海洋污损生物是指固着、附着或栖息在海中人工设施或涉海材料上并对其设备功能、材料性能产生危害的一类生物。18世纪钢壳船问世到如今已有300多年,海洋产业经历了从利用到开发的阶段。上世纪中叶海洋开发已成为人类生存和持续发展的重中之重。污损生物及其防治研究也已成为一门和海洋腐蚀、海洋材料、海洋工程以及海洋环境科学等多种学科交叉的新学科——海洋污损生物科学[3]。
生物污损危害着海洋开发各个领域[4,5]：生物污损会降低舰船航速、增加燃料损耗[6-8]；降低海水冷却系统冷却效率,堵塞海水管道[9,10]；增加海上平台桩腿直径,进而增加海水冲撞载荷,促使平台安全系数降低[11-13]；堵塞渔网,危害水产养殖业[14,15]；增加海中浮动设施及海防武器系统负重,导致位移,失去应有作用；促使海中各种声、光、电、磁材料表面灵敏度降低、仪器失灵；还会对海洋观测设施造成损坏,导致仪器传动机构失灵、信号失真、可靠性降低,带来安全隐患,给国民经济带来巨大损失[16-18]。污损生物直接改变海工设施/海水介面的物化环境,左右着腐蚀过程和涂料的防腐防污性能。污损生态变化可视为海洋环境变化的晴雨表,亦与海洋经济和人类的发展密切相关,是当今应当密切关注的研究课题。
海洋污损生物生态研究是探明一定海域的污损生物群落的结构组成变化与所处海洋环境的关系,其目的是为控制或抑制污损生物群落在一定海域一定时期的生存和繁衍提供基础资料。不同类型人工设施上的污损生物群落不同,开展其上的污损生物生态研究可为不同类型的海工设施的防污措施的制定提供相应的理论支持。欧洲本世纪初已建立了污损生物数据库,为海洋工程防污设计及其防污方法研究打下了基础[19]。但目前污损生物生态研究仍未能引起重视,历次国家发展海洋生态研究规划中均未有海洋污损生态研究的一席之地。
1 项目调研
青岛中港位于北纬36°03′,东经120°25′,年平均气温12.3 ℃,平均降雨量为643.0 mm·a-1,海水年平均温度13.7 ℃,无冰期,平均盐度31.5‰,平均溶解氧8.4 mg/L。2020年10月24日通过目测、镜检、照相和网格法对上坞的“海鸥”轮的尾舵舱、船首和船体浸水部分污损生物进行调查。
1.1 尾舵舱的污损生物检测
尾舵舱的螺旋桨已拆除,船舵被固定在舱内,除舱顶未浸水外,舱体其余部分均浸于海水中,为便于讨论把尾舵舱分为尾舵舱内船底、尾舵舱和尾舵舱口周边3部分。
尾舵舱口周边部位长牡蛎Crassostrea gigas (oyster) 和紫贻贝Mytilus galloprovincialis (mussels) 为优势种,呈簇状聚集。牡蛎个体均较大,长10~12 cm,宽6~8 cm；贻贝大型个体 (长9~10 cm,宽4.5~5 cm) 少,以中小型个体 (长1~4 cm,宽0.6~2 cm) 为主。常见种为苔藓虫 (bryozoans) (多被覆型)、藤壶 (barnacles)、海葵 (sea anemones)、海绵 (poriferans/sponge)、管栖多毛类 (tube dwelled polychaetes)、孔石莼Ulva pertusa等。这些种类常以牡蛎或贻贝为核心,重叠附着,最大附着厚度可达15 cm。最底层为已死亡的苔藓虫、藤壶和盘管虫Hydroides sp.等,最表层以阔口隐槽苔虫Cryptosula pallasiana和颈链血苔虫Watersipora subtorquata为主 (图1)。主要污损生物覆盖面积百分比依次为：牡蛎30%、贻贝25%、藤壶20%、苔藓虫15%、海绵5%、其他5%。
图1
图1
尾舵舱口周边部分污损生物形貌
Fig.1
Pictures of fouling organisms from the peripheral area of the stern rudder bay
尾舵舱位置污损生物较密集,以紫贻贝和长牡蛎为优势种,呈簇状聚集,这些簇状群较舵舱口处的小而少。群落最大厚度达13~14 cm,表层主要污损生物有牡蛎、贻贝、海鞘 (ascidians) (柄海鞘Styela clava和玻璃海鞘Ciona intestinalis、海绵等。重叠附着在牡蛎上的生物有海绵、盘管虫、西方三胞苔虫Tricellaria occidentalis、颈链血苔虫、多鳞虫Polynoidae等。很多大个体的污损生物上又有其它生物重叠附着。柄海鞘上附着有海绵、螺旋虫Spirorbis sp.、东方缝栖蛤Hiatella orientalis、粗胞苔虫Scrupocellaria sp.、复海鞘 (group asidians)、瓷蟹Porcellanidae等；紫贻贝上附着有海绵、藤壶、螺旋虫、海葵、阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫等。底层主要有藤壶、被覆生长的苔藓动物 (阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫)、管栖多毛类 (螺旋虫、盘管虫) 等 (图2a)。污损生物覆盖面积百分比依次为：牡蛎25%、贻贝25%、海鞘18%、苔藓虫17%、藤壶5%、海绵5%和其他5%。
图2
图2
尾舵舱及舱内船底污损生物群落形貌
Fig.2
Fouling organisms community of the stern rudder bay (a) and hull bottom in the stern rudder bay (b)
尾舵舱内船底位置污损生物几乎全部覆盖 (图2b)。表层优势种为玻璃海鞘 (长3~7 cm) 和柄海鞘,牡蛎和贻贝也是表层的组成,但其数量和个体远小于尾舵舱其他部位,此外还有一些直立生长的海绵和苔藓虫。较大个体的牡蛎、贻贝和柄海鞘上也有其它生物重叠附着。牡蛎上附着或暂栖有玻璃海鞘、粗胞苔虫、颈链血苔虫、小个体贻贝、海绵、藤壶、盘管虫、多鳞虫、瓷蟹、钩虾Gammaridea等；贻贝上附着有海绵、藤壶、柄海鞘、盘管虫、阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫等；柄海鞘上附着或暂栖有粗胞苔虫、阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫、螺旋虫、贻贝、多鳞虫、瓷蟹等。底层主要种类有藤壶 (
海鸥浮码头舵舱处在中港航道,只有舱口可在一定时间内见到阳光,从舱口到船底3.5 m,污损生物群落组成结构明显不同。舵舱口处硬壳类污损生物 (牡蛎、贻贝、藤壶) 占70%以上,而在舵舱船底处,牡蛎和贻贝量少且个体小,硬壳生物主要代表为1 cm左右的藤壶,其覆盖面积仅占25%,其余多为软性污损生物,玻璃海鞘覆盖面积达30%以上。由此可初步得出,硬壳类污损生物多生活在海水交换较畅通的部位,而海鞘等软性污损生物常在海水交换缓慢平静的环境中 (图3)。
图3
图3
尾舵舱口→尾舵舱内船底污损生物群落变化
Fig.3
Sketch map of variations of fouling organisms community from the stern chamber hatch to the hull bottom in the stern chamber
1.2 船体左右舷污损生物
图4
图4
船体左右舷检测分区形貌
Fig.4
Detection partition map of the starboard (a) and the portside (b)
图5
图5
右舷上部水线区污损生物群落形貌
Fig.5
Fouling organisms community in upper waterline area on starboard
图6
图6
船右弦近船头部分采集的藻类形貌
Fig.6
Algae collected from the starboard bow: (a) Ulva pertusa, (b) Bryopsis sp., (c) Grateloupia sp., (d) Chondria sp.
图7
图7
紫贻贝及其上的重叠附着生物
Fig.7
Mytilus galloprovincialis and the overlapping attach-ment organisms on it
右弦中部船身区,污损生物以藤壶和贻贝为主,牡蛎、海绵、海鞘 (玻璃海鞘、柄海鞘、复海鞘) 、苔藓虫 (阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫) 和藻类 (主要为孔石莼、羽藻等绿藻) 稀疏分布,见图8a,图中几处贻贝被人用工具拾除,露出船体涂料层。
图8
图8
右舷中部船底、船左舷各部位及船头部位污损生物群形貌
Fig.8
Fouling organisms community at middle part of the hull (a) and lower part near bottom (b) on startoard; portside (c), upper waterline area (d), and middle part of the hull (e), and lower part near bottom (f) on portside; and (g) Bow
藤壶有3种规格：最小个体直径3 mm左右；最大个体直径约2 cm；中等大小个体最多,直径在1 cm左右。这些藤壶常被其它附着生物覆盖附着,在藤壶上覆盖附着的生物有被覆苔藓虫 (如阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫)、复海鞘和被覆海绵等,此外还常混杂有沉积和黏附上的有机和无机颗粒 (图8a)。
右舷下部近船底部仍以藤壶和贻贝为主要污损生物,贻贝的数量明显高于中部船身区。常见的污损生物还有牡蛎、柄海鞘、复海鞘、管栖多毛类和石莼等 (图8b)。
船左舷水线部分主要污损生物为贻贝,海藻较少见。水线以下部分以藤壶和被覆生长的阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫为主,其它为贻贝、牡蛎、海绵、海鞘、管栖多毛类等 (图8c)。
左舷上部水线区主要污损生物为贻贝,常成簇聚集,贻贝簇群之间常见被覆生长的阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫、藤壶等,海藻较少见 (图8d)。
左舷中部主要以藤壶和被覆生长的阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫为主,其它可见贻贝、牡蛎、海绵、海鞘、管栖多毛类复海鞘等 (图8e)。
左舷下部近船底部主要污损生物是藤壶、被覆生长的阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫、贻贝、牡蛎、管栖多毛类等。偶见玻璃海鞘和柄海鞘 (图8f)。
船体左右舷污损生物群落组成和分布不同之处水线区,右弦优势种为贻贝和藻类；左舷贻贝为优势种,藻类较少。水线以下部分,右舷优势种为藤壶,被覆生长的颈链血苔虫、阔口隐槽苔虫较少；左舷藤壶和被覆生长的颈链血苔虫、阔口隐槽苔虫优势都很明显。相同之处：船头、船尾、近水线和近船底处的生物多样性较高。
1.3 船头部分污损生物
船头左右舷污损生物群落组成和生态分布情况相差不大。船头几乎100%被污损生物覆盖,最大厚度达11~12 cm。表层主要污损生物有贻贝、海鞘 (柄海鞘、玻璃海鞘)、牡蛎和海绵,偶见扇贝和分枝状苔藓虫：多室草苔虫、西方三胞苔虫和粗胞苔虫。底层主要污损生物为藤壶和被覆生长的阔口隐槽苔虫和颈链血苔虫、复海鞘、管栖多毛类 (螺旋虫、盘管虫) 等 (图8g)。
船头左右舷从水线处倾斜至船底,形成倾斜面,靠岸3 m左右,此处接受的阳光较少,受海浪的冲击力小,这些特点使得此处污损生物群落密度高,生物物种多样性较高,但仍以紫贻贝[13]为优势种。首次发现了粗胞苔虫。
2 结果与讨论
2.1 污损生物群落组成与分类
本次坞检共检出8类30余种可视生物,为便于生物多样性比较,把在该浮码头近10年试验和2015年坞检结果汇总于表1。
表1 海鸥浮码头污损生物调查结果
Table 1
| Taxa | Main species | “Seagull”docking survey （2009.9-2015.4） | “Seagull”docking survey（2015.4-2020.10） | “Seagull”panel test （2010-2021） |
|---|---|---|---|---|
| Bryozoa | 1. Bugula neritina | 1, 3, 5, 6 | 1, 3, 5, 6, 7 | 1, 2, 3, 4, 5, 6 |
| 2. B. stolonifera | ||||
| 3. Tricellaria occidentalis | ||||
| 4. Biflustra grandicella | ||||
| 5. Cryptosula pallasiana | ||||
| 6. Watersipora subtorquata | ||||
| 7. Scrupocellaria sp. | ||||
| Polychaeta | 1. Hydroides elegans | 1, 3 | 1, 3, 4 | 1, 2, 3, 4 |
| 2. Polychaetes with mud tubes | ||||
| 3. Polychaetes with calcareous tubes | ||||
| 4. Spirorbis sp. | ||||
| Porifera | 1. Haliclona palmata | 1, 2 | 1, 2 | 1, 2 |
| 2. Suberites sp. | ||||
| Mollusca | 1. Mytilusgalloprovincialis | 1, 2, 3 | 1, 2, 3 | 1, 2, 3 |
| 2. Crassostrea gigas | ||||
| 3. Musculus senhousei | ||||
| Cnidaria | 1. Bougainvillia sp. | 1, 2 | 1, 2 | 2 |
| 2. Diadumene lineata | ||||
| Crustacea | 1. Amphibalanus amphitrite | 1, 2 | 1, 2 | 2 |
| 2. Fistulobalanus kondakovi | ||||
| Tunicata | 1. Styela clava | 1, 2, 3 | 1, 2, 3 | 1, 2, 3 |
| 2. Ciona intestinalis | ||||
| 3. Botryllus schlosseri | ||||
| Algae | 1. Ulva lactuca | 1 | 2, 8, 9, 10 | 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11 |
| 2. Ulva pertusa | ||||
| 3. Enteromorpha spp. | ||||
| 4. Laminariajaponica | ||||
| 5. Undaria pinnatifida | ||||
| 6. E.prolifera | ||||
| 7. Cladophora sp. | ||||
| 8. Bryopsis sp. | ||||
| 9. Grateloupia spp. | ||||
| 10. Chondria sp. | ||||
| 11. Sargassum sp. |
与2015年4月坞检相比,此次坞检发现的污损生物物种多,密度高,优势种和上次坞检不同,扇贝、裙带未检出,贻贝由主要种变为优势种,还检出了羽藻、蜈蚣藻、软骨藻、盘管虫、螺旋虫、多鳞虫、瓷蟹、钩虾等,首次检出了分枝状粗胞苔虫。生物多样性差异可能与坞检季节不同有关,本次调查为秋季,2015年为春季。
青岛是四季分明的温带地区,季节性附着生物通常生长期较短,大多生物在4月初开始萌生,秋季为生长旺季,12月到次年3月多种生物会死亡或休眠。硬壳类如牡蛎、贻贝、藤壶等,通常变化不大。海鸥浮码头每5 a坞修一次。因船体水中部分涂有2 a有效的防污涂料,每次坞检,生物生长最长的年头也只有3~4 a,故而所检测到的藤壶、牡蛎、贻贝、及在大的牡蛎和贻贝上重叠附着的厚度和同种生物大小约有3~4个等级,可能为2017~2020年附着的生物,藻类变化最为明显,由表1可知,10多年在此污损生物调查结果记录发现9种藻类：本次坞检出羽藻、蜈蚣藻、软骨藻和优势种石莼,共4种,而2015年坞检只有1种。藻类多在有光照和温暖水域繁衍。2015年春季坞修浮码头在待修的冬季已卸载,水线下浮约20 cm,生长在水线下的藻类在寒冷和无水环境中非常快的死亡,而此次秋季坞修水线处藻类石纯在受阳面已成为优势种。
与2015年4月坞检结果相比,贻贝由次要物种变为优势种,而且多是簇状聚集,贻贝、牡蛎、藤壶重叠反复附着形成簇状污损群落,在单位面积上呈现最高的物种密度和污损重量、厚度,也为多鳞虫、瓷蟹、钩虾、麦秆虫暂栖种类营造了适宜的环境。此次坞检具有较高的生物多样性,其原因在于秋季是青岛中港污损生物生长最旺盛的季节,已历经多次春秋,虽因涂有2 a有效漆的防污涂料,但多年生的牡蛎、藤壶、贻贝至少能繁衍3 a,故而在污损生物群落中常具有2~3种体积大小不同的贻贝、藤壶种群。
2.2 污损生物现场检测分类与量化
把此次坞检的污损生物分为硬壳类群、被覆类群、直立类群和藻类群4大类。硬壳类群是具有坚固的外壳,如牡蛎、藤壶、贻贝、扇贝和其它附着双壳类 (如东方缝栖蛤),其中前3种是污损生物群落的骨干,生长期长,可反复重叠附着并难以清除,是污损生物群落重量和厚度的主要贡献者,是构成海上固定设施危害、引起灾难的元凶。
被覆类群是成片繁衍发展,如复海鞘、海绵动物、苔藓动物 (阔口隐槽苔虫、颈链血苔虫)、管栖多毛类等,它们的共同特点是可沿着海中物体和生物体表面包覆、致死贝类等生物,促使传感器失效、海中阴极保护中阳极失效,这些生物虽然有时数量也非常大,但相对上述优势类群易于清除。
直立类群是垂直直立生长的动物,有玻璃海鞘、柄海鞘、多室草苔虫、葡茎草苔虫、水螅、海葵等。相对于上两类污损生物,更易于清除。但在它们大量繁殖的年份或季节也会和被覆类群协同对人工设施,尤其是对一些浮具、网具等造成严重损失。
藻类是枝叶繁衍的植物类：褐藻 (海带,裙带菜)、绿藻通常生长在阳光充足的海域,具有季节性,多在水线处或阳光能抵达的深度处占优势。中港一株裙带菜4个月长3斤,对于航道浮标或定位投放的测量器件等危害很大。
在污损生物群落中长期或暂时栖居的、能够活动的生物在污损生物群落中觅食、栖息、繁衍,通常在污损中的意义不大,但如果某些种类大量爆发,也会导致管道、网笼等的堵塞而带来严重危害。在维持污损生物群落生态平衡中起到重要作用,如麦秆虫、多毛类、涡虫,但不是附着固着为生的,不能归到污损生物分类种。用此分类法对海鸥浮码头现场进行污损分类评估污损量级。
依此对海鸥浮码头的生物污损程度进行量化处理,进而给出其污损程度示意图。依照不同部位硬壳类附着面积的百分比分4个污损等级 (见图9)。一级：硬性污损生物优势种占70%以上,尾舵舱口周边,船底水中楞角。二级：硬性污损生物优势种占40%~60%,水线以下15 cm。三级：硬性污损生物优势种占10%~40%,水线下20 cm至船底。四级：硬性污损生物优势种占10%,尾舵舱内的船尾船底。
图9
2.3 影响污损生物群落组成的环境因素
检测结果表明,尾舵舱口位于中港航道,污损生物多为簇状成群生长的大个体的牡蛎、贻贝等硬壳类群的污损生物优势种群。而处在尾舵舱深处的船尾船底,几乎全为个体相对较小的玻璃海鞘、藤壶、苔藓虫、海绵等,其原因在于尾舵舱口除有常规的潮流外还有交运船航行带来的波涌,海水流畅,生物可及时而充分得到营养,获得较大个体。而处于舵舱深处的船尾船底海水较为缓稳,形成另类特有生物群落,直立繁衍的玻璃海鞘成为优势种,个体较小的藤壶被淹没在其中。但如果海流太猛,也不利于污损生物幼体的附着变态。前人研究表明,船的航速超过二节污损生物很难附着。同样,如果海水较长时间交换困难,多种生物会因缺氧而死亡。20世纪中,青岛码头的试验浮筏和南海榆林港实验浮筏,均因海水交换困难,大多生物缺氧不能生存,试验板上仅有石灰虫一种附着生物而被淘汰[24]。
阳光对海藻的影响十分明显,海鸥左舷长期有船停靠,使左舷只有船头船尾见夕阳,其余部位长期无阳光而无藻类附着。右舷水线区孔石纯成为优势种,左右舷苔藓虫的物种优势程度也发生了变化[25]。
3 结论
(1) 海鸥浮码头秋季坞修,分拣出污损生物8类30余种,紫贻贝为优势种,首次发现粗胞苔虫。与2015年春季坞修相比,生物多样性较高。
(2) 首次提出并应用现场分类法,将坞检出的污损生物分为硬壳类群、被覆类群、直立类群和藻类群4类。有利于非生物专业的相关工程技术人员交流和使用。
(3) 依硬壳类污损生物附着面积大小绘制出生物污损图谱,对防污工程及污损生物生态数学建模具有一定的推动作用。
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