海洋牧场生态系统监测评估研究进展与展望＊

■ 刘 辉 奉 杰 赵 建 民

1.中国科学院烟台海岸带研究所 烟台 264003

2.中国科学院海洋研究所 青岛 266071

0 引言

我国是海洋渔业大国，然而传统渔业却面临着生境退化和资源衰退等严峻资源环境问题。现代化海洋牧场，是兼顾环境保护和渔业高效产出的海洋资源开发和保护新业态，可协调生态利益、经济利益和社会利益的平衡发展，是我国海洋渔业产业转型升级的新动力[1-2]。

海洋牧场监测评价技术体系涉及环境监测及预测技术、生物资源及补充过程的监测和预测技术、生态系统结构和功能评估技术、生态承载力评估技术等不同范畴的内容。海洋牧场监测评价贯穿于整个海洋牧场的建设、管理、效益提升和安全保障等多个关键环节，是海洋牧场构建技术体系的重要部分。

随着我国现代化海洋牧场产业进入快速发展期，我国海洋牧场监测评估技术体系也得到了快速的创新集成和应用，在新装备、新技术及新方法等方面都取得了较大突破。本文从监测装备研发、监测及评估技术原理等角度系统梳理了本领域的研究进展和典型应用案例，并对本领域研究尚存在的不足和未来发展方向提出思考和展望，以期为助力我国海洋牧场建设技术体系实现现代化转型升级提供参考。

图1 海洋牧场监测平台展示：（左）多功能海洋牧场平台，（右）海洋牧场监测数据中心

1 海洋牧场生态系统监测评估技术体系研究进展

1.1 环境生态要素监测平台研发与集成应用

近年来，我国在海洋环境监测装备和技术突破方面进步显著，实现了从近海到深远海监测、从原位传感器创新研发到平台集成和大数据挖掘等多空间、多维度的系统技术突破，也为我国海洋牧场综合监测（观测）网络体系的技术建设打下了坚实的基础。

实现环境及生态要素的“实时监测+可视化”目标，是现代化海洋牧场“信息化、智能化”的标志之一，当前我国海洋牧场实时监测装备正处于加速建设时期。截至目前，在莱州湾、祥云湾等多个国家级海洋牧场示范区都已安装多功能环境资源监测平台，实现了多参数水环境和气象数据监测的无线传输及多终端访问（图1）。此外，各省市也在不断加大对海洋牧场建设海域的综合监测，以山东省海洋牧场监测网为例，全部国家级海洋牧场示范区都已实现海洋牧场生态环境参数和高清视频的长期、连续、稳定和实时在线观测。

此外，近岸浅水浮标、海床基等新型监测设备也得到了广泛应用；无人机、无人艇、水下滑翔机等新兴设备在海洋牧场实现自动巡航监测已展现出巨大应用价值。伴随着各项技术的突破，以“实时化、可视化、网络化、智能化”为典型特征的我国海洋牧场“海-陆-空”三维监测体系构建逐渐得以实现，为实现海洋牧场可持续发展和生态安全保障提供了坚实保障。

1.2 生物要素监测技术及应用

虽然大多海洋生物资源监测技术可直接在海洋牧场海域开展应用并具有极大产业意义，但由于海洋牧场海域人工设施多、生境结构复杂，且多岩礁性生物，生物资源的监测和追踪技术在准确性与精确性方面相比是困难的。

水下视频等光学成像监测技术因具有直观获取生物及生境资料的特点，目前在我国海洋牧场监测使用非常广泛。在浮游生物领域，除了FlowCam、ZooScan等商业化的样品处理仪器外，还包括基于全息影像、显微摄影、背影成像等原位的浮游生物监测技术，已实现了浮游动物图像的快速检测和精准识别，对海洋牧场基础饵料供应、关键物种补充、赤潮等灾害预警具有重要应用价值。在鱼类、贝类、棘皮类等生物监测领域，应用较多的则为潜水员手持式和定置式视频采集设备，前者多用于潜水随同记录、样点及样带调查、非接触式测量等监测工作，后者多用于长期或实时的生物监测，以直观掌握资源变动和异常等。另外，拖曳式视频技术在海洋牧场蛇尾等潜在致灾或生态安全指示物种监测方面有所应用。

机器视觉和深度学习等新技术的创新融合极大提高了视频监测技术的应用效果。通过水下图像清晰化和颜色矫正等图像增强技术，为解决我国北方海域水体浑浊、透明度低所导致图像色彩失真、模糊等难题提供了可行的解决思路。另外，基于图像处理和机器学习原理的生物形态和重量预测技术、基于双目测量原理的礁区鱼类测量技术、基于卷积深度神经网络原理的鱼类识别和跟踪技术、基于目标检测原理的刺参等经济物种识别技术等也在海洋牧场资源生物精准监测方向具有极大应用前景。

水声学技术和方法已在我国海洋牧场大空间尺度的生物资源监测和生境测绘中得到广泛应用。例如，在动物资源的监测评估方面，利用成像声呐和多频声学方法，实现了礁区鱼类大规模的识别、生物量和规格大小测算等[3]。在植物资源的监测评估方面，利用回声探测开展了大规模海底植被调查，并在渤海唐山沿海海域发现中国面积最大的鳗草海草床，充分展示了声呐技术在大空间尺度资源环境监测中的高效率优势[4]。此外，基于声学标记技术可用来研究礁区鱼类的生境利用规律，在追踪与揭示礁区鱼类不同季节生境利用规律提供重要技术支撑，而基于侧扫和多波束声呐技术可对人工鱼礁进行实况监测，在测算和评估人工鱼礁的布局特征、空方数量以及礁体是否下沉倾覆等关键产业问题上得到应用。

1.3 生态系统结构和功能研究

生态系统结构包括形态结构与营养结构两大部分。当前，海洋牧场生态系统形态结构的研究已经有较多案例，比如优势物种的种群结构、生长模式及资源量分布；在礁体附着生物、底栖生物、岩礁鱼类的群落结构以及与礁区内外环境因子的关系，增殖放流种群结构时空动态变化跟踪模拟等方面研究也取得了较大进展[5]。生态系统营养结构主要反映在食物网结构，食物网通过描述生产者与消费者之间的相互联系，成为描述生态系统生物间相互作用关系、揭示生态系统脆弱性以及优化生态系统结构的重要研究切入点。摄食生态则是食物网刻画的基本内容，目前常用的手段是通过胃含物分析结合稳定同位素、分子条形码等技术，以揭示海洋牧场不同物种的摄食强度、食物组成、生态位及摄食竞争等规律，进而构建食物网结构[6-8]。

能量流动与物质循环是生态系统的两大基本功能。海洋牧场物质循环与能量流动在食物链和食物网水平都有研究，例如定量描述牧场能量流动与物质循环特征，包括对牧场不同营养级间能量传递效率、生物生产力、能量物质的循环利用效率等方面研究。相关研究主要关注的科学问题多集中在不同有机质源对海洋牧场生态系统物质循环的贡献、海洋牧场内不同营养级之间的能量传递过程、海洋牧场物质和能量利用方式的时空差异等；由于构建生态系统模型需要耗费较大的人力物力，目前国内外对于海洋牧场生态系统水平的研究仍然相比较少[9]。虽然我国在利用生态路径（Ecopath）模型对海洋牧场能量流动与物质循环特征的评估方面积累了较多经验[10-11]，但在综合水动力过程、地球化学循环过程、食物网等子模型，用于牧场和人工鱼礁的能量流动与物质循环特征研究的生态系统动力学模型研究方面相比国外仍处于跟跑状态[12-13]。

1.4 生物承载力评估

基于生物承载力评估的海洋牧场建设是实现现代化海洋牧场建设和管理的核心内容。生物承载力评估根据评估的出发点可分为4 个层面：①综合考量环境因子、生物适应性和政策规划的适宜海域内可容纳的最大生物数量；②由初级生产力或饵料数量决定的生物最大可增殖的密度；③在不影响生态系统各功能群平衡的前提下的最大增殖密度；④协调社会经济因素和生态效益的生物最大增殖密度[14-15]。

对于不同出发角度的生物承载力评估，可选用不同的工具和模型，比如地理信息工具、生长模型、生态动力模型等。目前我国已在多处国家级海洋牧场示范区开展了生物承载力评估的研究和示范工作，并作为海洋牧场建设中“生态优先”的重要参数。例如，采用Ecopath模型评估了荣成俚岛海域、唐山祥云湾海洋牧场、莱州湾海洋牧场的鱼类、刺参、皱纹盘鲍等物种的承载力，采用基于营养盐限制模型评估了獐子岛海洋牧场的贝类承载力等[16-17]。当前，Ecopath 模型逐渐成为较为主流的海洋牧场生态承载力评估方法，且应用范围逐渐扩大。

2 海洋牧场监测评估研究存在的问题

2.1 环境预测及安全保障技术体系不足

人工设施投放对水动力和营养要素循环过程影响的监测和模拟研究仍有待提高。在目前海洋牧场建设规模快速增加的背景下，我国近岸礁体投放规模不断增加，但人为建造活动带来的物理海洋学效应评估相对薄弱，礁体物理稳定性以及是否发生礁体漂移、倾覆、淤积和沉陷等风险的评估不够，海洋牧场设施投放后对水文水动力、泥沙输运、岸线侵蚀等作用的监测和模拟重视不足。同时，投礁设计和布局仍主要依赖经验积累和借鉴，一般是以礁体不明显阻碍水流、不投放到过软底质等定性和半定量数据为参考，缺少该研究方向系统性研究的支持，间接影响了我国礁体设计和性能改进技术的进步。

对环境变动的预测、生态效应评估和应对方案不足。环境波动、极端天气及全球变化对水生生物和生态系统的影响已受到全球广泛关注。工业革命以来海水pH 已经降到8.1，达到200 万年来的历史最低点，预计到2100年pH将继续下降0.3~0.5单位[18]。全球重度低氧区也已经超过500 个，本世纪末海洋溶解氧含量将有1.5~4%的净损失[19]。近几年，我国黄渤海海洋牧场内海参等典型高值海产品因极端天气而损失的案例常有报道，因此我国海洋牧场建设应密切关注海洋生物对全球气候变化的响应和适应，加强高温、缺氧等极端气候的预测和应急补救对策，延伸和发挥生态牧场在管控和预警上的优势。同时加强礁体投放后环境效应和生态效应的研究，其中尤以礁体投放是否引起海流严重减缓、溶解氧收支变化等风险为主。

对突发生态灾害的预测、效应评估和应对方案不足。赤潮、绿潮、水母等生态灾害暴发是海洋牧场平稳运营的重要生态威胁，国内外对其暴发机制和生态效应的研究已经较为广泛，在海洋牧场海域，其生态灾害的影响主要体现在有害物质释放或被牧场生物滤食/摄食、营养物质竞争、藻华或水母死亡沉降而引起海底生境破坏及食物网的级联影响等。通过监测评估海洋牧场生物类群与致灾生物关系，从生态系统运行机制上入手加强对海洋牧场生态灾害的防控应，防范生态灾害发生或降低生态灾害的危害程度。

2.2 生物资源及补充机制的精细化监测技术不足

岩礁性生物监测仍有技术难点。海洋牧场海域生物群落有较大比例的岩礁性生物，因礁体遮挡致使视频、声学手段受限，无法实现准确监测，因此常出现“踪迹难觅、来去难知”的现象。以刺参为例，虽其运动缓慢易于潜水观察、取样和计数，但因昼伏夜出、在礁石区藏匿和夏眠等特殊行为影响，致使其现存量和种群变动仍评估困难。

长断面与大尺度的生物资源高效监测技术缺乏。大部分恋礁性鱼类虽然不是洄游性物种，但其短距离迁徙行为也足以游出海洋牧场海域，进而降低了监管者对海洋牧场生物的监控能力。而声学探测可实现远距离与实时性观测，通过借鉴鱼道和河道内鱼群监测的原理，加强对于近海牧场海域渔业物种的声学回声特征的测量和模型计算，进而通过声学探测系统的垂直探测、横向探测等不同应用方法组合应用在海洋牧场生物监测领域，应用前景广泛。

海洋牧场中重要饵料生物和关键物种的补充机制研究较少。在国际海洋牧场领域，人工鱼礁区生物量的增加是吸引聚集而来还是繁殖生产而来已经争论多年，对于我国海洋牧场同样存在这样的问题。尤其是充分依靠自然生产力的渔业生态系统，必须重视经济物种本身以及其饵料生物的补充过程研究，并查明环境因子和人为干扰的响应。以烟台一处国家级海洋牧场为例，企业自建牧场与周边岛屿存在明显连通性，海参成体生长和苗体附着发育的适宜区域都存在，目前已形成了苗种自然产生和补给的良性循环，只需要少量投放海参苗，即可实现海参生产采收，也侧面反映出海洋牧场重要生物补充机制研究的重要性。

2.3 生态系统水平的研究及模拟评估仍有不足

海洋牧场生态系统评估模型研究的海区边界如何确定仍缺乏理论研究。开放海域中的海洋牧场是具有物理边界的“斑块生境”，但其与毗邻海域之间物质交换作用显著，比如水交换带来的饵料补充、牧场生物的主动迁入与迁出、生物外出索饵等，致使其生态系统的边界并不明显。因此，在模型研究中将海洋牧场生态系统近似等于礁区之内的生态系统是否妥当仍需要深入探讨和研究。另外，对于多处海洋牧场连通、及海洋牧场与岛屿连通等情况的生态系统模型构建案例较少。

海洋牧场生态动力学模型应用相对较少。目前我国对于牧场食物网模型的研究多基于“静态”假设开展，对海洋牧场内部的生态动力学过程关注不足，比如我国北方海洋牧场食物网结构的季节变化和年纪变化、牧场及毗邻海域间生物迁入迁出效应、生物地球化学过程等缺乏系统研究。同时海洋牧场生态系统也会逐渐发育和成熟，因此对于海洋牧场生态系统模型的评估应重视在时间尺度上的对比分析，为我国海洋牧场建设与运营提供重要支撑。

岩礁生物资源数据获取的准确性影响模型准确度。海洋牧场复杂的生境结构增加了海洋牧场鱼类、底栖动物等生物资源量精准量化的难度，传统的流刺网、地笼调查、声学、水下摄像的调查方法对查明海洋牧场人工鱼礁不同生物资源量大小均存在明显不足，尚无有规范有效的牧场生物资源调查方法，也使生态系统模型评估的准确性尚存疑问。同时微食物网是海洋生态系统食物网结构的重要组成部分，微食物网生物被中型浮游动物以及贝类生物捕食，成为海洋牧场高营养级生物的重要能量来源，然而我国海洋牧场微食物网结构及对渔业食物网的级联影响，目前尚无系统研究涉及。

3 举措和建议

3.1 生物资源监测新技术研究和应用

提高海洋牧场生物的精细化监测技术水平。建立海洋牧场生物图像和视频数据库，加强岩礁性鱼类、大型无脊椎生物的视频识别、跟踪和测量技术，突出视频测量技术的可视化与可测量化。测定海洋牧场不同生物类群的声学响应特征，增加多频声学方法、成像声呐等技术在礁区多物种识别、规格和生物量测量上的应用，发挥水声学监测范围大与效率高的优势。

加强海洋牧场关键物种自然补充过程机制研究。加强海洋牧场海域重要生物资源的生境利用规律及季节性迁移规律研究，提高对岩礁性生物资源的季节变动的认知水平。在现有浮游动物监测装置的基础上，突破海洋牧场经济物种浮游期影像信号的精确采集和识别，研发重要生物资源在浮游期的在线监测装置，实现刺参、鲍、鱼类等生物幼体丰度的实时监测，加强重要生物资源在浮游幼体补充来源、亲体数量、关键生物和生态过程的监测和机制研究。

3.2 多学科交叉的环境和生态效应模拟及评估

目前，海洋牧场监测评估研究已进入了多学科交叉阶段。在国家和企业层面都非常重视现代化海洋牧场的建设和监测评价技术突破，预期未来将有更多的海洋牧场监测活动和监测数据积累，而更多海洋牧场深入的问题探索需要联合物理海洋学、地球化学、海洋生态学以及计算机科学等各领域，通过数学模型联合构建与机理、机制研究互相驱动，加深对问题的阐释和应用。

重视不同尺度下海洋牧场监测评估研究。随着海洋牧场建设规模扩大，各海洋牧场海域之间、海洋牧场与毗连自然生境之间的连通性将不断加强，可预想未来海洋牧场生态系统的关注尺度将从当前单个海洋牧场海域尺度，逐步扩大为多海洋牧场连通的海域尺度或海洋牧场与周边生境联通的尺度，乃至较大规模的海洋牧场群与毗邻海域构成的海湾尺度等；因此，不同尺度下海洋牧场生态系统的研究和模拟应该得以重视，支撑我国近海农牧业的可持续发展。

3.3 重视在生态系统尺度的海洋牧场监测评估

重视海洋牧场作为新型生态系统的研究。建立规范有效的海洋牧场生物资源调查方法，提高牧场生物资源调查数据的准确性与精确性，为牧场生态系统评估提供有效基础数据支撑。调查牧场功能区划、水动力特征、建设模式等对生态系统能量流动和营养结构特征的影响。掌握海洋牧场及毗邻海域生态系统关联程度，调查牧场与邻近海域之间物质交换、鱼类迁入迁出规律。掌握海洋牧场微食物网结构，研究牧场微食物网能流通量，查明牧场微食物网能流过程对经典主食物网能量补充量的大小及其影响。重视海洋牧场生态动力学模型的发展，综合考虑水文水动力过程、生物地球化学过程和生态过程，以增强生态系统模型的预测能力。

3.4 海洋牧场监测评估标准规范制定

当前，海洋牧场的评估工作主要依照农业农村部《国家级海洋牧场示范区年度评价及复查办法（试行）》、《SC/T 9417-2015 人工鱼礁资源养护效果评价技术规范》、《DB37T 2982.4-2017 海洋牧场建设规范第4 部分：监测与评价》、《GB/T 12763.1-2007 海洋调查规范》与《GB 17378.1-2007 海洋监测规范》等。但是因海洋牧场产业复杂、发展模式多样等原因，现有评估标准和规范仍有未尽之处。

进一步完善海洋牧场监测评估的国家、行业标准和企业标准，考虑不同海洋牧场建设和发展模式，明确海洋牧场监测评估的侧重点，涵盖从设计、建设、管理各阶段，从生态系统角度入手提供规范参考，完整评估现代化海洋牧场的生态系统服务价值，并防范生态风险。进一步规范企业常规监测项目的实施，激励企业培养科研支撑人员，提高企业常规监测能力，由专业科研机构和企业科研中心协同开展监测。