及食物摄食能力参数–最大体表面积吸收率PAM、半饱和常数Xk,对虾夷扇贝生长模拟结果有着较大的影响,例如,PAM提高10%,生长模拟结果可增加13%。因此,这些敏感性较大的参数需要通过室内实验或者现场实验准确测定,谨慎赋值。