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现代化海洋牧场建设与发展

2022-03-14

现代化海洋牧场建设与发展



摘要

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基于第230期双清论坛,本文回顾总结了我国海洋牧场发展历程及现状,梳理了近年来国内外取得的主要科技研究成果及发展方向、海洋牧场建设与发展亟需解决的瓶颈问题、服务于国家海洋生态文明建设的重大战略需求,分析并初步凝练了该领域未来5~10年的重大关键科学问题,探讨了前沿研究方向和国家自然科学基金资助战略。



随着人类活动和全球变化的影响不断加剧,我国近海生境严重退化,近一半海湾四季均出现劣四类水质。较20世纪50年代,海草床、珊瑚礁分布面积减少80%以上,产卵场和洄游通道遭到严重破坏,造成生物多样性降低,以致食物网结构简单化,水产经济物种低龄化、小型化,海底荒漠化趋势明显。

海洋牧场既能养护生物资源,又能修复生态环境,是实现我国近海渔业资源恢复、生态系统和谐发展与“蓝色碳汇”的重要途径。目前,我国培育了一批海洋牧场原理研究与技术研发团队,海洋牧场建设已从理念基础开始,初步形成理论体系,在此过程中不断发展其形式与内涵。海洋牧场概念和内涵可以描述为:基于生态学原理,充分利用自然生产力,运用现代工程技术和管理模式,通过生境修复和人工增殖,在适宜海域构建的兼具环境保护、资源养护和渔业持续产出功能的生态系统。从以渔业生产为目标的传统海洋牧场,到重视环境保护、生态修复和资源养护,生态优先、陆海统筹、三产融合的海洋牧场雏形已初步形成,标志着我国海洋牧场建设初见成效,而真正意义上的现代化海洋牧场建设则刚刚起步,其科学发展仍面临诸多挑战。

2015年至2019年间,我国已逐步创建5批共110个国家级海洋牧场示范区,随着海洋牧场产业规模日益扩大,现代化海洋牧场构建原理与技术研究滞后已经成为制约海洋牧场发展和产业升级的瓶颈,是当前最突出、最迫切的问题。因此,系统开展现代化海洋牧场构建原理创新与技术攻关,是保障我国海洋牧场产业可持续发展的重中之重。

2019年3月31日至4月1日,国家自然科学基金委员会地球科学部、生命科学部、管理科学部、信息科学部、工程与材料科学部和政策局共同主办了主题为“现代化海洋牧场建设与发展”的第230期双清论坛,来自国内30余所高校和科研院所的40余位专家学者应邀参加了本期论坛。与会专家围绕海洋牧场建设与发展研究多学科交叉发展现状与趋势、未来主要研究方向和科学问题等方面进行了热烈研讨和碰撞,凝聚共识并提出国家自然科学基金在相关领域的资助战略。


1 海洋牧场发展研究现状与挑战
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1.1 发展现状分析

近年来在科学利用海洋的实践过程中,海洋牧场构建理念逐步形成。日本于1963年创立了国营的栽培渔业中心,1971年提出建设海洋牧场,注重人工鱼礁的集鱼效果,强化环境承载力与资源养护补充,将增殖放流、鱼礁建设、驯化技术等融入渔业管理体系中并加以完善。美国于1968年提出海洋牧场建设计划并于1972年开始实施,1974年建成的加利福尼亚巨藻海洋牧场,注重与游钓相结合,发展休闲渔业。

我国科学家为实现水产资源增殖,于20世纪中叶提出了“海洋农牧化”理念,包括“水即是鱼类的牧场”、“使海洋成为种植藻类和贝类的农场,养鱼、虾的牧场”等。20世纪90年代以来,针对我国近海渔业的现状和特点,在自然海区进行了人工鱼礁、藻礁建设和以幼苗放流、底播为主,以人工繁育苗种为辅的人工增殖。2006年国务院发布的《中国水生生物资源养护行动纲要》首次为海洋牧场建设和发展提供了政策依据。截至2016年,全国已投入约55.8亿元的海洋牧场建设资金,共建立200多个海洋牧场,投放鱼礁超过3000万空立方米,总涉及海域面积2300平方千米。海洋牧场已成为海洋经济新的增长点,成为沿海地区增殖、养护海洋生物资源、修复海域生态环境、实现渔业转型升级的重要手段。

然而海洋牧场建设在全国如火如荼开展的同时,也暴露出“概念内涵不清、核心规律不详、关键技术不足、建设发展盲目”等突出问题。

一是海洋牧场建设与传统养殖概念混淆严重。为了借海洋牧场发展的“东风”,单一的近海网箱养殖、离岸深水网箱养殖及养殖工船都被认为是海洋牧场,沿海部分地区甚至将陆基工厂化养殖也认定为陆上海洋牧场。

二是海洋牧场选址与生态修复设施布放不合理问题突出。一些海洋牧场在建设初期,未做详细的地质类型、水动力分析等本底调查,只是照搬国内外模式,在海区随意投放了石块、水泥管作为人工鱼礁,结果几个月后原先投放的石块、水泥管不见踪迹,造成了大量资金的浪费和海域生态环境的破坏。

三是忽视全过程监测评估与预警预报,仍然“看天吃饭”。如北黄海的部分海区易受黄海冷水团影响,环境的剧烈变动造成生物的大量死亡,又缺乏精准的监测装备和预警手段,难以实时监测环境参数和生物状态,只能“望洋兴叹”,如若在此建设海洋牧场,则会造成重大的经济损失。

四是忽视礁体布局和气候变化对海洋牧场的生态影响。特别是夏季高温时期,部分企业未进行海域生态环境科学评估即开展以人工鱼礁为主的海洋牧场建设,由于选址不科学,将增殖礁建在局部底层缺氧区,导致极端气候条件下出现海参等增殖对象大批死亡,海洋牧场出现绝收现象,损失惨重。

1.2 面临科技挑战

目前,海洋牧场建设发展迅猛,但低水平同质化现象严重。一系列问题为我国海洋牧场的高质量发展提出了严峻挑战,主要原因是基础研究的前瞻布局不足、基础理论研究滞后、顶层设计的科技支撑薄弱、工程和信息技术支撑能力有限。

其一,宏观布局的基础理论支撑不足。我国近海哪些区域可以建设海洋牧场? 能建多大的海洋牧场? 能建什么样的海洋牧场? 一系列亟待明确的问题缺乏科学依据;对我国近海的生物生产力和生态承载力认知不足,缺乏科学评估体系;亟待揭示海洋牧场建设与毗连海域的互作机制,评估海洋牧场建设对生态系统的影响。

其二,人工生境营造技术能力不强。人工生境是指通过人工干预形成生物赖以生存的生态环境,是海洋牧场建设的关键基础。目前,海洋牧场人工生境工程技术缺乏系统性研究,人工构件投放缺乏理论依据,建设设施作用机理不明,设施—生物—环境三者之间的耦合机制不清,海草(藻)床、珊瑚礁修复缺乏有效措施,生物功能群构建缺乏科学基础等问题,严重制约着海洋牧场生态效益和高效产出。

其三,生态效应认知不明。生物资源养护是海洋牧场建设的重要内容。然而目前对海洋牧场重要经济生物的行为特征认识尚不清晰,生物之间的相互作用以及功能群构建缺乏理论支持,增殖放流对海域生物多样性和群落结构的影响不明,重要经济生物精准采捕缺乏科学标准。

其四,风险防控管理水平不高。风险防控与综合管理是海洋牧场高质量发展的重要保障。全球气候变化和人类活动影响下海洋牧场的生态灾害时有发生,生态风险的信息化预警与精准预报支撑能力不足;海洋牧场环境资源高精度实时监测系统与设备研发针对性不强,无法实现真正意义上的“可视、可测、可报”;综合管理模式和机制亟待创新和完善。

因此,面向国家海洋生态文明建设的重大战略需求以及海洋牧场持续健康发展的产业迫切需求,通过多学科交叉与融合,实施海洋牧场原理认知和重大技术突破,形成系统的现代化海洋牧场理论和技术创新体系,支撑并引导现代化海洋牧场发展,具有重要的科学价值和战略意义。


2 海洋牧场研究主要进展和成就
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2.1 海洋牧场生态过程与资源环境效应

(1)海洋牧场结构、功能与过程。海洋牧场在提高初级生产力、加速能量流动和物质循环、提升水域生态系统功能方面发挥了重要作用。生态系统结构和功能一直是国际海洋领域的研究热点,涉及了物种间的营养结构、食物关系、物质的循环和能量的流动过程等。我国在大海洋生态系统及近海主要渔业水域取得了一系列创新成果,提出了“简化食物网”和“全程食物网”的概念,为海洋生态系统食物网营养动力学的研究提供了新思路。目前,涉及的研究方法有胃含物分析、稳定同位素比率法、生物标志化合物分析法、Ecopath模型等,其中同位素法在水生态系统食物网结构、物质循环和能量流动中得到广泛应用。近年来,基于高通量测序技术解析构建营养关系的研究发展迅速,逐渐成为食物网研究的新模式。在生源要素迁移、转化过程的研究方面,主要通过同位素标记、调查和水动力模型进行,如利用IsoSource模型估算各类初级生产者对生物的食物组成贡献,进一步解析生态系统食物网结构。在生态系统能量流动方面,Ecopath模型可定量描述能量在生态系统生物组成之间的能量流动,评价生态系统成熟状况,以往主要应用在较封闭的生态系统中,现已广泛应用于全球各大水域生态的研究。如研究了亚得里亚海北部和中部小型水层鱼类及微食物环在该水域生态系统中的作用、加泰罗尼亚的南海水层食物网与底层食物网的耦合以及有机碎屑产生的作用、西班牙北部的坎塔布连海各水层与底栖食物网之间的关系等。

我国针对海洋牧场生态系统结构和功能的研究尚处于初级阶段。近年来,以生物地球化学循环角度为切入点,开展了主要经济动物摄食、代谢生理活动对碳、氮、磷等生源要素关键生物地球化学过程的驱动作用和机理研究,建立了虾夷扇贝、长牡蛎、菲律宾蛤仔等养殖生物的个体生长模型,从个体、群落、生态系统水平上初步构建了生源要素收支模型。与此同时,研究了人工鱼礁区生物的种群和群落结构,包括浮游植物、附着生物、底栖和游泳动物等;探讨了建礁前后的变化,包括种群生长、群落演替、多样性和丰富度等。国内多位学者也利用Ecopath模型对嵊泗人工鱼礁海区、长江口及毗邻水域、枸杞海藻场、荣成俚岛人工鱼礁区和獐子岛人工鱼礁海域等生态系统的结构和功能变化进行了讨论,并评估了不同生态系统的能量流动及稳定性。

随着海洋牧场建设的不断发展,必须强化海洋牧场结构和功能及其对近海生态系统影响的认知,从而支撑我国海洋牧场的科学有序发展。

(2)海洋牧场资源增殖与养护效果。生物资源增殖养护和回捕利用是海洋牧场的关键问题,海洋牧场建设诸多环节均为此服务。资源增殖在改善渔业资源种群结构和质量以及促进近海渔业的可持续发展方面发挥着极其重要的作用,产生了明显的效果。日本、美国等发达国家渔业也大力开展资源增殖的研究工作,其放流、标记、追踪监测以及回捕评估等技术居领先地位;对资源增殖种类的亲鱼遗传管理、苗种质量控制和苗种野性驯化都有较为严格的要求。如资源增殖种类苗种繁育过程中人为对亲本有意或无意的选择,包括人工授精都会导致快速的进化,而当这些人工培育群体被释放到环境中后,会造成本土群体基因库的丢失,进而对本土适应性造成严重威胁。通过对约70个资源增殖种类相关研究分析显示(主要包括31.7%的鲑鳟鱼类、15.8%的比目鱼类、14.9%的鲷科鱼类),增殖放流导致了放流群体遗传多样性水平及放流群体适应性的下降,包括存活率、主动寻找庇护场所、竞争性、繁殖成功率等各项指标。这种降低不仅表现在少数几个位点等位基因频率水平(尤其是会导致野生群体应对环境变化水平降低的稀有等位基因的丢失),还有全基因组水平的降低。研究结果均未表明增殖群体在遗传水平的改变导致了其环境适应性方面有所增加。极端情况下,大规模缺乏合理规划的增殖放流会导致群体资源的崩溃,比如美国加利福尼亚的银大马哈鱼由于大规模增殖放流导致野生群体基因同质化,一定程度上导致了其对环境变化适应性的降低,这被认为是导致群体资源崩溃的主要原因之一。由此可见,发达国家针对资源增殖工作所做的研究主要集中在生态安全和综合效果评估方面。

我国渔业资源增殖的研究工作有近30年的历史,但有关资源增殖的基础研究和相关技术仍然明显滞后,成熟的渔业资源增殖技术体系尚未形成。基于营养层次水平的渔业资源增殖模式,放流增殖物种或外来物种的监测和评估技术,放流群体所带来的生态影响、生态系统稳定性影响和遗传学影响、渔业资源增殖与效果评价技术体系等方面,尚未开展深入的科学研究。

2.2 海洋牧场人工生境工程与信息技术

(1)海洋牧场人工生境工程技术。海洋牧场人工生境是针对牧场区域荒漠化加剧,根据海域流场、环境特征以及生物构成等情况,营造环境与生物协调发展的生息场。人工生境的内涵包含生境营造、生境修复和生境优化三个部分,其主要研究内容包括基于生态系统理论的人工鱼礁建造、上升流营造,海藻场、海草床、珊瑚礁修复,生境结构功能优化等。

目前,生境营造工程措施主要依靠人工鱼礁实现。人工鱼礁是通过人为在海中设置构造物,改善海域生态环境,为海洋生物创造良好栖息环境,提供繁殖、生长、索饵和庇敌场所,以实现保护环境、增殖资源和提高渔获量。目前世界上众多濒海国家都在各自沿海投放了人工鱼礁,进行近海海洋生物栖息地和渔场的修复。不同国家、地区有着不同的发展模式,取得了不少成功的经验,也总结了一些失败的教训。我国在20世纪70年代开展试验性研究,广东、海南、广西、辽宁、山东、浙江、福建等地建设人工鱼礁试点,投放人工鱼礁。

多项研究表明,人工鱼礁能增加附近鱼群的种类和数量,尤其是当其被设置在远离自然礁的区域或者被设置在贫瘠广阔的沙质区域时。可见,人工鱼礁作为一种增加渔业资源的方式,是海洋牧场建设中不可缺少的一环。但人工鱼礁的投放需要进行合理的选址,选址不当将导致人工鱼礁的功能和作用失效,进而妨碍海洋的其他正当用途。而失效后的人工鱼礁会改变鱼礁投放海域的水动力学特性,形成复杂多变的水文状况,可能会对海洋生物的生存与栖息产生不利影响,破坏原本脆弱的海洋生态环境。但现阶段,我国部分地区所投放的人工鱼礁,存在工程措施比较单一,鱼礁设计、材料、成礁机理、工程工艺等方面缺乏科学依据等问题,影响到了鱼礁建设的整体效果。

事实证明,不是任何海域都适合鱼礁建设。因此,建设海洋牧场生境需要一整套措施,如人工上升流和人工下降流等。在人工上升流技术研究方面,日本处于世界领先水平。日本学者率先提出采用大型海洋平台解决方案,利用水泵抽水实现海底营养盐的提升,并将其称之为“拓海(TAKUMI)”工程;2010年,日本水产综合研究所的中山哲严等人提出可在海底堆砌砂石以形成一个有坡度的沙丘,从而改变水平流动的洋流流向,使其产生垂直方向分速度,形成人工上升流的新思路。日本鹿儿岛大学Nagamatsu等人还将V型结构用于人工上升流营造。首先通过橡胶或者网幕阻挡海流的水平流动,使海流向固定方向集中,之后将V型结构体布置在目标位置,从而使被阻挡的海流上升以形成人工上升流。挪威采取了气泡幕举升法,使用气泵将气体向较深海水中注入以带动水流上涌形成人工上升流。

人工下降流是指科学地投放海底结构物,引发海洋中自上向下的水体流动,将上层富氧海水带入底层,增加底层水体的溶解氧含量,以保护底栖生物,诱集和增殖各类海洋生物。国外不断加大、加快对人工下降流技术的研究和应用。目前,美国、日本、瑞典和挪威等海洋强国都开展了相关研究,取得了一系列重要的理论和应用成果。如日本东京大学研制的大型海水密度流发生装置(Density Current Generator,DCG),使用汽/柴油发电机供能,用水泵同时形成人工上升流和人工下降流,并使之充分混合后在温跃层上方水平排出。近十年的试验结果表明,该装置使Gokasyo海湾的赤潮和低氧现象得到了明显的改善,其中有害藻华基本消失,低氧水体面积减少了60%。DCG 技术在日本近海、海湾、河口等处得到多次应用,取得了良好的环境效益和社会效益。瑞典政府在ByFjord峡湾(平均水深51米,水体底部长期低氧)建立了大规模生态工程,利用风力和电力将表层海水泵入35米深度的底层低氧水体。两年的实验研究结果表明,单个下降流装置可使近7平方千米低氧水体的平均溶解氧(DO)含量从0mg/L增加到3.7mg/L,该海域水体中的NH4、P、H2S含量大幅度下降,底层水体生物丰度显著提升。 

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