基于漂流浮標刻畫海洋牧場流場及其對海洋牧場空間協(xié)同建設的啟示

湯圣銘，高君奇，章守宇，梁 君，姜亞洲，徐開達，李 珺，徐 鵬

（1.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院，上海 201306；2.浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021；3.中國水產(chǎn)科學院東海水產(chǎn)研究所，上海 200082；4.國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心，上海 201206）

海洋牧場（marine ranching），也被譽為“藍色糧倉”，旨在恢復近海漁業(yè)資源、修復漁業(yè)水域環(huán)境并促進近海漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展。自日本于1971 年提出海洋牧場概念以來，各國在海洋牧場建設實踐中不斷加深認識，海洋牧場的內(nèi)涵也隨著時代發(fā)展不斷豐富[1-4]。一直以來，中國的海洋牧場建設始終以人工魚礁投放與增殖放流為核心內(nèi)容[5]。

在海洋牧場建設過程中，科學選址與規(guī)劃布局一直是學者們關心的重要問題[6]。我們主張在海洋牧場選址與規(guī)劃布局過程中，要充分考慮牧場及周圍海域背景流場的情況，以期達到空間協(xié)同的效果。這里的空間協(xié)同有2 層含義，其一為場內(nèi)（海洋牧場內(nèi)）尺度上，牧場內(nèi)各功能區(qū)由背景流場相互連通；其二為場際（海洋牧場間）尺度上，各個牧場也由背景流場相互連通。借助流場的輸運作用，物質傳遞效率必將大大提升，從而可以更好地發(fā)揮海洋牧場的漁業(yè)資源養(yǎng)護修復作用。

中街山列島海洋牧場是2015 年全國首批國家級海洋牧場示范區(qū)之一[7]，位于舟山群島東部，島礁密布，水道縱橫交錯，海洋資源種類繁多，海洋漁業(yè)發(fā)展環(huán)境十分優(yōu)越。該海域貝、螺、藻類資源豐富，傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖和貽貝養(yǎng)殖具有一定規(guī)模，是曼氏無針烏賊Sepiella maindroni 的重要產(chǎn)卵場，同時也是厚殼貽貝Mytilus coruscus、荔枝螺Thais 等生物的高產(chǎn)區(qū)。由于水質清澈、環(huán)境優(yōu)美，隨著海島旅游的興盛，該地的旅游和休閑漁業(yè)也迅速發(fā)展起來[8]。本研究以中街山列島國家級海洋牧場為實驗區(qū)域，基于自主研制的漂流浮標刻畫出海洋牧場流場，并為牧場的空間協(xié)同建設提出建議。

1 實驗方法

1.1 漂流浮標的工作原理與流程

本研究所用浮標為團隊自主研制的一款低成本便攜式近海漂流浮標。該浮標主要由定位器與浮標支架系統(tǒng)構成（圖1）。其中定位器集成了GPS 和GPRS，可以完成衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)傳輸。這類技術已被廣泛應用，成本低且已十分成熟。浮標支架系統(tǒng)包括不銹鋼支桿、PVC 泡沫浮球和不銹鋼十字帆。定位器經(jīng)過水密處理后固定于不銹鋼支桿頂端，在漂浮時可與海面保持40 cm 左右的距離。這是本款漂流浮標設計的最大特點之一，可以大大降低定位器的水密壓力。不銹鋼十字帆的設計有利于保障浮標的隨水性。浮標整體重心位于十字帆處，這有利于浮標在海中姿態(tài)保持穩(wěn)定。泡沫浮球為漂流浮標提供浮力。注意浮球既不能太大，會增加風阻；也不能太小，必須要為浮標提供足夠浮力。

圖1 便攜式漂流觀測系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of portable drift observation system

圖2 為漂流浮標的工作流程圖，浮標定位器通過GPS 獲取定位信息，然后通過民用移動通信網(wǎng)絡GPRS 將數(shù)據(jù)上傳至服務器端，最終由手機和電腦客戶終端發(fā)起對服務器端中數(shù)據(jù)庫的訪問。同時，我們可以在終端設置浮標采樣頻率，在本研究中設置為10 min。浮標采集到數(shù)據(jù)后會實時發(fā)送至服務器端?？蛻艚K端交互性強，可視化程度高，可以在同一界面查看多個浮標的漂流狀態(tài)。

圖2 漂流觀測系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of drift observation system

1.2 漂流浮標的布放

自2015 年成立以來，中街山列島國家級海洋牧場設置了4 個重要的功能區(qū)[9]（圖3），其中廟子湖島東側為牧場示范區(qū)，該區(qū)域主要投放人工魚礁和藻礁。魚礁不僅用于誘集魚類進行捕撈，而且給魚類提供起到保護、培育魚類資源作用的良好生息繁殖場所，同時可以誘集、培育許多不同的蝦類、蟹類、貝類等[5]。藻礁用于海藻資源的修復。廟子湖島西側為碳匯漁業(yè)區(qū)，主要布設厚殼貽貝養(yǎng)殖筏架。貽貝可以濾食海中有機碎屑從而形成碳匯，助力國家雙碳戰(zhàn)略。人工魚礁區(qū)是海洋牧場的核心功能區(qū)。為了充分發(fā)揮海洋牧場的生態(tài)功能，比較理想的情況是令其他功能區(qū)與魚礁區(qū)空間協(xié)同建設，即可藉由潮流或海流相互連通，從而實現(xiàn)牧場內(nèi)物質的高效傳遞。近年來，浙江省陸續(xù)在青浜島東側和西福山西北海域陸續(xù)增加了網(wǎng)箱養(yǎng)殖和筏式養(yǎng)殖區(qū)，主要養(yǎng)殖品種為大黃魚和厚殼貽貝，充分利用中街山列島優(yōu)良的養(yǎng)殖環(huán)境，進一步完善了中街山列島海洋牧場的功能區(qū)建設。

為了刻畫中街山列島國家級海洋牧場的流場，研究團隊于2021 年5 月、2021 年10 月和2022 年1 月在中街山列島海洋牧場海域分別布放了7、7 和4 個漂流浮標。浮標布放的具體位置是海洋牧場的各個主要功能區(qū)（圖3），其中A1、A2 和A3 分別為海洋牧場中的碳匯漁業(yè)區(qū)、牧場示范區(qū)和筏式-網(wǎng)箱混合養(yǎng)殖區(qū)。由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與牧場示范區(qū)位于同一水道，我們只在牧場示范區(qū)A2 布放了浮標?？紤]到A1 處布放的漂流浮標有時會被其所在的岙口捕獲，2021 年10 月及以后的航次我們將A1 站位調整至A4[10]。

圖3 中街山列島海洋牧場布局和試驗區(qū)域Fig.3 The layout and test area of the Zhongjieshan Islands National Marine Ranching

2 結果與討論

2.1 中街山列島國家級海洋牧場內(nèi)功能區(qū)的空間協(xié)同

圖4 中五邊形表示浮標的布放位置，圓點表示浮標漂流過程中獲取的坐標數(shù)據(jù)，方點標注了浮標布放后的歷時小時數(shù)。漂流浮標軌跡顯示，中街山列島國家級海洋牧場海域潮流呈順時針旋轉。自牧場示范區(qū)布放的漂流浮標，先向南移動再折向北漂流，經(jīng)過1 h 左右便可到達西福山島西北側，貼近筏式-網(wǎng)箱混合養(yǎng)殖區(qū)，并最終經(jīng)過約12 h，到達碳匯漁業(yè)區(qū)附近。潮流的輸運作用將為牧場示范區(qū)與碳匯漁業(yè)區(qū)之間構建一條快速物質輸運通道，牧場示范區(qū)的海藻等有機碎屑以及浮游生物等可經(jīng)過潮流輸運快速到達碳匯漁業(yè)區(qū)供給厚殼貽貝利用。

圖4 自牧場示范區(qū)布放的一個漂流浮標軌跡Fig.4 The track of a drifting buoy deployed from the ranching demonstration area

2.2 中街山列島國家級海洋牧場與浙東海域其它海洋牧場的空間協(xié)同

近海潮程通常只有O（10）公里的量級，因此潮流不太可能在海洋牧場間的連通上發(fā)揮重要作用，海洋牧場間的空間協(xié)同需要關注潮際空間尺度上漂流浮標的軌跡。如圖5 所示，不同顏色代表不同浮標的漂流軌跡，2021 年5 月共在中街山列島海洋牧場布放7 個漂流浮標，其中工作時間最長的一個達到20 d，工作時間最短的也達到5 d。由于撞上巖礁而損壞、漂流出通信訊號覆蓋范圍以及電池耗盡等，不同浮標的工作壽命不盡相同。本航次布放的漂流浮標在其工作周期內(nèi)全部被約束于舟山海域，且其軌跡基本沿舟山群島東南廓線排布。7 個浮標中有4 個沿廓線向南漂流，可到達普陀東部海域白沙、桃花島、六橫島等海洋牧場；有1 個沿廓線向北漂流，最終漂流至馬鞍列島海洋牧場；還有2 個先沿廓線向南漂流，后又折向東北。在舟山群島的主要海洋牧場中，只有東庫黃礁牧場未有漂流浮標經(jīng)過。

圖5 2021 年5 月漂流浮標的運移軌跡Fig.5 The movement trajectory of the drifting buoy in May 2021

2021 年10 月和2022 年1 月布放的漂流浮標軌跡呈現(xiàn)出與2021 年5 月布放的漂流浮標軌跡完全不同的空間分布結構（圖6、7）。10 月和1 月的漂流浮標不再被約束于舟山海域，而是沿浙江海岸快速南下，并在約4、5 和8 d 后經(jīng)過漁山島、大陳島、南麂島等海洋牧場。這些漂流浮標軌跡清晰地刻畫出秋冬季節(jié)浙東海域存在的一支非常強的沿岸流，該沿岸流自北向南，可將中街山列島海洋牧場與漁山島、大陳島、南麂列島等海洋牧場相連通。根據(jù)中街山列島至大陳島的距離以及浮標在兩地之間的漂流時間，本文算得該沿岸流速度約為0.5 m·s-1?；谠撗匕读鞯奈恢门c強度，本文認為其很可能就是浙閩沿岸流[11]。中街山列島位于該沿岸流的上游，所以中街山列島海洋牧場的物質可藉由該沿岸流快速輸運至下游海洋牧場。

圖6 2021 年10 月漂流浮標的運移軌跡Fig.6 The movement trajectory of the drifting buoy in October 2021

中街山列島海洋牧場可藉由海流與浙東其它海洋牧場相互連通從而對增殖放流工作有重要啟示。浙江省海洋水產(chǎn)研究所曾于2020 年9 月在中街山列島海洋牧場放流條石鯛Oplegnathus fasciatus，回捕結果顯示，放流的條石鯛全部向南移動，最遠在150 km 外的漁山島海域被釣獲（圖8）。中街山列島位于舟山群島南部，考慮到舟山海域的環(huán)境同質性明顯（皆為島礁海域），放流的條石鯛幼魚向南移動而非向北，很可能是受到沿岸流輸運的結果。因此，牧場區(qū)海洋環(huán)流系統(tǒng)對于放流魚類的再分布進而對于海洋牧場之間的空間協(xié)同具有重要意義。由于中街山列島海洋牧場位于沿岸流上游，故本文建議未來浙江省的增殖放流可向中街山列島海洋牧場集中，放流的幼苗可借助海流分布至浙江省其他主要海洋牧場。

圖7 2022 年1 月漂流浮標的運移軌跡Fig.7 The movement trajectory of the drifting buoy in January 2022

圖8 根據(jù)回捕信息推斷的放流條石鯛移動路線Fig.8 The movement route of the released sea bream deduced from the recapture information

漂流浮標的軌跡顯示中街山列島海洋牧場的海流呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。5 月時，海流被約束于舟山群島東南廓線附近，以中街山列島為中心，向兩側流去。10 月和1 月時，海流沿浙江海岸迅速南下。中街山列島海洋牧場海流的這種季節(jié)變化主要是受長江沖淡水的影響。夏季時，長江沖淡水沖向濟州島方向[12]，所造成的鹽度鋒面大約沿著舟山群島東南廓線。此時，中街山列島海洋牧場的海流沿鋒面（即群島東南廓線）流動。秋冬季節(jié)時，長江沖淡水沿岸南下，并匯入浙閩沿岸流[13]。此時，中街山列島海洋牧場的海流受浙閩沿岸流控制，沿浙江海岸南下。表1 匯總了3 次浮標布放工作在潮際尺度上的軌跡特征。

表1 浮標布放信息匯總Tab.1 Buoy deployment information summary

3 結論

漂流浮標的結果顯示，場內(nèi)尺度上中街山列島國家級海洋牧場內(nèi)的牧場示范區(qū)與碳匯漁業(yè)區(qū)及筏式-網(wǎng)箱混合養(yǎng)殖區(qū)可藉由潮流相連通，形成空間協(xié)同。場際尺度上，中街山列島國家級海洋牧場可藉由海流與浙江省其他主要海洋牧場形成空間協(xié)同。春夏季節(jié)時，中街山列島國家級海洋牧場可與普陀東部白沙、桃花島、六橫島等海洋牧場連通。秋冬季節(jié)時，中街山列島國家級海洋牧場可與漁山島、大陳島、南麂列島等海洋牧場連通。因此，本文建議未來浙江省的增殖放流工作可向中街山列島海洋牧場集中，放流的游泳能力弱的增殖苗種可借助海流分布至浙江省其他主要海洋牧場。

在中街山列島國家級海洋牧場的實踐說明基于本團隊自主研制的漂流浮標可以成功刻畫海洋牧場的流場，其中既包括潮下尺度的潮流，也包括潮際尺度的海流。以流場為基礎，可為海洋牧場的空間協(xié)同建設提供重要指導和參考，從而提高海洋牧場的物質流通效率，達到空間協(xié)同效果。因此，基于漂流浮標刻畫海洋牧場流場并對海洋牧場空間協(xié)同建設提供指導和建議是行之有效的，這一方法可為我國其他地區(qū)海洋牧場的空間協(xié)同建設提供一些借鑒和啟示。