海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測評估研究進展與展望＊

■ 劉 輝 奉 杰 趙 建 民

1.中國科學院煙臺海岸帶研究所 煙臺 264003

2.中國科學院海洋研究所 青島 266071

0 引言

我國是海洋漁業(yè)大國，然而傳統(tǒng)漁業(yè)卻面臨著生境退化和資源衰退等嚴峻資源環(huán)境問題。現(xiàn)代化海洋牧場，是兼顧環(huán)境保護和漁業(yè)高效產(chǎn)出的海洋資源開發(fā)和保護新業(yè)態(tài)，可協(xié)調生態(tài)利益、經(jīng)濟利益和社會利益的平衡發(fā)展，是我國海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉型升級的新動力[1-2]。

海洋牧場監(jiān)測評價技術體系涉及環(huán)境監(jiān)測及預測技術、生物資源及補充過程的監(jiān)測和預測技術、生態(tài)系統(tǒng)結構和功能評估技術、生態(tài)承載力評估技術等不同范疇的內(nèi)容。海洋牧場監(jiān)測評價貫穿于整個海洋牧場的建設、管理、效益提升和安全保障等多個關鍵環(huán)節(jié)，是海洋牧場構建技術體系的重要部分。

隨著我國現(xiàn)代化海洋牧場產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期，我國海洋牧場監(jiān)測評估技術體系也得到了快速的創(chuàng)新集成和應用，在新裝備、新技術及新方法等方面都取得了較大突破。本文從監(jiān)測裝備研發(fā)、監(jiān)測及評估技術原理等角度系統(tǒng)梳理了本領域的研究進展和典型應用案例，并對本領域研究尚存在的不足和未來發(fā)展方向提出思考和展望，以期為助力我國海洋牧場建設技術體系實現(xiàn)現(xiàn)代化轉型升級提供參考。

圖1 海洋牧場監(jiān)測平臺展示：（左）多功能海洋牧場平臺，（右）海洋牧場監(jiān)測數(shù)據(jù)中心

1 海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測評估技術體系研究進展

1.1 環(huán)境生態(tài)要素監(jiān)測平臺研發(fā)與集成應用

近年來，我國在海洋環(huán)境監(jiān)測裝備和技術突破方面進步顯著，實現(xiàn)了從近海到深遠海監(jiān)測、從原位傳感器創(chuàng)新研發(fā)到平臺集成和大數(shù)據(jù)挖掘等多空間、多維度的系統(tǒng)技術突破，也為我國海洋牧場綜合監(jiān)測（觀測）網(wǎng)絡體系的技術建設打下了堅實的基礎。

實現(xiàn)環(huán)境及生態(tài)要素的“實時監(jiān)測+可視化”目標，是現(xiàn)代化海洋牧場“信息化、智能化”的標志之一，當前我國海洋牧場實時監(jiān)測裝備正處于加速建設時期。截至目前，在萊州灣、祥云灣等多個國家級海洋牧場示范區(qū)都已安裝多功能環(huán)境資源監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了多參數(shù)水環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測的無線傳輸及多終端訪問（圖1）。此外，各省市也在不斷加大對海洋牧場建設海域的綜合監(jiān)測，以山東省海洋牧場監(jiān)測網(wǎng)為例，全部國家級海洋牧場示范區(qū)都已實現(xiàn)海洋牧場生態(tài)環(huán)境參數(shù)和高清視頻的長期、連續(xù)、穩(wěn)定和實時在線觀測。

此外，近岸淺水浮標、海床基等新型監(jiān)測設備也得到了廣泛應用；無人機、無人艇、水下滑翔機等新興設備在海洋牧場實現(xiàn)自動巡航監(jiān)測已展現(xiàn)出巨大應用價值。伴隨著各項技術的突破，以“實時化、可視化、網(wǎng)絡化、智能化”為典型特征的我國海洋牧場“海-陸-空”三維監(jiān)測體系構建逐漸得以實現(xiàn)，為實現(xiàn)海洋牧場可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全保障提供了堅實保障。

1.2 生物要素監(jiān)測技術及應用

雖然大多海洋生物資源監(jiān)測技術可直接在海洋牧場海域開展應用并具有極大產(chǎn)業(yè)意義，但由于海洋牧場海域人工設施多、生境結構復雜，且多巖礁性生物，生物資源的監(jiān)測和追蹤技術在準確性與精確性方面相比是困難的。

水下視頻等光學成像監(jiān)測技術因具有直觀獲取生物及生境資料的特點，目前在我國海洋牧場監(jiān)測使用非常廣泛。在浮游生物領域，除了FlowCam、ZooScan等商業(yè)化的樣品處理儀器外，還包括基于全息影像、顯微攝影、背影成像等原位的浮游生物監(jiān)測技術，已實現(xiàn)了浮游動物圖像的快速檢測和精準識別，對海洋牧場基礎餌料供應、關鍵物種補充、赤潮等災害預警具有重要應用價值。在魚類、貝類、棘皮類等生物監(jiān)測領域，應用較多的則為潛水員手持式和定置式視頻采集設備，前者多用于潛水隨同記錄、樣點及樣帶調查、非接觸式測量等監(jiān)測工作，后者多用于長期或實時的生物監(jiān)測，以直觀掌握資源變動和異常等。另外，拖曳式視頻技術在海洋牧場蛇尾等潛在致災或生態(tài)安全指示物種監(jiān)測方面有所應用。

機器視覺和深度學習等新技術的創(chuàng)新融合極大提高了視頻監(jiān)測技術的應用效果。通過水下圖像清晰化和顏色矯正等圖像增強技術，為解決我國北方海域水體渾濁、透明度低所導致圖像色彩失真、模糊等難題提供了可行的解決思路。另外，基于圖像處理和機器學習原理的生物形態(tài)和重量預測技術、基于雙目測量原理的礁區(qū)魚類測量技術、基于卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡原理的魚類識別和跟蹤技術、基于目標檢測原理的刺參等經(jīng)濟物種識別技術等也在海洋牧場資源生物精準監(jiān)測方向具有極大應用前景。

水聲學技術和方法已在我國海洋牧場大空間尺度的生物資源監(jiān)測和生境測繪中得到廣泛應用。例如，在動物資源的監(jiān)測評估方面，利用成像聲吶和多頻聲學方法，實現(xiàn)了礁區(qū)魚類大規(guī)模的識別、生物量和規(guī)格大小測算等[3]。在植物資源的監(jiān)測評估方面，利用回聲探測開展了大規(guī)模海底植被調查，并在渤海唐山沿海海域發(fā)現(xiàn)中國面積最大的鰻草海草床，充分展示了聲吶技術在大空間尺度資源環(huán)境監(jiān)測中的高效率優(yōu)勢[4]。此外，基于聲學標記技術可用來研究礁區(qū)魚類的生境利用規(guī)律，在追蹤與揭示礁區(qū)魚類不同季節(jié)生境利用規(guī)律提供重要技術支撐，而基于側掃和多波束聲吶技術可對人工魚礁進行實況監(jiān)測，在測算和評估人工魚礁的布局特征、空方數(shù)量以及礁體是否下沉傾覆等關鍵產(chǎn)業(yè)問題上得到應用。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)結構和功能研究

生態(tài)系統(tǒng)結構包括形態(tài)結構與營養(yǎng)結構兩大部分。當前，海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)形態(tài)結構的研究已經(jīng)有較多案例，比如優(yōu)勢物種的種群結構、生長模式及資源量分布；在礁體附著生物、底棲生物、巖礁魚類的群落結構以及與礁區(qū)內(nèi)外環(huán)境因子的關系，增殖放流種群結構時空動態(tài)變化跟蹤模擬等方面研究也取得了較大進展[5]。生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結構主要反映在食物網(wǎng)結構，食物網(wǎng)通過描述生產(chǎn)者與消費者之間的相互聯(lián)系，成為描述生態(tài)系統(tǒng)生物間相互作用關系、揭示生態(tài)系統(tǒng)脆弱性以及優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)結構的重要研究切入點。攝食生態(tài)則是食物網(wǎng)刻畫的基本內(nèi)容，目前常用的手段是通過胃含物分析結合穩(wěn)定同位素、分子條形碼等技術，以揭示海洋牧場不同物種的攝食強度、食物組成、生態(tài)位及攝食競爭等規(guī)律，進而構建食物網(wǎng)結構[6-8]。

能量流動與物質循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的兩大基本功能。海洋牧場物質循環(huán)與能量流動在食物鏈和食物網(wǎng)水平都有研究，例如定量描述牧場能量流動與物質循環(huán)特征，包括對牧場不同營養(yǎng)級間能量傳遞效率、生物生產(chǎn)力、能量物質的循環(huán)利用效率等方面研究。相關研究主要關注的科學問題多集中在不同有機質源對海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的貢獻、海洋牧場內(nèi)不同營養(yǎng)級之間的能量傳遞過程、海洋牧場物質和能量利用方式的時空差異等；由于構建生態(tài)系統(tǒng)模型需要耗費較大的人力物力，目前國內(nèi)外對于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)水平的研究仍然相比較少[9]。雖然我國在利用生態(tài)路徑（Ecopath）模型對海洋牧場能量流動與物質循環(huán)特征的評估方面積累了較多經(jīng)驗[10-11]，但在綜合水動力過程、地球化學循環(huán)過程、食物網(wǎng)等子模型，用于牧場和人工魚礁的能量流動與物質循環(huán)特征研究的生態(tài)系統(tǒng)動力學模型研究方面相比國外仍處于跟跑狀態(tài)[12-13]。

1.4 生物承載力評估

基于生物承載力評估的海洋牧場建設是實現(xiàn)現(xiàn)代化海洋牧場建設和管理的核心內(nèi)容。生物承載力評估根據(jù)評估的出發(fā)點可分為4 個層面：①綜合考量環(huán)境因子、生物適應性和政策規(guī)劃的適宜海域內(nèi)可容納的最大生物數(shù)量；②由初級生產(chǎn)力或餌料數(shù)量決定的生物最大可增殖的密度；③在不影響生態(tài)系統(tǒng)各功能群平衡的前提下的最大增殖密度；④協(xié)調社會經(jīng)濟因素和生態(tài)效益的生物最大增殖密度[14-15]。

對于不同出發(fā)角度的生物承載力評估，可選用不同的工具和模型，比如地理信息工具、生長模型、生態(tài)動力模型等。目前我國已在多處國家級海洋牧場示范區(qū)開展了生物承載力評估的研究和示范工作，并作為海洋牧場建設中“生態(tài)優(yōu)先”的重要參數(shù)。例如，采用Ecopath模型評估了榮成俚島海域、唐山祥云灣海洋牧場、萊州灣海洋牧場的魚類、刺參、皺紋盤鮑等物種的承載力，采用基于營養(yǎng)鹽限制模型評估了獐子島海洋牧場的貝類承載力等[16-17]。當前，Ecopath 模型逐漸成為較為主流的海洋牧場生態(tài)承載力評估方法，且應用范圍逐漸擴大。

2 海洋牧場監(jiān)測評估研究存在的問題

2.1 環(huán)境預測及安全保障技術體系不足

人工設施投放對水動力和營養(yǎng)要素循環(huán)過程影響的監(jiān)測和模擬研究仍有待提高。在目前海洋牧場建設規(guī)?？焖僭黾拥谋尘跋拢覈督阁w投放規(guī)模不斷增加，但人為建造活動帶來的物理海洋學效應評估相對薄弱，礁體物理穩(wěn)定性以及是否發(fā)生礁體漂移、傾覆、淤積和沉陷等風險的評估不夠，海洋牧場設施投放后對水文水動力、泥沙輸運、岸線侵蝕等作用的監(jiān)測和模擬重視不足。同時，投礁設計和布局仍主要依賴經(jīng)驗積累和借鑒，一般是以礁體不明顯阻礙水流、不投放到過軟底質等定性和半定量數(shù)據(jù)為參考，缺少該研究方向系統(tǒng)性研究的支持，間接影響了我國礁體設計和性能改進技術的進步。

對環(huán)境變動的預測、生態(tài)效應評估和應對方案不足。環(huán)境波動、極端天氣及全球變化對水生生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響已受到全球廣泛關注。工業(yè)革命以來海水pH 已經(jīng)降到8.1，達到200 萬年來的歷史最低點，預計到2100年pH將繼續(xù)下降0.3~0.5單位[18]。全球重度低氧區(qū)也已經(jīng)超過500 個，本世紀末海洋溶解氧含量將有1.5~4%的凈損失[19]。近幾年，我國黃渤海海洋牧場內(nèi)海參等典型高值海產(chǎn)品因極端天氣而損失的案例常有報道，因此我國海洋牧場建設應密切關注海洋生物對全球氣候變化的響應和適應，加強高溫、缺氧等極端氣候的預測和應急補救對策，延伸和發(fā)揮生態(tài)牧場在管控和預警上的優(yōu)勢。同時加強礁體投放后環(huán)境效應和生態(tài)效應的研究，其中尤以礁體投放是否引起海流嚴重減緩、溶解氧收支變化等風險為主。

對突發(fā)生態(tài)災害的預測、效應評估和應對方案不足。赤潮、綠潮、水母等生態(tài)災害暴發(fā)是海洋牧場平穩(wěn)運營的重要生態(tài)威脅，國內(nèi)外對其暴發(fā)機制和生態(tài)效應的研究已經(jīng)較為廣泛，在海洋牧場海域，其生態(tài)災害的影響主要體現(xiàn)在有害物質釋放或被牧場生物濾食/攝食、營養(yǎng)物質競爭、藻華或水母死亡沉降而引起海底生境破壞及食物網(wǎng)的級聯(lián)影響等。通過監(jiān)測評估海洋牧場生物類群與致災生物關系，從生態(tài)系統(tǒng)運行機制上入手加強對海洋牧場生態(tài)災害的防控應，防范生態(tài)災害發(fā)生或降低生態(tài)災害的危害程度。

2.2 生物資源及補充機制的精細化監(jiān)測技術不足

巖礁性生物監(jiān)測仍有技術難點。海洋牧場海域生物群落有較大比例的巖礁性生物，因礁體遮擋致使視頻、聲學手段受限，無法實現(xiàn)準確監(jiān)測，因此常出現(xiàn)“蹤跡難覓、來去難知”的現(xiàn)象。以刺參為例，雖其運動緩慢易于潛水觀察、取樣和計數(shù)，但因晝伏夜出、在礁石區(qū)藏匿和夏眠等特殊行為影響，致使其現(xiàn)存量和種群變動仍評估困難。

長斷面與大尺度的生物資源高效監(jiān)測技術缺乏。大部分戀礁性魚類雖然不是洄游性物種，但其短距離遷徙行為也足以游出海洋牧場海域，進而降低了監(jiān)管者對海洋牧場生物的監(jiān)控能力。而聲學探測可實現(xiàn)遠距離與實時性觀測，通過借鑒魚道和河道內(nèi)魚群監(jiān)測的原理，加強對于近海牧場海域漁業(yè)物種的聲學回聲特征的測量和模型計算，進而通過聲學探測系統(tǒng)的垂直探測、橫向探測等不同應用方法組合應用在海洋牧場生物監(jiān)測領域，應用前景廣泛。

海洋牧場中重要餌料生物和關鍵物種的補充機制研究較少。在國際海洋牧場領域，人工魚礁區(qū)生物量的增加是吸引聚集而來還是繁殖生產(chǎn)而來已經(jīng)爭論多年，對于我國海洋牧場同樣存在這樣的問題。尤其是充分依靠自然生產(chǎn)力的漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，必須重視經(jīng)濟物種本身以及其餌料生物的補充過程研究，并查明環(huán)境因子和人為干擾的響應。以煙臺一處國家級海洋牧場為例，企業(yè)自建牧場與周邊島嶼存在明顯連通性，海參成體生長和苗體附著發(fā)育的適宜區(qū)域都存在，目前已形成了苗種自然產(chǎn)生和補給的良性循環(huán)，只需要少量投放海參苗，即可實現(xiàn)海參生產(chǎn)采收，也側面反映出海洋牧場重要生物補充機制研究的重要性。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)水平的研究及模擬評估仍有不足

海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)評估模型研究的海區(qū)邊界如何確定仍缺乏理論研究。開放海域中的海洋牧場是具有物理邊界的“斑塊生境”，但其與毗鄰海域之間物質交換作用顯著，比如水交換帶來的餌料補充、牧場生物的主動遷入與遷出、生物外出索餌等，致使其生態(tài)系統(tǒng)的邊界并不明顯。因此，在模型研究中將海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)近似等于礁區(qū)之內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)是否妥當仍需要深入探討和研究。另外，對于多處海洋牧場連通、及海洋牧場與島嶼連通等情況的生態(tài)系統(tǒng)模型構建案例較少。

海洋牧場生態(tài)動力學模型應用相對較少。目前我國對于牧場食物網(wǎng)模型的研究多基于“靜態(tài)”假設開展，對海洋牧場內(nèi)部的生態(tài)動力學過程關注不足，比如我國北方海洋牧場食物網(wǎng)結構的季節(jié)變化和年紀變化、牧場及毗鄰海域間生物遷入遷出效應、生物地球化學過程等缺乏系統(tǒng)研究。同時海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)也會逐漸發(fā)育和成熟，因此對于海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)模型的評估應重視在時間尺度上的對比分析，為我國海洋牧場建設與運營提供重要支撐。

巖礁生物資源數(shù)據(jù)獲取的準確性影響模型準確度。海洋牧場復雜的生境結構增加了海洋牧場魚類、底棲動物等生物資源量精準量化的難度，傳統(tǒng)的流刺網(wǎng)、地籠調查、聲學、水下攝像的調查方法對查明海洋牧場人工魚礁不同生物資源量大小均存在明顯不足，尚無有規(guī)范有效的牧場生物資源調查方法，也使生態(tài)系統(tǒng)模型評估的準確性尚存疑問。同時微食物網(wǎng)是海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結構的重要組成部分，微食物網(wǎng)生物被中型浮游動物以及貝類生物捕食，成為海洋牧場高營養(yǎng)級生物的重要能量來源，然而我國海洋牧場微食物網(wǎng)結構及對漁業(yè)食物網(wǎng)的級聯(lián)影響，目前尚無系統(tǒng)研究涉及。

3 舉措和建議

3.1 生物資源監(jiān)測新技術研究和應用

提高海洋牧場生物的精細化監(jiān)測技術水平。建立海洋牧場生物圖像和視頻數(shù)據(jù)庫，加強巖礁性魚類、大型無脊椎生物的視頻識別、跟蹤和測量技術，突出視頻測量技術的可視化與可測量化。測定海洋牧場不同生物類群的聲學響應特征，增加多頻聲學方法、成像聲吶等技術在礁區(qū)多物種識別、規(guī)格和生物量測量上的應用，發(fā)揮水聲學監(jiān)測范圍大與效率高的優(yōu)勢。

加強海洋牧場關鍵物種自然補充過程機制研究。加強海洋牧場海域重要生物資源的生境利用規(guī)律及季節(jié)性遷移規(guī)律研究，提高對巖礁性生物資源的季節(jié)變動的認知水平。在現(xiàn)有浮游動物監(jiān)測裝置的基礎上，突破海洋牧場經(jīng)濟物種浮游期影像信號的精確采集和識別，研發(fā)重要生物資源在浮游期的在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)刺參、鮑、魚類等生物幼體豐度的實時監(jiān)測，加強重要生物資源在浮游幼體補充來源、親體數(shù)量、關鍵生物和生態(tài)過程的監(jiān)測和機制研究。

3.2 多學科交叉的環(huán)境和生態(tài)效應模擬及評估

目前，海洋牧場監(jiān)測評估研究已進入了多學科交叉階段。在國家和企業(yè)層面都非常重視現(xiàn)代化海洋牧場的建設和監(jiān)測評價技術突破，預期未來將有更多的海洋牧場監(jiān)測活動和監(jiān)測數(shù)據(jù)積累，而更多海洋牧場深入的問題探索需要聯(lián)合物理海洋學、地球化學、海洋生態(tài)學以及計算機科學等各領域，通過數(shù)學模型聯(lián)合構建與機理、機制研究互相驅動，加深對問題的闡釋和應用。

重視不同尺度下海洋牧場監(jiān)測評估研究。隨著海洋牧場建設規(guī)模擴大，各海洋牧場海域之間、海洋牧場與毗連自然生境之間的連通性將不斷加強，可預想未來海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的關注尺度將從當前單個海洋牧場海域尺度，逐步擴大為多海洋牧場連通的海域尺度或海洋牧場與周邊生境聯(lián)通的尺度，乃至較大規(guī)模的海洋牧場群與毗鄰海域構成的海灣尺度等；因此，不同尺度下海洋牧場生態(tài)系統(tǒng)的研究和模擬應該得以重視，支撐我國近海農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3.3 重視在生態(tài)系統(tǒng)尺度的海洋牧場監(jiān)測評估

重視海洋牧場作為新型生態(tài)系統(tǒng)的研究。建立規(guī)范有效的海洋牧場生物資源調查方法，提高牧場生物資源調查數(shù)據(jù)的準確性與精確性，為牧場生態(tài)系統(tǒng)評估提供有效基礎數(shù)據(jù)支撐。調查牧場功能區(qū)劃、水動力特征、建設模式等對生態(tài)系統(tǒng)能量流動和營養(yǎng)結構特征的影響。掌握海洋牧場及毗鄰海域生態(tài)系統(tǒng)關聯(lián)程度，調查牧場與鄰近海域之間物質交換、魚類遷入遷出規(guī)律。掌握海洋牧場微食物網(wǎng)結構，研究牧場微食物網(wǎng)能流通量，查明牧場微食物網(wǎng)能流過程對經(jīng)典主食物網(wǎng)能量補充量的大小及其影響。重視海洋牧場生態(tài)動力學模型的發(fā)展，綜合考慮水文水動力過程、生物地球化學過程和生態(tài)過程，以增強生態(tài)系統(tǒng)模型的預測能力。

3.4 海洋牧場監(jiān)測評估標準規(guī)范制定

當前，海洋牧場的評估工作主要依照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《國家級海洋牧場示范區(qū)年度評價及復查辦法（試行）》、《SC/T 9417-2015 人工魚礁資源養(yǎng)護效果評價技術規(guī)范》、《DB37T 2982.4-2017 海洋牧場建設規(guī)范第4 部分：監(jiān)測與評價》、《GB/T 12763.1-2007 海洋調查規(guī)范》與《GB 17378.1-2007 海洋監(jiān)測規(guī)范》等。但是因海洋牧場產(chǎn)業(yè)復雜、發(fā)展模式多樣等原因，現(xiàn)有評估標準和規(guī)范仍有未盡之處。

進一步完善海洋牧場監(jiān)測評估的國家、行業(yè)標準和企業(yè)標準，考慮不同海洋牧場建設和發(fā)展模式，明確海洋牧場監(jiān)測評估的側重點，涵蓋從設計、建設、管理各階段，從生態(tài)系統(tǒng)角度入手提供規(guī)范參考，完整評估現(xiàn)代化海洋牧場的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，并防范生態(tài)風險。進一步規(guī)范企業(yè)常規(guī)監(jiān)測項目的實施，激勵企業(yè)培養(yǎng)科研支撐人員，提高企業(yè)常規(guī)監(jiān)測能力，由專業(yè)科研機構和企業(yè)科研中心協(xié)同開展監(jiān)測。