大海生物養護技巧發展趨向范文
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作者：張立斌楊紅生單位：中國科學院海洋研究所青島
1基本原理
生境修復與生物資源養護原理的主要研究內容包括生態系統結構、功能以及生態系統內在的生態學過程與相互作用機制，生態系統的穩定性、多樣性、抗逆性、生產力與可持續、先鋒群落與頂級群落的發生、發展機理與群落演替規律，不同干擾條件下生態系統的受損過程及其響應機制，生態系統退化的診斷及其評價指標體系，生態系統退化過程的動態監測、模擬、預警及預測等。對一個完整的生態系統修復工程而言，生態系統的各個組成部分都需要在原位經過自然的生態過程，因此，事實上各生態學原理均可應用于生態恢復的實踐中。生態系統修復涉及的基本原理主要有限制因子原理、能量流動原理、種群密度制約及分布格局原理、生態適應性理論、生態位原理、演替原理、生物入侵理論、生物多樣性原理、功能群構建原理等。其中，干擾與演替原理、功能群構建原理是應用于海洋生態系統恢復中的重要原理。
2基本過程
修復行為實質上是對生態系統的一次新的干擾，很難保證所有修復行為均對目標系統的修復起到正效應。要想系統向預期方向發展，需要有科學的理論框架，制定合理的修復方案，并對方案進行可行性論證。Zedler以濕地生態系統的修復為例，將生態恢復的整個過程劃分為5個不同的階段，即目標設定—開發概念模型、恢復區域的選址優化、原地非生物環境的操控、原地生物區系的操控、生態系統維護等。
Clewell等將生態恢復的過程分為修復計劃準備、生態系統健康狀況評估、修復計劃制定論證、修復行動實施、修復后評估和管理等5個階段，并指出了生態修復過程中涉及的51條指導原則。
海洋生境修復和生物資源養護設施
1人工魚礁
人工魚礁(artificialreef)是人為放置在海底的一個或多個自然或者人工構造物，它能夠改變與海洋生物資源有關的物理、生物及社會經濟過程，并可改善海域生態環境，營造海洋生物棲息的良好環境，為魚類等提供繁殖、生長、索餌和庇敵的場所，達到保護、增殖和提高漁獲量的目的。用于建造人工魚礁的材料種類很多，礁體材料的選擇直接影響礁體的結構特征和礁區生物的增養殖效果。根據材料的來源不同，人工魚礁使用的材料可分為天然材料、廢棄材料和人造材料等3大類。礁體設計對人工魚礁效果的發揮至關重要，主要包括礁體材料、重量、形狀、幾何尺寸、內部結構等因素。礁體的材料、重量、尺寸、結構復雜性、表面粗糙度等應根據規劃要求與生物因素和水動力學特征相適應。根據投放的不同目的和用途，人工魚礁可以分為增殖型魚礁、漁獲型魚礁和游釣型魚礁等3種。
2增殖礁及增養殖設施
根據增殖對象生物不同，人工魚礁可分為藻礁、鮑礁、參礁等，而增殖海參、鮑等海珍品的礁體可統稱為海珍品增殖礁，又稱海珍礁，。由于礁體可以保護刺參、鮑等海珍品免受敵害侵擾，并可為增殖海珍品提供食物來源和遮蔽場所，因此，海珍礁廣泛應用于中國的海珍品增養殖中。在我國，很多種材料被用作刺參的人工附著基或礁體，例如石塊、瓦片、混凝土構件、扇貝養殖籠、編織布、塑料構件，甚至柞木枝等。
作者所在的研究團隊針對近岸泥沙質海灣、離岸開放海域和靜水圍堰等增養殖生境的受損現狀和刺參、鮑等海珍品的生態習性，發明了適用于近岸海灣的牡蠣殼海珍礁及其配套制作裝置、貝類排糞物再利用裝置，適用于離岸開放海域的大型藻類抗風浪沉繩式養殖設施、“海龍I型”底播式海水增養殖設施，以及適用于圍堰的多層板式立體海珍礁：這些設施設備實現了對不同類別生境的有效修復和高效生態增養殖，為海洋生境修復與海水增養殖產業高效健康發展提供了裝備支撐。
海洋生境修復和生物資源養護技術
1海洋生境修復與改良技術
1.1海草床修復技術
海草是單子葉草本植物，通常生長在淺海和河口水域。海草床對海域生境的修復和改良具有重要的生態作用，海草群落不僅是海洋初級生產者，具有高的生產力和固碳能力，還可起到穩定底泥沉積物、改善水體透明度及凈化海水的作用；同時，海草還是許多海洋動物重要的產卵場、棲息地、隱蔽場所及直接的食物來源，在全球C、N、P循環中具有重要作用。據《世界海草地圖集》顯示，1993年到2003年，全世界已經有約26000km2的海草床消失，達到總數的15%。海草床的衰退引起了人們的高度關注，許多國家都開展了海草床恢復方法的研究工作。海草床的恢復主要依靠海草的種子或者構件(根狀莖)，主要的方法有生境恢復法、種子法和移植法。
生境恢復法投入少、代價低，但周期長。移植法恢復大葉藻海草床是較為常用的方法，主要有草皮法、草塊法和根狀莖法，草塊法成活率高，但對原海草床有破壞作用；根狀莖法節約種源，但固定困難。應用種子來實現低成本、高效率、大規模的恢復海草床也是當前研究的熱點，種子法破壞小，但種子難收集、易喪失、萌發率低。
1.2牡蠣礁修復技術
牡蠣礁(oysterreef)指目前正在生長及挽近剛停止生長的、裸露于河口洼地中的牡蠣殼堆積體。牡蠣礁在凈化水體、提供棲息生境、促進漁業生產、保護生物多樣性和耦合生態系統能量流動等方面均具有重要的生態功能。美國切薩皮克灣(ChesapeakeBay)由于人類活動的影響而引起了生境的退化(富營養化和大葉藻藻床的破壞)及生物資源的衰退(美洲牡蠣數量大為減少)。近年來，弗吉尼亞海洋科學研究所(VirginiaInstituteofMarineScience)的科學家實施了牡蠣礁恢復計劃，對礁體生物學、群落發生和營養動態進行了系統研究，并對恢復情況進行了追蹤，如Harding研究了恢復的牡蠣礁區域浮游動物群落豐度和組成的水平分布和時間變化，作為切薩皮克灣牡蠣礁恢復進展的潛在標準。該系列研究對當地牡蠣礁的成功修復起到了重要作用。牡蠣礁的修復主要通過結合防浪堤設置專用礁體以及利用牡蠣殼礁體兩種方式實現。
1.3珊瑚礁修復技術
珊瑚礁(coralreef)是石珊瑚目的動物形成的一種結構，它們是成千上萬的由碳酸鈣組成的珊瑚蟲的骨骼在數百年至數千年的生長過程中形成的。珊瑚礁被稱作“熱帶海洋森林”，其生態系統具有很高的生物多樣性和重要的生態功能，珊瑚礁為許多動植物提供了生活環境，其中包括蠕蟲、軟體動物、海綿、棘皮動物和甲殼動物，此外，珊瑚礁還是大洋帶的魚類的幼魚生長地。
由于全球氣候變暖、自然災害、海水消耗、過度捕撈、海水污染等原因，導致珊瑚礁的衰退現象嚴重。世界珊瑚礁現狀調查顯示，全世界19%的珊瑚礁已經消失，15%的珊瑚礁在10~20年內將有消失的危險，20%的珊瑚礁在20~40年內將面臨消失。珊瑚礁生態修復的主要方法包括有性生殖法(sexualreproduction)、珊瑚移植法(transplantation)、底質改良法等。有性生殖法是通過自然產卵產生的珊瑚幼蟲來培育珊瑚幼體，再將幼體進行移植；珊瑚移植是把珊瑚整體或者部分移植到退化區域，以改善退化區的生物多樣性，這是過去幾十年來修復珊瑚礁的主要手段；底質改良是通過穩固底質或在底質中增加化學物質，以吸引珊瑚幼蟲的附著和珊瑚的生長。
1.4人工魚礁構建技術
人工魚礁水動力學特征研究可以為人工魚礁的選址和設計的優化提供科學依據。了解人工魚礁水動力學性能需要首先研究人工魚礁受水流作用時受力的情況和人工魚礁內部及其周圍流場的實際分布情況，其研究方法主要有理論分析、模型實驗和數值模擬等。黑木敏郎與中村充在回流水槽中，觀察和測定了圓筒形、四角形魚礁模型周圍水流的變化。Fujihara等運用數值計算法對設置魚礁后的定常層流水域的流場變化進行研究，得到了魚礁流場的上升流范圍及分布特點。國外學者的研究表明：在魚礁的阻流作用下，魚礁下游的流場根據紊動程度可分為3個區域：紊流區、過渡區和未受擾動區。通透性礁體和非通透性礁體所產生的紊流區長度比和高度比均不同，通透性礁體的高度比小于1，長度比小于4，而非通透性礁體的高度比一般要大于1而略小于2，而長度比小于14。
合理的選址是人工魚礁規劃設計的基礎。人工魚礁投放區域的選擇是否合理關系到其功能能否正常發揮，投放區域不當會造成人力與財力的損失，并有可能對生態環境造成破壞。李文濤等認為人工魚礁的選址涉及地質科學、海洋科學、氣象科學、生物科學、社會學等多個學科，需要考慮海洋物理環境、生物環境和社會等多種因素，其中國家的海洋功能區劃以及海底底質類型、水深、水流等因素在人工魚礁的選址中是必須首先考慮的；王飛等根據水深、底質類型、地形坡度、生物密度、平均流速、離岸距離等影響人工魚礁選址的因素，并根據各影響因子的重要性程度確定其權重，建立了舟山海域人工魚礁選址的多因子綜合評價模式。
Tian對臺灣省老鼠嶼沿岸海區的五個預選礁區進行了綜合性的選址研究，研究內容包括了海底地形、地貌、底質特性以及海況，調查中使用了回聲測深儀、旁掃聲納、重力巖心提取器、地質測試儀、GPS、ADCP(多普勒流速剖面儀)和ROV(水下機器人)等先進的儀器設備。
2海洋生物資源養護技術
2.1人工增殖放流技術
增殖放流是恢復漁業資源、優化水生生物群落結構、提高漁業生產力的有效手段，其形式是通過向天然水域投放魚、蝦、蟹、貝類等各類漁業生物的苗種來達到恢復或增加漁業資源種群數量和資源量的一種方法。19世紀中期，美國、加拿大對紅點鮭進行了移植孵化實驗，后來又將一種溯河性鯡魚從北美大西洋沿岸移植到太平洋沿岸，并形成了有價值的自然種群。挪威、英國、丹麥和芬蘭也先后進行了鱈魚和鲆鰈類的資源增殖工作。日本于20世紀60年代提出“栽培漁業”概念，并在瀨戶內海進行了對蝦、真鯛、梭子蟹和盤鮑的放流增殖工作，至2002年，日本放流水產苗種已達83種。
長距離洄游的大麻哈魚類是目前世界上規模最大、最有成效的增殖種類，前蘇聯、日本、美國和加拿大等國先后進行了大麻哈魚的增殖放流，放流數量每年高達30余億尾，回捕率高達20%。目前世界上有94個國家開展了增殖放流工作，其中64個國家開展了海洋增殖放流工作。
我國近海漁業資源放流工作起步較晚，自20世紀70年代中后期開展對蝦增殖放流以來，已經開展了海蜇、三疣梭子蟹、金烏賊、曼氏無針烏賊、梭魚、真鯛、黑鯛、大黃魚、牙鲆、黃蓋鰈、六線魚、許氏平鲉等游泳生物以及蝦夷扇貝、魁蚶、海參以及盤鮑等底棲生物增殖放流工作，其中中國對蝦的增殖和移植、海蜇的增殖、蝦夷扇貝的底播移植等工作已初具生產規模和顯著的經濟效益；但在增殖放流過程中，存在管理體制不夠健全、資金投入相對不足、科學研究相對薄弱，缺乏規范的增殖放流技術規程等問題。農業部下發了《全國水生生物增殖放流總體規劃(2011—2015年)》，規范和細化了各海域增殖放流任務，提出了渤、黃、東海及南海具體適宜增殖放流的種類，對45種經濟物種的適宜放流海域進行了規劃。
2.2多營養層次綜合增養殖技術
多營養級的綜合養殖模式(integratedmulti-trophicaquaculture，IMTA)是近年提出的一種健康、可持續發展的海水養殖理念。對于資源穩定、守恒的系統，營養物質的再循環是生態系統中的一個重要過程，由不同營養級生物，如投餌類動物、濾食性貝類、大型藻類和沉積食性動物等組成的綜合養殖系統中，系統中一些生物排泄到水體中的廢物成為另一些生物的營養物質來源。因此，這種方式能充分利用輸入到養殖系統中的營養物質和能量，可以把營養損耗及潛在的經濟損耗降到最低，從而使系統具有較高的容納量和經濟產出。近年來，作者所在的研究團隊針對淺海筏式、底播和島嶼的不同特點和增養殖對象的生態特征，研發了筏式貝-藻-參綜合養殖、藻-鮑-參生態底播增養殖和離岸島嶼生態增養殖等多營養層次的綜合增養殖新技術。
3海洋牧場建設技術
海洋牧場(oceanranching)是一個新型的增養殖漁業系統，即在某一海域內，建設適應水產資源生態的人工生息場，采用增殖放流和移植放流的方法，將生物種苗經過中間育成或人工馴化后放流入海，利用海洋自然生產力和微量投餌育成，并采用先進的魚群控制技術和環境監控技術對其進行科學管理，使其資源量持續增長，有計劃且高效率地進行漁獲。建設海洋牧場需要一整套系統化的漁業設施和管理體制，如人造上升流、人工種苗孵化、自動投餌機、氣泡幕、超聲波控制器、環境監測站、水下監視系統、資源管理系統等。海洋牧場的構想最早是由日本在1971年提出。
1978~1987年，日本開始在全國范圍內全面推進“栽培漁業”計劃，并建成了世界上第一個海洋牧場——日本黑潮牧場。韓國于1994~1996年進行了海洋牧場建設的可行性研究，并于1998年開始實施“海洋牧場計劃”，該計劃試圖通過海洋水產資源補充，形成牧場，通過牧場的利用和管理，實現海洋漁業資源的可持續增長和利用極大化。美國于1968年提出建造海洋牧場計劃，1972年付諸實施，1974年在加利福尼亞建立起海洋牧場，利用自然苗床，培育大型藻類，效益顯著。我國在20世紀80年代曾提出開發建設海洋牧場的設想，90年代又有學者對南海水域發展海洋牧場提出建議，并對南海水域進行了多項綜合和專項調查，為開發建設海洋牧場提供了背景資料和技術儲備。目前中國海洋牧場的開發還僅限于投放人工漁礁和人工放流，并且由于規模較小，形成的魚礁漁場對沿岸漁業的影響甚微。
海洋生境修復和生物資源養護的監測與評價
1海洋生境修復和生物資源養護系統的監測
生態系統的監測是海洋生境修復和生物資源養護計劃的重要組成部分，監測信息的收集是決定恢復生態系統管理方式的重要環節，通過監測可以確定修復工程是否向既定目標發展。因此，制定監測實施標準和規程對于復雜的監測活動十分必要，如美國的加利福尼亞區域海帶修復計劃中制定了海帶恢復和監測規程，規程為參與潛水的志愿者列出了詳細注意事項，以保證監測的一致性和精確性；全球海草監測計劃(SeagrassNet)也制定了有關海草恢復的監測規程、野外取樣和數據處理的注意事項、科學監測手冊等。
監測主要分修復前監測和修復的長期監測。通過修復前監測，可以了解生境和生物資源的受損程度，確定現存生態系統的特點，并有助于確定恢復的目標和恢復方式。修復的長期監測是自修復計劃正式實施以后對修復的全過程進行的監測，通過長期的系統監測可以對比修復系統與自然系統的特點，便于準確確定退化生態系統修復的生態變動過程及變動方向。
2海洋生境修復和生物資源養護效果的評價
在復雜的環境條件作用下，恢復的目標和效果可能會偏離既定的恢復軌道，因此，對海洋生境修復和生物資源養護效果進行評價是十分必要的。當前對恢復和自然生態系統及其功能參數特征的變異性了解還不夠深入，因此，海洋生境修復和生物資源養護效果的評價方法與技術手段也相對復雜。生態修復效果評價的主要方法有直接對比法(directcomparison)、屬性分析法(attributeanalysis)和軌道分析法(trajectoryanalysis)。評價生態修復效果應用最廣泛的方法是直接對比法，即對比恢復的和自然的生態系統的結構與功能參數，包括生物和非生物環境參數；屬性分析法是將恢復的生態系統的屬性轉化為定量和半定量的數據，以確定生態系統中各屬性要素的恢復程度；軌道分析法是一種正處于研究過程中但比較有應用前景的方法，該方法通過定期收集恢復數據并繪制成趨勢圖，以確定恢復的趨勢是否沿預定的恢復軌道進行。
恢復的生態系統的評價標準較為復雜。從生態學角度，恢復的生態系統應包含充足的生物和非生物資源，其能夠在沒有外界協助的情況下維持自身結構和功能的持續正常運轉，且具備能夠應對正常環境壓力和干擾的抗性。國內外在采用系統模型評價修復效果方面的研究取得了一定進展。Madon等提出了用于規劃濕地恢復的生物能量學模型(bioenergeticsmodels)，該模型可以用于評估不同環境條件下魚類的生長情況，華盛頓大學的研究人員利用該模型評估了河口濕地系統恢復過程中鮭魚幼魚的生長情況。Pickering等運用成本效果分析(CEA)、成本效益分析(CBA)和條件價值評估(CVM)等方法從生態學角度評價了人工魚礁修復近海生態系統的潛力。
Pitcher等采用生態系統空間模擬技術(ECOSP-ACE)預測了香港禁捕保護區內人工魚礁的資源和漁業的效益。
海洋生境修復和生物資源養護的綜合管理
海洋生境修復和生物資源養護的管理是海域管理的重要組成部分，涉及對海洋生態系統的全面了解以及對生境修復和生物資源養護的監測與研究。海洋生境修復和生物資源養護的管理應該從規劃開始，一直持續到修復效果達到預定目標。管理的目標是保障修復行動和修復效果的有效性。近年來，基于生態系統的管理(ecosystem-basedanagement，EBM)理念得到充分重視與發展。基于生態系統的管理是一種較為先進的資源環境管理方式，其核心內容是維護生態系統的健康和可持續，該理念強調從海洋生態系統整體出發制定漁業管理決策，并運用多學科知識，加強各部門合作，實現資源開發與生態保護相協調。適應性管理(adaptivemanagement)是海洋生境修復和資源養護中強調的另一種管理模式，該模式承認恢復計劃指定過程中無法預測某些不確定發生的事件，管理的目標是解決實施過程中出現的這些不確定事件。該模式涉及附加恢復計劃的實施，恢復系統中部分區域的實驗研究、不同環境條件下的并行研究計劃實施、評估整個過程有效性的實施等。適應性管理的模式廣泛應用于海洋生境修復和生物資源養護實踐中。
海洋生境修復和生物資源養護研究展望
海洋生境的退化與生物資源的衰退引起了國內外的高度重視，在典型生境的修復、關鍵物種的保護、修復效果的監測與評價、修復的綜合管理等方面取得了較為顯著的成效，對緩解海洋生態環境的持續惡化與生物資源的持續衰退起到了重要作用；但在生境修復與生物資源養護原理、生態高效型設施設備、生境修復與生物資源養護新技術、監測評價與管理模型、標準和規范等方面開展的研究與實踐工作相對較少，也是制約海洋生境與生物資源持續利用的關鍵因素，這也必將成為未來研究工作的重點和熱點。
1生境修復和生物資源養護原理
生境修復與生物資源養護原理是開展生態系統恢復計劃的依據。不同環境條件下的演替規律、功能群結構與功能、不同干擾條件下生態系統的受損過程及其響應機制、生態系統退化的診斷及其評價指標體系依然是未來研究工作的重點。
2生態高效型生境修復和生物資源養護設施設備
生態高效型設施設備的研發是生境修復與生物資源養護工作的基礎。該領域未來工作的熱點將主要集中在生態高效型人工魚礁、藻礁與海珍品增殖礁的研發，資源與環境遠程監測設施設備的研制，水下攝像與測量儀器的研制等方面。
3環境友好型生境修復和生物資源養護新技術
生境修復與生物資源養護技術是實現預期修復效果的核心。未來研究的重點將集中在生境修復與生物資源養護關鍵物種的篩選與功能群構建技術、碳匯漁業新技術、海洋牧場構建技術、智能型遠程監測與預警預報技術等方面。
4海洋生境修復和生物資源養護監測、評價與管理模型
監測、評價與管理是修復行動有效實施的關鍵。未來研究工作的重點將集中在監測、評價與管理的智能一體化系統，監測、評價與管理的動態模型等方面。
5海洋生境修復和生物資源養護標準與規范
標準與規范是修復行動有效實施的保障。針對修復計劃的不同階段，制定涵蓋海洋生境修復與資源養護設施、技術、監測、評價、管理等相關的標準和規范，可實現對修復行動的科學指導，充分保障實施效果的有效性，這也必將成為未來該領域研究的重點工作。