基于漂流浮标刻画海洋牧场流场及其对海洋牧场空间协同建设的启示

汤圣铭，高君奇，章守宇，梁 君，姜亚洲，徐开达，李 珺，徐 鹏

（1.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；2.浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316021；3.中国水产科学院东海水产研究所，上海 200082；4.国家海洋局东海环境监测中心，上海 201206）

海洋牧场（marine ranching），也被誉为“蓝色粮仓”，旨在恢复近海渔业资源、修复渔业水域环境并促进近海渔业可持续发展。自日本于1971 年提出海洋牧场概念以来，各国在海洋牧场建设实践中不断加深认识，海洋牧场的内涵也随着时代发展不断丰富[1-4]。一直以来，中国的海洋牧场建设始终以人工鱼礁投放与增殖放流为核心内容[5]。

在海洋牧场建设过程中，科学选址与规划布局一直是学者们关心的重要问题[6]。我们主张在海洋牧场选址与规划布局过程中，要充分考虑牧场及周围海域背景流场的情况，以期达到空间协同的效果。这里的空间协同有2 层含义，其一为场内（海洋牧场内）尺度上，牧场内各功能区由背景流场相互连通；其二为场际（海洋牧场间）尺度上，各个牧场也由背景流场相互连通。借助流场的输运作用，物质传递效率必将大大提升，从而可以更好地发挥海洋牧场的渔业资源养护修复作用。

中街山列岛海洋牧场是2015 年全国首批国家级海洋牧场示范区之一[7]，位于舟山群岛东部，岛礁密布，水道纵横交错，海洋资源种类繁多，海洋渔业发展环境十分优越。该海域贝、螺、藻类资源丰富，传统网箱养殖和贻贝养殖具有一定规模，是曼氏无针乌贼Sepiella maindroni 的重要产卵场，同时也是厚壳贻贝Mytilus coruscus、荔枝螺Thais 等生物的高产区。由于水质清澈、环境优美，随着海岛旅游的兴盛，该地的旅游和休闲渔业也迅速发展起来[8]。本研究以中街山列岛国家级海洋牧场为实验区域，基于自主研制的漂流浮标刻画出海洋牧场流场，并为牧场的空间协同建设提出建议。

1 实验方法

1.1 漂流浮标的工作原理与流程

本研究所用浮标为团队自主研制的一款低成本便携式近海漂流浮标。该浮标主要由定位器与浮标支架系统构成（图1）。其中定位器集成了GPS 和GPRS，可以完成卫星定位和数据传输。这类技术已被广泛应用，成本低且已十分成熟。浮标支架系统包括不锈钢支杆、PVC 泡沫浮球和不锈钢十字帆。定位器经过水密处理后固定于不锈钢支杆顶端，在漂浮时可与海面保持40 cm 左右的距离。这是本款漂流浮标设计的最大特点之一，可以大大降低定位器的水密压力。不锈钢十字帆的设计有利于保障浮标的随水性。浮标整体重心位于十字帆处，这有利于浮标在海中姿态保持稳定。泡沫浮球为漂流浮标提供浮力。注意浮球既不能太大，会增加风阻；也不能太小，必须要为浮标提供足够浮力。

图1 便携式漂流观测系统结构图Fig.1 Structure diagram of portable drift observation system

图2 为漂流浮标的工作流程图，浮标定位器通过GPS 获取定位信息，然后通过民用移动通信网络GPRS 将数据上传至服务器端，最终由手机和电脑客户终端发起对服务器端中数据库的访问。同时，我们可以在终端设置浮标采样频率，在本研究中设置为10 min。浮标采集到数据后会实时发送至服务器端。客户终端交互性强，可视化程度高，可以在同一界面查看多个浮标的漂流状态。

图2 漂流观测系统工作流程Fig.2 Workflow of drift observation system

1.2 漂流浮标的布放

自2015 年成立以来，中街山列岛国家级海洋牧场设置了4 个重要的功能区[9]（图3），其中庙子湖岛东侧为牧场示范区，该区域主要投放人工鱼礁和藻礁。鱼礁不仅用于诱集鱼类进行捕捞，而且给鱼类提供起到保护、培育鱼类资源作用的良好生息繁殖场所，同时可以诱集、培育许多不同的虾类、蟹类、贝类等[5]。藻礁用于海藻资源的修复。庙子湖岛西侧为碳汇渔业区，主要布设厚壳贻贝养殖筏架。贻贝可以滤食海中有机碎屑从而形成碳汇，助力国家双碳战略。人工鱼礁区是海洋牧场的核心功能区。为了充分发挥海洋牧场的生态功能，比较理想的情况是令其他功能区与鱼礁区空间协同建设，即可藉由潮流或海流相互连通，从而实现牧场内物质的高效传递。近年来，浙江省陆续在青浜岛东侧和西福山西北海域陆续增加了网箱养殖和筏式养殖区，主要养殖品种为大黄鱼和厚壳贻贝，充分利用中街山列岛优良的养殖环境，进一步完善了中街山列岛海洋牧场的功能区建设。

为了刻画中街山列岛国家级海洋牧场的流场，研究团队于2021 年5 月、2021 年10 月和2022 年1 月在中街山列岛海洋牧场海域分别布放了7、7 和4 个漂流浮标。浮标布放的具体位置是海洋牧场的各个主要功能区（图3），其中A1、A2 和A3 分别为海洋牧场中的碳汇渔业区、牧场示范区和筏式-网箱混合养殖区。由于网箱养殖区与牧场示范区位于同一水道，我们只在牧场示范区A2 布放了浮标。考虑到A1 处布放的漂流浮标有时会被其所在的岙口捕获，2021 年10 月及以后的航次我们将A1 站位调整至A4[10]。

图3 中街山列岛海洋牧场布局和试验区域Fig.3 The layout and test area of the Zhongjieshan Islands National Marine Ranching

2 结果与讨论

2.1 中街山列岛国家级海洋牧场内功能区的空间协同

图4 中五边形表示浮标的布放位置，圆点表示浮标漂流过程中获取的坐标数据，方点标注了浮标布放后的历时小时数。漂流浮标轨迹显示，中街山列岛国家级海洋牧场海域潮流呈顺时针旋转。自牧场示范区布放的漂流浮标，先向南移动再折向北漂流，经过1 h 左右便可到达西福山岛西北侧，贴近筏式-网箱混合养殖区，并最终经过约12 h，到达碳汇渔业区附近。潮流的输运作用将为牧场示范区与碳汇渔业区之间构建一条快速物质输运通道，牧场示范区的海藻等有机碎屑以及浮游生物等可经过潮流输运快速到达碳汇渔业区供给厚壳贻贝利用。

图4 自牧场示范区布放的一个漂流浮标轨迹Fig.4 The track of a drifting buoy deployed from the ranching demonstration area

2.2 中街山列岛国家级海洋牧场与浙东海域其它海洋牧场的空间协同

近海潮程通常只有O（10）公里的量级，因此潮流不太可能在海洋牧场间的连通上发挥重要作用，海洋牧场间的空间协同需要关注潮际空间尺度上漂流浮标的轨迹。如图5 所示，不同颜色代表不同浮标的漂流轨迹，2021 年5 月共在中街山列岛海洋牧场布放7 个漂流浮标，其中工作时间最长的一个达到20 d，工作时间最短的也达到5 d。由于撞上岩礁而损坏、漂流出通信讯号覆盖范围以及电池耗尽等，不同浮标的工作寿命不尽相同。本航次布放的漂流浮标在其工作周期内全部被约束于舟山海域，且其轨迹基本沿舟山群岛东南廓线排布。7 个浮标中有4 个沿廓线向南漂流，可到达普陀东部海域白沙、桃花岛、六横岛等海洋牧场；有1 个沿廓线向北漂流，最终漂流至马鞍列岛海洋牧场；还有2 个先沿廓线向南漂流，后又折向东北。在舟山群岛的主要海洋牧场中，只有东库黄礁牧场未有漂流浮标经过。

图5 2021 年5 月漂流浮标的运移轨迹Fig.5 The movement trajectory of the drifting buoy in May 2021

2021 年10 月和2022 年1 月布放的漂流浮标轨迹呈现出与2021 年5 月布放的漂流浮标轨迹完全不同的空间分布结构（图6、7）。10 月和1 月的漂流浮标不再被约束于舟山海域，而是沿浙江海岸快速南下，并在约4、5 和8 d 后经过渔山岛、大陈岛、南麂岛等海洋牧场。这些漂流浮标轨迹清晰地刻画出秋冬季节浙东海域存在的一支非常强的沿岸流，该沿岸流自北向南，可将中街山列岛海洋牧场与渔山岛、大陈岛、南麂列岛等海洋牧场相连通。根据中街山列岛至大陈岛的距离以及浮标在两地之间的漂流时间，本文算得该沿岸流速度约为0.5 m·s-1。基于该沿岸流的位置与强度，本文认为其很可能就是浙闽沿岸流[11]。中街山列岛位于该沿岸流的上游，所以中街山列岛海洋牧场的物质可藉由该沿岸流快速输运至下游海洋牧场。

图6 2021 年10 月漂流浮标的运移轨迹Fig.6 The movement trajectory of the drifting buoy in October 2021

中街山列岛海洋牧场可藉由海流与浙东其它海洋牧场相互连通从而对增殖放流工作有重要启示。浙江省海洋水产研究所曾于2020 年9 月在中街山列岛海洋牧场放流条石鲷Oplegnathus fasciatus，回捕结果显示，放流的条石鲷全部向南移动，最远在150 km 外的渔山岛海域被钓获（图8）。中街山列岛位于舟山群岛南部，考虑到舟山海域的环境同质性明显（皆为岛礁海域），放流的条石鲷幼鱼向南移动而非向北，很可能是受到沿岸流输运的结果。因此，牧场区海洋环流系统对于放流鱼类的再分布进而对于海洋牧场之间的空间协同具有重要意义。由于中街山列岛海洋牧场位于沿岸流上游，故本文建议未来浙江省的增殖放流可向中街山列岛海洋牧场集中，放流的幼苗可借助海流分布至浙江省其他主要海洋牧场。

图7 2022 年1 月漂流浮标的运移轨迹Fig.7 The movement trajectory of the drifting buoy in January 2022

图8 根据回捕信息推断的放流条石鲷移动路线Fig.8 The movement route of the released sea bream deduced from the recapture information

漂流浮标的轨迹显示中街山列岛海洋牧场的海流呈现出明显的季节变化。5 月时，海流被约束于舟山群岛东南廓线附近，以中街山列岛为中心，向两侧流去。10 月和1 月时，海流沿浙江海岸迅速南下。中街山列岛海洋牧场海流的这种季节变化主要是受长江冲淡水的影响。夏季时，长江冲淡水冲向济州岛方向[12]，所造成的盐度锋面大约沿着舟山群岛东南廓线。此时，中街山列岛海洋牧场的海流沿锋面（即群岛东南廓线）流动。秋冬季节时，长江冲淡水沿岸南下，并汇入浙闽沿岸流[13]。此时，中街山列岛海洋牧场的海流受浙闽沿岸流控制，沿浙江海岸南下。表1 汇总了3 次浮标布放工作在潮际尺度上的轨迹特征。

表1 浮标布放信息汇总Tab.1 Buoy deployment information summary

3 结论

漂流浮标的结果显示，场内尺度上中街山列岛国家级海洋牧场内的牧场示范区与碳汇渔业区及筏式-网箱混合养殖区可藉由潮流相连通，形成空间协同。场际尺度上，中街山列岛国家级海洋牧场可藉由海流与浙江省其他主要海洋牧场形成空间协同。春夏季节时，中街山列岛国家级海洋牧场可与普陀东部白沙、桃花岛、六横岛等海洋牧场连通。秋冬季节时，中街山列岛国家级海洋牧场可与渔山岛、大陈岛、南麂列岛等海洋牧场连通。因此，本文建议未来浙江省的增殖放流工作可向中街山列岛海洋牧场集中，放流的游泳能力弱的增殖苗种可借助海流分布至浙江省其他主要海洋牧场。

在中街山列岛国家级海洋牧场的实践说明基于本团队自主研制的漂流浮标可以成功刻画海洋牧场的流场，其中既包括潮下尺度的潮流，也包括潮际尺度的海流。以流场为基础，可为海洋牧场的空间协同建设提供重要指导和参考，从而提高海洋牧场的物质流通效率，达到空间协同效果。因此，基于漂流浮标刻画海洋牧场流场并对海洋牧场空间协同建设提供指导和建议是行之有效的，这一方法可为我国其他地区海洋牧场的空间协同建设提供一些借鉴和启示。