Effect of nutrient enrichment on phytoplankton growth in the adjacent waters of the Xisha Yongxing Islands in late fall
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摘要:
为探讨西沙海域氮(N)和磷(P)对浮游植物生长限制的影响，2014年秋末在永兴岛附近海域S0站(111°59.843′E，17°30.364′N)进行了N、P营养盐的现场添加实验。添加氮的浓度依次为4 μmol · L-1、8 μmol · L-1、16 μmol · L-1、32 μmol · L-1，添加磷的浓度依次为0.25 μmol · L-1、0.5 μmol · L-1、1 μmol · L-1、2 μmol · L-1，添加氮和磷的浓度组合依次为4 μmol · L-1+0.5 μmol · L-1 (N : P=8 : 1)、8 μmol · L-1 +2 μmol · L-1 (N : P=4 : 1)、16 μmol · L-1+0.25 μmol · L-1 (N : P=64 : 1)、32 μmol · L-1+1 μmol · L-1 (N : P=32 : 1)。结果显示：加富N+P后，叶绿素a浓度显著增长(P < 0.05)，其中，32 μmol · L-1NO3--N+1 μmol · L-1PO43--P添加组和4 μmol ·L-1NO3--N+0.5 μmol · L-1 PO43--P添加组叶绿素质量浓度从初始的0.06 mg · m-3分别达到1.71 mg · m-3和1.10 mg ·m-3，说明添加N/P范围在8~32之间可以促进浮游植物生长。在单独加富N和P后，叶绿素a浓度均无显著的增加(P>0.05)，说明单独添加N和P不能促进浮游物生长。限制因子分析表明，S0站点的浮游植物生长为N+P共同限制。
Abstract:To investigate the effect of nitrate and phosphate on phytoplankton growth, we carried out field experiments and enrichment incubation experiments in the adjacent waters of the Xisha Yongxing Islands (S0 station: 17°30.364′N, 111°59.843′E) in late fall of 2014. The added nitrogen concentrations were 4 μmol · L-1, 8 μmol · L-1, 16 μmol · L-1 and 32 μmol · L-1; the added phosphorus concentrations were 0.25 μmol · L-1, 0.5 μmol · L-1, 1 μmol · L-1 and 2 μmol · L-1; the added mixed nitrogen and phosphorus concentrations were 4 μmol · L-1+0.5 μmol · L-1, 8 μmol · L-1+2 μmol · L-1, 16 μmol · L-1+0.25 μmol · L-1 and 32 μmol · L-1+1 μmol · L-1. The results show that the chlorophyll a increased significantly after adding mixed nitrate and phosphate (P < 0.05). The chlorophyll a concentration increased from 0.06 mg · m-3 to 1.71 mg · m-3 and 1.10 mg · m-3 at S0 station after adding 32 μmol · L-1NO3--N+1 μmol · L-1PO43--P and 4 μmol · L-1NO3--N+0.5 μmol · L-1 PO43--P mixed nitrate and phosphate, respectively. It is suggested that enrichment of mixed nitrate and phosphate (N/P: 8~32) could promote the growth of phytoplankton. However, enrichment of single nitrate and single phosphate did not promote the phytoplankton growth because the chlorophyll a concentration showed no significant increase by adding single nitrate and single phosphate at S0 station. Consequently, the restriction factors of phytoplankton growth at S0 station were both nitrate and phosphate concentrations.
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围网是一种捕捞集群鱼类，规模大、产量高的过滤性网具[1]。特别是现代金枪鱼围网，是世界上捕捞效率最高的渔具之一。鉴于围网的捕鱼原理，网具的快速沉降及有效提升是决定围网捕捞效率的两大关键性因子[2]。围网作业时，提升速度是衡量网具是否能够有效包围鱼群决定捕捞效率的重要参数。网具收绞过程中，往往由于围网下纲的提升不到位，网具下部无法及时闭合产生缺口，以至栖息水层较深的鱼类容易从网具下部缺口处逃逸。对于深水围网下纲提升特性的研究十分重要。通过对围网下纲各个部位提升速度的研究，了解有关影响因素，将有助于了解网具的提升规律，减少空网率。
国内外学者对于围网网具的沉降性能[3-10]进行过系统的研究和分析。有关围网提升性能的研究仅局限于20世纪80年代的近海围网，且相关研究较少。刘树椿[11]提出深水围网提升速度是衡量围网网具捕捞效益的参数，认为捕捞栖息水层较浅且活动性强的鱼群时，不宜过度减小提升速度。冯维山[12]根据挪威鲱鱼围网的实测数据和理论分析，提出了正确收绞括纲的方法，阐述了围网下纲中部提升速度随括纲的收绞而加快的变化规律及影响网具提升的主要因素，探讨了网具获得良好提升性能的长高比理论公式。崔建章和陆赤[13]、陆赤和崔建章[14]对近海围网底环张力进行测试分析，得出网具各部分的底环纲张力不同，网具各部位底环纲张力总的变化呈现出逐渐增大的趋势。日本学者IITAKA[15-16]模型试验结果表明，当收绞时下纲上方有较多松弛的网衣，将会影响下纲的提升。至今尚未见到有关围网下纲提升规律系统分析的报道。大洋性金枪鱼围网在网具规格和作业特点等方面都与近海鲐、鲱鱼围网有较大差别，因此有必要对其提升性能进行研究。
笔者根据2014年2月~5月上海开创远洋渔业有限公司“金汇7号”金枪鱼围网渔船在中西太平洋作业期间收集的网具作业参数和海流数据，分析研究金枪鱼围网提升深度、提升速度与时间的关系，以及下纲在提升过程中的稳定程度。并通过方差分析筛选出影响网具提升性能的关键性因子，为改善金枪鱼围网操作过程提供参考。
1. 材料与方法
1.1 渔船和渔具
生产作业船为上海开创远洋渔业有限公司大型金枪鱼围网渔船“金汇7号”，渔船主尺度参数为：总吨位1 789 t，净吨位530 t，船长79.77 m，型宽12.19 m，型深5.84 m，主机额定功率2 646 kW，最大设计航速13 kn，作业航速9.8~12.5 kn，绞纲机绞纲速度为0.5 m · s-1。使用的渔具主尺度规格为1 637.7 m×321.6 m(上纲长度×网衣中部最大拉直高度)，浮子纲网衣的缩结系数为0.8；沉子纲长1 963.7 m，沉子纲网衣缩结系数为0.92；网具由29片网衣缝合而成，网衣材料为聚酰胺纤维(PA)，取鱼部网目尺寸90 mm，网翼网目尺寸260 mm，网线为编线。网衣下端共有底环119只，沉子总质量为26 t(空气中质量)。
1.2 测试仪器
测定围网网具沉降深度和提升深度的仪器为加拿大RBR公司生产的TDR-2050微型温度深度计，仪器测试深度范围为10~740 m，测试精准度为0.05%。测定海流流速的仪器为日本无线株式会社生产的JLN-628型鱼群监视潮流计，仪器测定潮流为相对潮流。
1.3 试验方法
此次海上测试共使用5个TDR-2050微型温度深度计，仪器间隔均匀地缚扎在围网下纲的不同部位(图 1)。其中1号位于网衣的后网头部位，3号位于网衣的中部，5号位于网衣的取鱼部，其余2个扎缚在网翼部分。因此1号、3号、5号所测定的数据为3个不同部位深度的变化值。测定时，TDR设置时间与电脑同步，时间间隔设置为5 s，记录围网操作过程中的不同时间点所对应的不同深度值。
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图 1 TDR-2050微型温度深度计沿围网下纲分布示意图Figure 1. Distribution of TDR-2050 along purse seine leadline1.4 数据处理
1.4.1 提升深度和提升速度的计算
提升高度根据TDR-2050微型温度深度计自动记录的相应时刻的深度值表示。提升深度是指网具下纲各个部位最大沉降深度到水面的距离。绞纲时下纲的提升速度(V提升)是指绞纲时下纲从最大沉降深度逐渐提升到水面这段时间的平均速度[11]。提升速度采用平均速度表示。根据实测有效网次的下纲各部位的最大沉降深度值和相应的提升时间，计算取鱼部、下纲中部和后网头3个部位的平均提升速度，分析下纲在提升过程中不同部位的平均提升速度。提升过程如图 2所示。
1.4.2 提升深度、提升速度与时间的关系
根据TDR-2050微型温度深度计每30 s记录的提升深度，采用多项式回归法(polynomial regression)分析下纲不同部位提升深度与提升时间的关系；计算下纲各个不同部位每隔30 s的提升速度，多项式回归分析不同部位提升速度与时间的关系。采用变异系数CV(coefficient of variance)反映提升深度和提升速度在不同时刻的波动情况。CV是刻画数据相对分散性的一种度量，是标准偏差与平均值之比，其表达式为：
$$ \mathrm{CV}=\frac{s}{X} \%, s \text { 为标准偏差， } \bar{X} \text { 为平均值。 } $$ 1.4.3 方差分析
利用R软件(Version 3.1.1)进行方差分析[17]，检测因素各水平对试验指标的影响是否显著，确定下纲不同部位提升速度与不同水层水流2个变量间是否存在显著相关性。
2. 结果与分析
2.1 网具下纲提升速度
对网具下纲取鱼部、中部、后网头提升速度的对比分析得到，取鱼部平均提升速度为0.11 m · s-1(95%置信区间为0.10~0.12 m · s-1)，速度变动范围为0.06~0.20 m · s-1；中部平均提升速度为0.18 m · s-1(95%置信区间为0.17~0.19 m · s-1)，速度变动范围为0.11~0.24 m · s-1；后网头平均提升速度为0.13 m · s-1(95%置信区间为0.11~0.15 m · s-1)，速度变动范围为0.09~0.27 m · s-1。在下纲提升过程中，中部提升速度最快，其次为后网头、取鱼部。下纲不同部位提升速度的比较如图 3所示。
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图 3 下纲各部位提升速度的比较A. 取鱼部；B. 中部；C. 后网头Figure 3. Comparison of rising speeds among different parts of leadlineA. bunt; B. middle part; C. back wing end2.2 围网下纲提升深度与提升时间的关系
在金枪鱼围网中，网具的取鱼部、中部和后网头的提升深度变化较大，因此选取这3个部位来研究网具下纲提升深度在不同时间段的变化规律及其波动情况具有代表性。
图 4-a为取鱼部下纲每隔30 s提升深度随时间的变化。从提升深度的变化趋势来看，取鱼部在括纲收绞过程中呈现稳步提升的状态，前期提升状态较为平稳，中期和后期提升深度较快。前400 s提升深度仅占总提升深度(163 m)的11%，400 s后提升深度明显加快。CV的变化(图 4-a)表明，取鱼部从最大沉降深度开始提升，前400 s提升深度变化较为平缓，CV基本保持约0.2；第400秒至第800秒，提升深度的变化波动较大; 800 s后提升深度从平稳又变为波动状态。围网取鱼部从最大深度开始提升到水面大约需要35 min。围网取鱼部提升深度与提升时间的关系可用式(1)表示：
$$ \begin{aligned} & h_{1=}=-1.3 \times 10^{-5} t_1{ }^2-0.047\;4 t_1+173.37\left(R^2=\right. \\ & 0.987\;9) \end{aligned} $$ (1) ![]()
图 4 金枪鱼围网取鱼部(a)、中部(b)和后网头(c)提升深度与提升时间的关系Figure 4. Relationship between rising depth and rising time of bunt(a), middle part (b) and back wing end (c) of tuna purse seine式中h1为下纲取鱼部提升深度(m)；t1为下纲取鱼部提升时间(s)。
图 4-b为围网中部下纲每隔30 s提升深度随时间的变化。从提升深度变化趋势来看，中部下纲的提升深度总体上是前期变化较为稳定，后期波动较为剧烈。前300 s的提升深度变化缓慢，仅占中部下纲提升深度的约6%;300 s后提升深度明显加快。从中部下纲提升深度的CV可以看出，前300 s提升深度的波动较小，基本维持在约0.11;300 s后提升深度波动较为明显，波动幅度也越来越大。围网中部下纲提升过程大约需要30 min。围网中部下纲提升深度与提升时间的关系用式(2)表示：
$$ \begin{array}{l} h_2=-6.2 \times 10^{-5} t_2{ }^2-0.078\;4 t_2+234.33\left(R^2=\right. \\ 0.987\;9) \end{array} $$ (2) 式中h2为下纲中部的提升深度(m)；t2为下纲中部提升时间(s)。
图 4-c为后网头下纲每隔30 s提升深度随时间的变化。前200 s，后网头下纲部位的提升深度变化较为平缓，提升深度约占总提升深度的4.54%；第200秒后下纲提升深度变快。前200 s，后网头下纲部位提升深度的CV基本上保持约0.18，比较稳定; 200~700 s提升深度变化较为剧烈; 700~1 000 s变化又趋于平缓; 1 000 s后提升深度波动又相当剧烈。后网头提升过程大约需要30 min。围网后网头提升深度与提升时间的关系可以用式(3)表示：
$$ \begin{array}{l} h_3=-8.3 \times 10^{-6} t_3{ }^2-0.043\;8 t_3+177.67\left(R^2=\right. \\ 0.973\;2) \end{array} $$ (3) 式中h3为下纲后网头提升深度(m)；t3为下纲后网头提升时间(s)。
2.3 围网下纲提升速度与提升时间的关系
图 5-a为取鱼部每隔30 s提升速度随时间的变化曲线。总体看来取鱼部提升速度随时间逐渐增大，前360 s下纲提升速度变化较小，360 s后提升速度变化较大，最大提升速度可达0.17 m · s-1。从取鱼部提升速度的CV可以看出，在提升的整个过程中，取鱼部下纲提升速度的波动较为剧烈。围网取鱼部提升速度与时间的关系可用式(4)表示：
$$ \begin{aligned} & v_1=1.2 \times 10 t_1{ }^2+7.6 \times 10^{-5} t_1+0.025\;2\left(R^2=\right. \\ & 0.946\;9) \end{aligned} $$ (4) ![]()
图 5 金枪鱼围网取鱼部(a)、中部(b)和后网头(c)提升速度与提升时间的关系Figure 5. Relationship between rising speed and rising time of bunt (a), midde part (b) and back end wing (c) of tuna purse seine式中v1为下纲取鱼部的提升速度(m · s-1)；t1为下纲取鱼部的提升时间(s)。
图 5-b为下纲中部每隔30 s提升速度随时间的变化曲线。下纲中部提升速度随时间变化逐渐增大，最后提升速度趋于稳定。最大提升速度为0.29 m · s-1。从下纲中部提升速度的CV可以看出，前100 s提升速度波动较大; 在100~400 s之间CV趋于平缓，维持约0.7;400 s后提升速度的CV有了较为明显的下降。围网下纲中部提升速度与提升时间的关系可以用式(5)表示：
$$ \begin{array}{l} v_2=-1.8 \times 10^{-7} t_2{ }^2+0.000\;5 t_2-0.024\;6\left(R^2=\right. \\ 0.981\;4) \end{array} $$ (5) 式中v2为下纲中部的提升速度(m · s-1)，t2为下纲中部的提升时间(s)。
图 5-c为下纲后网头每隔30 s提升速度随时间的变化曲线，后网头提升速度总体趋势是随时间逐渐增大，前1 000 s提升速度变化较为缓慢，1 000 s后提升速度迅速增加，从0.12 m · s-1迅速提升到0.25 m · s-1。从后网头提升速度的CV可以看出，后网头在整个提升过程中波动较为剧烈，整个提升过程大约需要30 min。后网头与时间的关系可用式(6)表示：
$$ \begin{array}{l} v_3=4.2 \times 10 t_3{ }^2+6.8 \times 10^{-5} t_3+0.033\;7\left(R^2=\right. \\ 0.912\;0) \end{array} $$ (6) 式中v3为下纲后网头的提升速度(m · s-1)；t3为下纲后网头的提升时间(s)。
2.4 海流流速对围网下纲提升速度影响
运用R语言软件(V 3.1.1)对70 m和120 m水深的流速对选定的下纲3个部位提升速度的影响进行单因素方差分析，结果表明(表 1)，70 m和120 m水深的水流速度对取鱼部、中部和后网头下纲提升速度均有十分显著的影响(P＜0.01)。
表 1 流速对提升速度影响的方差分析Table 1. One-Way ANOVA for effect of leadline rising speed on current speed下纲各部位different parts of leadline P 70 m层流速/m·s-1 current speed at depth of 70 m 120 m层流速/ m·s-1 current speed at depth of 120 m 取鱼部bunt ＜0.01* ＜0.01* 中部middle part ＜0.01* ＜0.01* 后网头back wing end ＜0.01* ＜0.01* 注：*. 显著性相关(P＜0.01)
Note：*. significant correlation (P＜0.01)3. 讨论
3.1 网具下纲提升速度
提升速度也是衡量大型深水围网网具捕捞效益的参数。在围网提升过程中，提升速度的快慢也决定了网具捕捞体积的大小，提升速度越小，即下纲的提升越慢，围网捕捞的体积也就越大，反之，下纲提升越快，捕捞体积也就越小[11]。这对于大型金枪鱼围网来说，相当重要，V提升越大提升速度也就越大，对于尽快封闭网口具有重要的作用，但提升速度如果过快也影响了围网网具的最大下沉深度，因此研究围网下纲的提升速度随时间的变化规律具有重要的意义。
该研究表明，大型金枪鱼围网下纲各个部位的提升速度存在很大差异，但下纲各个部位均呈现提升速度随时间的推移而逐渐增大的变化规律，中部提升速度较大，最大提升速度可达0.29 m · s-1，其次为后网头和取鱼部，其最大提升速度分别为0.25 m · s-1和0.17 m · s-1。在金枪鱼围网收绞过程中，由于下纲底环不断向中部靠拢，造成中部所受的向上分力不断增大，这是导致中部提升速度最大的主要原因。后网头在下纲提升过程中，由于围网操作不同，所受向上分力大于取鱼部向上提升的分力，这是因为取鱼部离母船最近，而后网头由于括纲的长度影响所导致。在提升前期，中部提升速度波动较小，取鱼部与后网头在提升整个过程中波动都较为剧烈，这是由于在提升过程中中部受力较为均匀、而取鱼部与后网在提升过程中受力不均匀导致。
3.2 提升深度、提升速度的变化
针对3个不同部位提升深度的研究可以看出，虽然在围网提升过程中3个部位的提升过程各不相同，但总体上都呈现出提升深度先稳定后波动的趋势。在3个部位从最大深度提升的过程中，取鱼部和后网头的提升过程较类似，前800 s取鱼部、后网头提升深度较中部较小，在800 s后提升深度值较中部大。研究结果表明，围网中部提升深度在前300 s波动较小，而取鱼部及后网头分别在400 s和200 s波动较小，这是由于在提升前期，网具3个部分的受力不同[11]，导致其稳定的程度不同。
分析表明，下纲提升深度的变化在提升前期较为稳定，后期波动较为剧烈。这是由于在开始收绞括纲阶段，网衣还有较大的沉降空间，网具还有较多松弛的网衣[15-16, 18]，这时下纲受力较小等，是网具提升前期提升深度较稳定的主要原因。在网具下纲提升速度方面，提升速度随着时间的增加而逐渐加快，与冯维山[12]得出的网具下纲提升速度随着括纲的收绞而加快的研究结果一致。在最大提升速度方面，金枪鱼围网中部最大提升速度可达0.29 m · s-1，是冯维山[12]研究得出的近海围网中部最大提升速度(0.11 m · s-1)的2倍多，这和作业2种围网渔船的甲板机械的配置功率有关，也反映了金枪鱼围网和中国近海鲐、鲱鱼围网在操作要求上存在很大的不同。崔建章和陆赤[13]、陆赤和崔建章[14]研究结果表明网具各部分底环纲张力总的变化呈现出逐渐增大的趋势，这也从力学角度阐明网具提升速度的增加主要是由下纲受力增加所引起。从下纲提升速度的CV来看，下纲在提升过程中，各部位提升速度的变化较为剧烈，而观察到的绞纲速度基本维持约0.5 m · s-1。这可能是由于在括纲的收绞过程中船体、绞纲的速度不稳定及水流变化造成的，还可能是由于各纲绳随时间的增加受力逐渐增加、受力的纲绳产生颤动等有关。
3.3 水流对网具提升速度的影响
由于测试仪器及船舶条件的限制，此研究只采集到10 m、70 m及120 m水层的水流流速。研究发现70 m深的和120 m深的水流流速对于下纲的提升性能有显著性影响(P＜0.01)，而10 m水流流速却无显著性影响，这是由于下纲最终提升的深度为水下约9 m，因此这可能是10 m水层流速对于提升性能无显著性影响的主要原因。研究发现，60 m水流与120 m水流对于网具的沉降性能有显著性影响[7-8]，因此在金枪鱼围网操作过程中可将不同水层水流作为围网操作过程中的主要外部环境因子，这对于金枪鱼围网操作具有一定的参考意义。
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图 2 加N组叶绿素a和N、P浓度变化情况
Figure 2. Response of chlorophyll a to nutrients in N-added groups
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图 3 加P组叶绿素a和N、P浓度变化情况
Figure 3. Response of chlorophyll a to nutrients in P-added groups
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图 4 加N+P组叶绿素a和N、P浓度变化情况
Figure 4. Response of chlorophyll a to nutrients in N+P added groups
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图 5 实验组叶绿素a质量浓度变化
不同字母表明有显著性差异(P < 0.05)；a, b, c是用Duncan′s法排序
Figure 5. Temporal variation of chlorophyll a in experimental groups
Different letters indicate significant difference (P < 0.05);a, b and c are sorted by Duncan′s method.
表 1 培养站位理化环境因子初始值
Table 1 Initial physicochemical and environment factors values at S0 station
环境因子 environmental factor S0 水深/m depth -1 381 采样水层/m sampling water layer -5 透明度/m transparency 11.97 温度/℃ temperature 26.85 盐度 salinity 33.57 pH 8.21 ρ(溶解氧)/mg·L-1 DO 6.473 ρ(叶绿素a)/mg·m-3 Chl-a 0.06 c(NO2--N)/μmol·L-1 0.08 c(NO3--N)/μmol·L-1 1.81 c(NH4+-N)/μmol·L-1 0.74 c(PO43--P)/μmol·L-1 0.10 c(SiO32--Si)/μmol·L-1 1.34 
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表 2 营养盐加富实验方案
Table 2 Experiment design for nutrient enrichment
实验组
group No.添加元素
additional nutrientc(NO3--NaNO3)/μmol·L-1 c(PO43--NaH2PO4)/μmol·L-1 0 － － － 1 N 4 － 2 N 8 － 3 N 16 － 4 N 32 － 5 P － 0.25 6 P － 0.5 7 P － 1 8 P － 2 9 N，P 4 0.5 10 N，P 8 2 11 N，P 16 0.25 12 N，P 32 1 注：“－”表示不添加
Note：“－” means no addition.
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