海上设施的渔业资源养护功能综述

发表时间:2023/02/06 19:56:10  作者:王舒奕等  浏览次数:8110  
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合理利用海洋资源成为了各个国家的重中之重,随着开采大陆架海域的石油与天然气,以及海洋资源开发和空间利用规模不断扩大,与之相适应的近海工程成为近30年来发展最迅速的工程之一。习近平总书记在党的十九大报告中指出:“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”。为深入认知海洋、合理开发海洋、科学管理海洋提供有力的科技支撑。

随 着 海 洋 开 发 力 度 的 不 断 增 加,除 了FADs、网箱、浮筏等传统的渔业设施之外,深远海养殖平台、大型 养殖 工 船等渔 业 大 型 海 上 设施也已经投入使用,另 外 其他行 业 的 相 关 设 施包括油气 平台、航标、监 测浮 标、海 上风 电 桩 等建设数量也不断增长,这 些设置 于 海 面 上 或 海面下的设施除了起 到 原有 建 设的 功 能外,由于海洋资源的流通性,在 这 些设施 周 围就 有 可 能存在或栖息一些海洋 生物,特别 是 对于 一 些 洄游性鱼类,在洄游 过程 中 会不可 避 免 地 经 过 洄游路线上的设施,这些 设 施对鱼 类 起到 什 么 作用,是否具备一定的资源养护功能,对于我们了解这些设施的渔业功 能,以 及能 否 进一 步 对 其进行渔业开发和利用,对 于渔业 开 发和 管 理 者来说是非常重要的方向。因此本文通过明确海上设施及其分类,对不同建设目的、功能的海上设施的资源养护 功能 及 效 果 进 行总 结分 析,综述了不同海上设施的渔业资源养护功能及渔业开发功能,为下一 步 借 助 这 些 设 施 开 展 渔 业 资源的养护和可持 续开 发 提 供 参 考,也 为 海 域的综合开发利用、产业融合发展提供相应依据。

1海上设施

海上设施 作 为 海 洋 工 程 其 中 的 重 要 组 成,主要集中在近海海域,于2021年起修订实施的《中华人民共和国海上交通安全法》中有明确定义:海上设施,是指水上水下各种固定或者浮动建筑、装 置和 固 定 平 台,但 是 不 包 括 码头、防波堤等 港 口 设 施。众 所周 知,人 工 鱼 礁 是 一种人造构造物,通过 利 用 鱼 类 喜 欢 聚 集于 礁石和沉船等特性来增加渔获量的设施。而一些海上设施被建造投放 在海 洋 中,其 主 要功 能 并 不是为了增加渔获量。但仍起到了“人工鱼礁式”的作用,具有资源养护和集群增殖的效果,为海上设施的多功能化提供了方向。是否可以做到“一设施多功能”的效果有待实践的 不 断 验 证,而随着“十四五”阶段海洋资源的开发力度不断加大,海上设施开始大规模的投放建设,因此除了考虑海上设施主要 的功 能 和作 用,同 时 又能够积极发挥海上设施 的 资 源 养护 功 能,这 对于提高海洋的综合 开发 效 益将 会起 到 重要 作 用,但目前在国内对相关领域研究尚属空白。

按照建设目的和功能,海上设施大致上可分为养殖类海上设施、环境修复类海上设施、工业类海上设施、新能源类海上设施、其他类海上设施(表1),不 同 类 别 海 上 设 施 的 世 界 分 布 情 况 见图1。

表1海上设施根据建设目的和功能进行划分

图1 不同类别海上设施的世界分布情况

2海上设施的资源养护功能

2.1养殖类海上设施

2.1.1筏式养殖区

筏式养殖区由一定数量的养殖浮筏所构成,养殖筏主要通过浮绳把大量的浮子串联在一起,使其浮在水面上。每个养殖筏均需要打木桩固定于海底以抵抗海上强烈的风浪。养殖筏整体处于10~30m 的水体表面至水下的3m 的水体中。

随着筏式养殖模式的开发,养殖筏架上伴生出各种大型的海藻。海藻作为初级生产力的重要来源之一,带动着整个海洋生态系统的物质循环,对维持海洋生物活力等起到了重要作用。进而形成了规模庞大的海洋生产力系统,部分海域甚至形成了天然海藻场。海藻附生着大量的饵料生物,为鱼类、虾类幼体提供了摄食和栖息的场所。另一方面,藻体及其凋落物也为游泳动物和底栖碎食性动物 提 供 了 饵 料。海 藻 具 有 一 定 的 碳 汇 作用。Morrisey等在新西兰北部贻贝养殖场中同样发现在养殖筏上附着有多种生物,为小型鱼类创造了栖息空间,该筏式养殖区的海洋生物多样性和生物密度均有提高,从其他水域进入养殖区中的鱼类将养殖筏看做为饵料丰富的庇护所,其具有类似于鱼礁的集鱼效果。同时也为幼鱼提供了更多的人工庇护所。可以看出筏式养殖区具有一定的资源养护功能,同时为修复海洋生态提供了强有力的证据。

2.1.2网箱式养殖区

如今的网箱通常以金属、木料或毛竹等材料做成六面体作为框架,用于在水中抵抗风浪,再配上沉子、浮子将网悬于水中。网衣部分由网裙、网底、网盖及投饵通道组成。根据养殖鱼类的习性不同,天气、季节、水温不同,网箱沉于海中的高度也略有不同。沿海网箱养殖场是沿海生态系统中常见的人工元素。2020年,世界总水产养殖量达到1.145亿吨,据 FAO2007年统计(表2),进行海水网箱养殖主要国家是挪威(27.5%)、智利(24.8%)、中 国 (12.1%)、日 本 (11.3%)、英 国(5.5%)加拿 大 (4.2%)、希 腊 (3.2%)、土 耳 其(2.9%)。

表2海水网箱养殖主要国家

沿海养殖场集中了大量具有生态价值和经济价值的鱼类,在养殖场中网箱对野生鱼类种群的集群效果类似于 FADs的效果,可以看作是加强版的鱼类聚集装置。大量的食物供应,主要是由于水产养殖饲料的损失,大大增加了养殖区附近的觅食机会,食物供应量的增加导致了在养殖场附近的野生鱼类数量的增加。在网箱结构上发现了许多鱼卵,由此发现网箱可以成为鱼类繁衍时的栖息地。有研究人员曾提出是由于一些特定的化学线索在起作用,并诱导一些海洋生物在网箱周围栖息。Akyol等在土耳其爱琴海的网箱养殖场同样发现在网箱下聚集的鱼群要更密集。此外 Kingsford等在1991年调查发现漂浮网箱可能会影响养殖场附近的水流,导致一些鱼群发生了滞留,就像珊瑚礁会改变当地的水流,有利于鱼类滞留于珊瑚礁,把珊瑚礁作为栖息地。当幼鱼长到一定尺寸大小时,在网箱和周围自然栖息地之间的联系也很重要,例如尖吻重牙鲷(Diploduspuntazzo)、沙重牙鲷(Diplodussar-gussargus)等幼鱼通常栖息于水深小于2m 的岩礁上。当幼鱼的体长达到45~55mm,并从这个栖息地扩散出去。网箱养殖场可以看作是一种新的沿海生境。中国目前海水养殖区域主要集中在海湾、滩涂和近海海域,而深海海域养殖空间利用率则非常低。随着“蓝色粮仓”这一海洋开发措施的提出,大力发展深海网箱养殖、大型养殖工船等海上设施养殖,成为中国海水养殖业发展战略之一,其推广意义十分突出。中国大型网箱养殖出现于20世纪末,深海网箱养殖可以拓展利用海水养殖的空间,保护、改善海域养殖生态环境,提高养殖效率,同时借助于这些设施可以实现部分中上层鱼类的养护与增殖。

2.2环境修复类海上设施

2.2.1人工浮岛

人工浮岛是一种为了一定的目的和用途,在海中建造的岛屿。海上人工浮岛的建设大部分是因为土地资源较为短缺的国家和地区,进而充分利用海洋资源,在海面上通过漂浮/打桩的方式获取可利用空间的一种海上设施。

各国沿海城市的土地资源日渐紧张,导致填海造地的形势逐年增加,避免大规模沿岸围垦造成的生态影响。世界各国开始重视人工浮岛的发展,如:日本、荷兰、美 国、中国、中东 地 区 等。

其目前主要用途包括:交通运输、存储用地、休闲娱乐、农业渔业用地等。

人工浮岛是与自然形成的“岛屿”相对应的一种人工建造的浮岛,人工浮岛技术是一种生态环境修复与保障技术,具有污染物净化、生境恢复、生态系统恢复等功能,最初研究的目的是用于生态修复。1988年 Hoeger概括了人工浮岛的六大主要功能:防止堤岸侵蚀、保护海岸线、为野生动物提 供 栖 息 地、净 水 过 滤、美 化 景 观、生 物 消毒等。

人工浮岛在淡水环境中投放的数量较多,一般多投放于江河、湖泊等水域。人工浮岛可以为生物提供饵料和栖息地.1973年 Pardue等人发现在放置人工浮岛后,经过2.5年,鱼类的总生物量增加了20%。这是因为人工浮岛能为周围的浮游生物提供附着表面,增加了养分的可利用性和池塘的承载能力。除了提供庇护场所外,也降低了鱼类的被捕食风险。

人工浮岛同时也是一种生态工程方法,它可以通过创造栖息地改善水质,支持水生环境的局部生物多样性。自1970年以来。许多商业渔业的经营无法持续,面临崩溃的危险,导致国际渔业资源形势十分严峻,其中包括大西洋鲱(Clupeaharengus)。这种鱼类在大西洋东北部近乎于灭绝。除了过度捕捞,海岸线的大量破坏,鱼类与栖息地之间的联系也尤为重要,外来入侵物种的引入以及气候变化引起的温度波动都导致了鱼类种群动态和分布的变化,由此引出了一个名词“重要鱼类栖息地”。重要鱼类栖息地是指鱼类产卵、繁殖、捕食、生长到成熟所必需的场所,包括其生活的海域和相关的底质、港口和码头,大多都形成了较简单、开放的生态系统,可以创造浅水环境适宜鱼类的生长。在经过大量改造后的近海海域,安装了人工结构,如“biohuts”生物小屋,为沿岸性鱼类提供庇护。Selfati等人2018年在摩洛哥为挽救濒临灭绝的乌鳍石斑鱼(Epinephelusmar-ginatus)和尖吻喙鲈(Mycteropercaacutirostris)使用了生物小屋,使用后周围的鱼类数量明显更高。说明人工浮岛可以用于支持 EFH 中存在的季节洄游、生殖洄游性鱼类以及幼鱼。

2.2.2海上机场

海上机场是指人工建造在海上的固定机场,海上机场(见图2)大致可以分为两类,一类是以人工部分或全部填海造地修建成的机场;一类是把单个和多个大型飘浮平台固定在海底形成的机场。世界上最早建造海上机场的国家是日本。

2013年以来关西国际机场岛和中部国际机场岛等大规模人工岛的建设在日本各地完成。人工岛的建造会使海水的流动发生了很大的变化,对周边的海域环境产生了很大的影响。关西国际机场是位于大阪湾东部,是世界上第一座海上机场,机场岛外围护岸大多采用了倾斜护岸。为了确认该护岸上生物的生息状况,自1988年12月起,持续对海堤周边的海藻场、鱼贝类、大湾区进行监测调查,从而研究机场岛建设的生态效应。调查结果显示在海上机场的缓坡护岸上发现了大量的藻类。海藻本身或附着在海藻上的微小生物作为饵料提供给鱼虾。直立护岸上虽然附着藻类较少,但对紫贻贝等软体动物来说是有利的生存环境。在调查中,观察到69种藻类、271种底栖动物和59种鱼类。因此,调查结果表明,机场岛本身已成为海洋生物的新栖息地,在机场护岸确认了生物的现存量(约300t),远远超过了因填埋而损失的生物量(15t)。另外,将藻场现存量与作为最高营养阶段的鱼类的氮换算现存量进行比较,发现其相关性非常高。由此可知,藻场能够繁茂的环境,特别对于鱼类来说,是合适的栖息场所。海藻还可以通过光合作用吸收水中的二氧化碳,放出氧气增加溶解氧,以及通过吸收富营养化物质磷和氮来发挥水质净化功能,同时也提高了生物的生产量。可以认为藻类繁茂的护岸对于动物群落来说也是合适的生长环境,这意味着是直立护岸和倾斜护岸等护岸的形状、护岸的方向和有无遮蔽物等产生的流动环境的差异不但对藻类产生影响,而且对动物群落的种类组成和现存量也会产生很大的影响。由此可以认为,今后在进行投放人工岛这样的大规模海上设施时,为了促进形成丰富的动物群落,倾斜护岸一般覆有大面积底生微藻和海藻可以为动物群落提供饵料,通过设计确保适当的波浪流动影响和流速,可以提高动物群落的生产率,也可以确保周边海域的鱼类资源和生物多样性。

图2 海上机场

2.2.3海上多功能平台

伴随着海洋牧场的快速发展,大量海上多功能平台的建设贯穿于海洋牧场的建设中,而海上多功能平台也作为一项关键的措施成为了现代化海洋牧场建设中的重要支撑,海上多功能平台一般可分为为自升式海上平台、移动式海上平台、半潜式海上平台、漂浮式海上平台等。海上多功能平台的功能全面(见图3),涉及领域较为广泛,海上多功能平台可以通过数字化信息系统时刻保证海洋环境的监测,可以实时提供一些水文水质等生态数据;海上多功能平台具有生产管护功能,一旦发生事故,可以作为一个临时应急的“码头”,为一些船只提供停靠的平台,而且海上多功能平台可以放置一些紧急的救援物质以备不时之需,同时还可以定期检查水下人工鱼礁礁体的情况。海上多功能平台一般采用风能、太阳能等清洁能源进行供电。

海上多功能平台的投放,开启了海上休闲旅游业的新起点,发展蓝色经济尤其是海洋特色的旅游业具有得天独厚的自然条件和巨大的开发潜力,同时推动了休闲渔业与旅游服务的融合发展。在新旧动能转换的关键节点,海上多功能平台不仅可以拓宽休闲渔业的发展空间,也为今后承办海钓等大型赛事提供了新的载体。其中在山东省通过海上多功能平台的建设带来的生态效益、经济效益、社会效益极为显著,其发展在国内位于前列。

海上多功能平台自身也可以作为人造礁体,投放在海域中起到“人工鱼礁”的功能,在海上多功能平台附近的渔业资源种类、生物资源数量均有明显的提高,说明海上多功能平台自身具有资源养护的效果。且海上多功能平台所管护的海洋牧场中通过投放人工鱼礁等为海洋生物提供了良好的繁衍场所和栖息地,有效修复了被破坏的生态系统。同时海上多功能平台还与水产养殖相结合,将海洋生物的苗种繁育、水产品精深加工等相融合带动了地方经济的发展,为各地特色的旅游文化提供了广阔的发展前景。

图3 海上多功能平台

2.3工业类海上设施

2.3.1石油天然气平台

石油、天然气钻井平台是工业类海上设施的代表(图4),主要是进行海上大型生产生活类活动的一种海上构造物,主要由沉入海底的大型桩基来承受荷载,桩基可作为天然的人工礁石,为藻类、无脊椎动物和鱼类提供栖息地并吸引多样化的海洋物种群落。

在北海的东南部海域,自然侵蚀、破坏性的捕鱼手段、过度开发等均导致了天然硬基质栖息地的减少。虽然目前设立许多保护措施来努力恢复天然的硬基质,但这种再重生模式是一个缓慢的过程,很可能需要几十年的时间。海上石油天然气平台的人工筑造结构提供了额外的硬基质,这可以部分弥补天然硬基质栖息地的损失,同样也有 助 于 恢 复 与 这 些 硬 基 质 相 关 的 海 洋 生 物 群落。石油天然气平台具有较大的地理分布,它也能成为孤立物种之间连接物种的垫脚石,促进遗传物质的交换,不久的将来加强新的硬基质的群落聚集。石油平台有多个水下、半水下的结构元素(浮筒、筒状的结构作为水平梁),其主要功能是有助于增加浮力、提高稳定性。石油、天然气平台的水下表面覆盖着藻类和附着、静止的生物,如:海绵、珊瑚和双壳类动物,正是由于这些有利的条件,各种各样的鱼类被这些巨大的漂浮物所吸引,甚至它们中的许多穿越数百、数千海里来到这 里。墨 西 哥 湾 的 西 大 西 洋 笛 鲷 (Lutjanuscampechanus)产量的增加也与石油平台的建立有关。

近年来,人们格外关注石油、天然气平台作为非本地鱼类的输入载体。由于平台来到沿海栖息地,进行一些养护和维修是必不缺少的,平台上所携带的污染生物量对物种的迁移和引入也是一个需要考虑的问题,对当地的生态环境是否产生影响值得关注。巴西海岸正应用在对天然和人工基质的监测,只有通过广泛地监测和进行基础研究,才能控制外来物种的引入。

图4 模拟海上石油天然气平台的水下结构

2.4聚鱼型海上设施(FADs)

一个多世纪前地中海和东南亚,以及西太平洋和中部海域的手工业渔民,他们发现,金枪鱼和其他远洋物种倾向于聚集在自然漂浮的物体下,如原木、海藻垫、树枝和棕榈叶等,在这些物体的周围进行捕鱼的成功率相比于开阔的海洋中较高。于是渔民会部署一些自己手工制作的原木,便于捕鱼。而远洋的金枪鱼捕捞船注意到这种方法的成功,在一些原木和碎片的周围撒网后,开始部署大量的漂流聚集装置。最初 FADs部署的时候放置了无限电装置,后来被卫星所取代,收集信息的人员可以快速进行定位,查看聚集装置附近金枪鱼的聚集程度,并将信息传递给捕捞的船只。最近 FADs被部署了声呐浮标,可以实时评估金枪鱼的聚集情况。FADs装置主要可以分为漂流式(图5)和锚泊式(图6)2种。

漂流式 FADs主要应用于金枪鱼围网船队,应用于较为广阔的海域。主体结构一般由阀体、网片和一个定位的浮标组成。而锚泊式FADs主要是沿岸海域、近海海域的渔民所使用的主体结构一般由固定装置在海底进行固定,海水表层部分由网片、树枝等组成。

FADs对金枪鱼迁移和移动具有一定的潜在影响,其中FADs作为一种“生态陷阱”,主要可以分为3个部分:对于金枪鱼具有快速、强烈、持续性的诱集作用。诱集作用可以改变金枪鱼的自然迁移。诱集作用可以改变金枪鱼的栖息地选择。错误的栖息地选择可能会对金枪鱼从幼鱼、成鱼到死 亡 的 整 个 生 活 史 过 程 中 起 到 负 面 影 响。FADs的投放会影响金枪鱼所在的生活环境,但经过多次取证调查后的结果相互对立、说法不一,也需要大量的调查证实这一观点。在FADs的调查中发现捕获绝大部分的金枪鱼的胃中包含有同类的幼鱼。同时发现会吸引一些鲨鱼、旗鱼等在FADs周围捕食。因此 Hallier等提出投放人工集鱼装置会增加金枪鱼被捕食的风险,导致幼鱼的成活率较低。MorenoG 等发现鱼类聚集设备也可以作为一种海上科学平台,研究人员可以在 FADs上部署电子标签接收器、水下相机、水下测声仪等科学仪器,借助FAD提供生物量等调查数据,这也是传统调研船无法实现的,FADs作为科学平台的优势是可以同时收集当地相关种群鱼类活动和环境的实时数据。

图5 漂浮的FADs

图6 锚定的FADs

2.5能源类海上设施

海洋拥有丰富的可利用风能资源,海上风电作为清洁能源的一种在全球快速发展,全球海上风电年均增长率达30%,已成为世界风电发展的重要方向之一。海上风电场的建设将风机桩基、海底电缆等人工结构引入到海洋中,其对海洋环境具有潜在的影响。海上风电场在建设和运行影响(图7、图8)。风电桩基及冲刷其防护层表面等硬底质结构,增加了海床的复杂性。可以为游泳生物、底栖生物营造栖息地、庇护所。

图7 海上风电桩的水下构造

图8 海上风电桩水下构造的资源养护效果示意图

Leonhard等2006年在丹麦 HornsRev风电场在单个桩基上发现了大量的可食蟹的幼体,在涡轮机上发现了大量的紫贻贝(Mytilusedu-lis)。小型甲壳动物被证明为硬底基质上最丰富的物种。同年 DanWilhelmsson等发现在建成风电场后,涡轮机的水下部分和邻近区域可能类似于珊瑚礁生态系统,使周围的海洋生物之间相互作用、影响。从而提高了浮游植物的生长率,进而促进贝类的生长。Snyder等2009年对美国 Cape海上风电场连续9年的环境评估显示海上风电建设期和运营期对底栖生物影响很小。

Andersson等认为引入海上风电桩基对鱼类和固着无脊椎动物有积极影响,为鱼类和无脊椎动物提供了庇护和产卵场所,也丰富了饵料食物的来源。波罗的海南部 Utgrunden风电场建成7年后,黄体尻鰕虎鱼(Gobiusculusflavescens)、黑鰕虎鱼(Gobiusniger)以及紫贻贝的数量都有所增加。除此之外,栖息地有更为广泛选择性的其他鱼类来说也并未受到风电桩基投放而影响。

方宁2015年通过对东海大桥海上风电场建设完成前后的海域沉积物调查数据分析来研究海上风电场的建设可能对底质产生的环境影响,其沉积物质量调查结果表明,风电场建设前后海域沉积物中锌的质量分数增加显著,这与风电场内风机桩基基础防腐使用的牺牲阳极中锌的释放有关。

国内快速建设海上风电的同时,对于海上风电桩对环境影响和资源的养护功能具体能达到某种程度缺少相应的数据支撑。因此有必要做这方面的研究,为将来准确评价其资源养护效果,同时为在风电场中建设海洋牧场、提高资源养护和增殖的综合效益提供基础数据的支撑。

3存在问题和展望

海上设施是否对鱼类资源长期的养护效果如何,以及对于海上设施的管理和保护措施制定都应建立在大量调查基础上。海上设施所选择使用的材料长时期浸泡在海水中是否会对海水带来危害,废弃的海上设施在使用结束后该如何处理都是海上设施管理面临的重要问题。我国目前海洋战略性新兴产业正处于蓬勃发展阶段,中国应坚持发展海洋科技,一方面推动相关领域技术进步,带动其他产业技术创新,另一方面推进海洋技术的产业化和海洋经济的结构转型,提升中国海洋经济发展质量。未来在规模化投放和建设海上设施的同时,海洋资源多用途利用、多功能开发的设想正逐步从理论框架过度到实际操作。海上平台多功能化、海上平台与休闲渔业模式相结合、新能源类海上设施与海洋牧场融合发展等已经成为未来的发展方向之一。

海洋蕴藏着丰富的生物、油气和矿产等资源,如何有效的开发并保障资源的可持续开发利用是需要重点关注的问题,与此同时如何充分发挥各项海洋开发设施的多种功能从而提高开发综合效益也是将来海洋开发中的重要课题。海洋事业关系民族生存发展状态,关系国家兴衰安危。中国管辖海域面积广阔,是一个典型的海洋大国,海洋事业的发展对中国的长远发展尤为重要。因此在海洋命运共同体理念指引下,在海洋生态文明前提下,在加快海洋开发、提升海洋开发和保障能力的进程中,各类海洋设施的设计与建设就需要充分考虑海洋环境特别是海洋生物资源的保护与可持续利用,为促进未来科学开发和利用海洋、构建和谐海洋奠定基础。

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