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大海生物养护技巧发展趋向

2013/01/03 阅读:

作者:张立斌杨红生单位:中国科学院海洋研究所青岛

生境修复和生物资源养护的基本原理与过程

1基本原理

生境修复与生物资源养护原理的主要研究内容包括生态系统结构、功能以及生态系统内在的生态学过程与相互作用机制,生态系统的稳定性、多样性、抗逆性、生产力与可持续、先锋群落与顶级群落的发生、发展机理与群落演替规律,不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制,生态系统退化的诊断及其评价指标体系,生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测等。对一个完整的生态系统修复工程而言,生态系统的各个组成部分都需要在原位经过自然的生态过程,因此,事实上各生态学原理均可应用于生态恢复的实践中。生态系统修复涉及的基本原理主要有限制因子原理、能量流动原理、种群密度制约及分布格局原理、生态适应性理论、生态位原理、演替原理、生物入侵理论、生物多样性原理、功能群构建原理等。其中,干扰与演替原理、功能群构建原理是应用于海洋生态系统恢复中的重要原理。

2基本过程

修复行为实质上是对生态系统的一次新的干扰,很难保证所有修复行为均对目标系统的修复起到正效应。要想系统向预期方向发展,需要有科学的理论框架,制定合理的修复方案,并对方案进行可行性论证。Zedler以湿地生态系统的修复为例,将生态恢复的整个过程划分为5个不同的阶段,即目标设定—开发概念模型、恢复区域的选址优化、原地非生物环境的操控、原地生物区系的操控、生态系统维护等。

Clewell等将生态恢复的过程分为修复计划准备、生态系统健康状况评估、修复计划制定论证、修复行动实施、修复后评估和管理等5个阶段,并指出了生态修复过程中涉及的51条指导原则。

海洋生境修复和生物资源养护设施

1人工鱼礁

人工鱼礁(artificialreef)是人为放置在海底的一个或多个自然或者人工构造物,它能够改变与海洋生物资源有关的物理、生物及社会经济过程,并可改善海域生态环境,营造海洋生物栖息的良好环境,为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所,达到保护、增殖和提高渔获量的目的。用于建造人工鱼礁的材料种类很多,礁体材料的选择直接影响礁体的结构特征和礁区生物的增养殖效果。根据材料的来源不同,人工鱼礁使用的材料可分为天然材料、废弃材料和人造材料等3大类。礁体设计对人工鱼礁效果的发挥至关重要,主要包括礁体材料、重量、形状、几何尺寸、内部结构等因素。礁体的材料、重量、尺寸、结构复杂性、表面粗糙度等应根据规划要求与生物因素和水动力学特征相适应。根据投放的不同目的和用途,人工鱼礁可以分为增殖型鱼礁、渔获型鱼礁和游钓型鱼礁等3种。

2增殖礁及增养殖设施

根据增殖对象生物不同,人工鱼礁可分为藻礁、鲍礁、参礁等,而增殖海参、鲍等海珍品的礁体可统称为海珍品增殖礁,又称海珍礁,。由于礁体可以保护刺参、鲍等海珍品免受敌害侵扰,并可为增殖海珍品提供食物来源和遮蔽场所,因此,海珍礁广泛应用于中国的海珍品增养殖中。在我国,很多种材料被用作刺参的人工附着基或礁体,例如石块、瓦片、混凝土构件、扇贝养殖笼、编织布、塑料构件,甚至柞木枝等。

作者所在的研究团队针对近岸泥沙质海湾、离岸开放海域和静水围堰等增养殖生境的受损现状和刺参、鲍等海珍品的生态习性,发明了适用于近岸海湾的牡蛎壳海珍礁及其配套制作装置、贝类排粪物再利用装置,适用于离岸开放海域的大型藻类抗风浪沉绳式养殖设施、“海龙I型”底播式海水增养殖设施,以及适用于围堰的多层板式立体海珍礁:这些设施设备实现了对不同类别生境的有效修复和高效生态增养殖,为海洋生境修复与海水增养殖产业高效健康发展提供了装备支撑。

海洋生境修复和生物资源养护技术

1海洋生境修复与改良技术

1.1海草床修复技术

海草是单子叶草本植物,通常生长在浅海和河口水域。海草床对海域生境的修复和改良具有重要的生态作用,海草群落不仅是海洋初级生产者,具有高的生产力和固碳能力,还可起到稳定底泥沉积物、改善水体透明度及净化海水的作用;同时,海草还是许多海洋动物重要的产卵场、栖息地、隐蔽场所及直接的食物来源,在全球C、N、P循环中具有重要作用。据《世界海草地图集》显示,1993年到2003年,全世界已经有约26000km2的海草床消失,达到总数的15%。海草床的衰退引起了人们的高度关注,许多国家都开展了海草床恢复方法的研究工作。海草床的恢复主要依靠海草的种子或者构件(根状茎),主要的方法有生境恢复法、种子法和移植法。

生境恢复法投入少、代价低,但周期长。移植法恢复大叶藻海草床是较为常用的方法,主要有草皮法、草块法和根状茎法,草块法成活率高,但对原海草床有破坏作用;根状茎法节约种源,但固定困难。应用种子来实现低成本、高效率、大规模的恢复海草床也是当前研究的热点,种子法破坏小,但种子难收集、易丧失、萌发率低。

1.2牡蛎礁修复技术

牡蛎礁(oysterreef)指目前正在生长及挽近刚停止生长的、裸露于河口洼地中的牡蛎壳堆积体。牡蛎礁在净化水体、提供栖息生境、促进渔业生产、保护生物多样性和耦合生态系统能量流动等方面均具有重要的生态功能。美国切萨皮克湾(ChesapeakeBay)由于人类活动的影响而引起了生境的退化(富营养化和大叶藻藻床的破坏)及生物资源的衰退(美洲牡蛎数量大为减少)。近年来,弗吉尼亚海洋科学研究所(VirginiaInstituteofMarineScience)的科学家实施了牡蛎礁恢复计划,对礁体生物学、群落发生和营养动态进行了系统研究,并对恢复情况进行了追踪,如Harding研究了恢复的牡蛎礁区域浮游动物群落丰度和组成的水平分布和时间变化,作为切萨皮克湾牡蛎礁恢复进展的潜在标准。该系列研究对当地牡蛎礁的成功修复起到了重要作用。牡蛎礁的修复主要通过结合防浪堤设置专用礁体以及利用牡蛎壳礁体两种方式实现。

1.3珊瑚礁修复技术

珊瑚礁(coralreef)是石珊瑚目的动物形成的一种结构,它们是成千上万的由碳酸钙组成的珊瑚虫的骨骼在数百年至数千年的生长过程中形成的。珊瑚礁被称作“热带海洋森林”,其生态系统具有很高的生物多样性和重要的生态功能,珊瑚礁为许多动植物提供了生活环境,其中包括蠕虫、软体动物、海绵、棘皮动物和甲壳动物,此外,珊瑚礁还是大洋带的鱼类的幼鱼生长地。

由于全球气候变暖、自然灾害、海水消耗、过度捕捞、海水污染等原因,导致珊瑚礁的衰退现象严重。世界珊瑚礁现状调查显示,全世界19%的珊瑚礁已经消失,15%的珊瑚礁在10~20年内将有消失的危险,20%的珊瑚礁在20~40年内将面临消失。珊瑚礁生态修复的主要方法包括有性生殖法(sexualreproduction)、珊瑚移植法(transplantation)、底质改良法等。有性生殖法是通过自然产卵产生的珊瑚幼虫来培育珊瑚幼体,再将幼体进行移植;珊瑚移植是把珊瑚整体或者部分移植到退化区域,以改善退化区的生物多样性,这是过去几十年来修复珊瑚礁的主要手段;底质改良是通过稳固底质或在底质中增加化学物质,以吸引珊瑚幼虫的附着和珊瑚的生长。

1.4人工鱼礁构建技术

人工鱼礁水动力学特征研究可以为人工鱼礁的选址和设计的优化提供科学依据。了解人工鱼礁水动力学性能需要首先研究人工鱼礁受水流作用时受力的情况和人工鱼礁内部及其周围流场的实际分布情况,其研究方法主要有理论分析、模型实验和数值模拟等。黑木敏郎与中村充在回流水槽中,观察和测定了圆筒形、四角形鱼礁模型周围水流的变化。Fujihara等运用数值计算法对设置鱼礁后的定常层流水域的流场变化进行研究,得到了鱼礁流场的上升流范围及分布特点。国外学者的研究表明:在鱼礁的阻流作用下,鱼礁下游的流场根据紊动程度可分为3个区域:紊流区、过渡区和未受扰动区。通透性礁体和非通透性礁体所产生的紊流区长度比和高度比均不同,通透性礁体的高度比小于1,长度比小于4,而非通透性礁体的高度比一般要大于1而略小于2,而长度比小于14。

合理的选址是人工鱼礁规划设计的基础。人工鱼礁投放区域的选择是否合理关系到其功能能否正常发挥,投放区域不当会造成人力与财力的损失,并有可能对生态环境造成破坏。李文涛等认为人工鱼礁的选址涉及地质科学、海洋科学、气象科学、生物科学、社会学等多个学科,需要考虑海洋物理环境、生物环境和社会等多种因素,其中国家的海洋功能区划以及海底底质类型、水深、水流等因素在人工鱼礁的选址中是必须首先考虑的;王飞等根据水深、底质类型、地形坡度、生物密度、平均流速、离岸距离等影响人工鱼礁选址的因素,并根据各影响因子的重要性程度确定其权重,建立了舟山海域人工鱼礁选址的多因子综合评价模式。

Tian对台湾省老鼠屿沿岸海区的五个预选礁区进行了综合性的选址研究,研究内容包括了海底地形、地貌、底质特性以及海况,调查中使用了回声测深仪、旁扫声纳、重力岩心提取器、地质测试仪、GPS、ADCP(多普勒流速剖面仪)和ROV(水下机器人)等先进的仪器设备。

2海洋生物资源养护技术

2.1人工增殖放流技术

增殖放流是恢复渔业资源、优化水生生物群落结构、提高渔业生产力的有效手段,其形式是通过向天然水域投放鱼、虾、蟹、贝类等各类渔业生物的苗种来达到恢复或增加渔业资源种群数量和资源量的一种方法。19世纪中期,美国、加拿大对红点鲑进行了移植孵化实验,后来又将一种溯河性鲱鱼从北美大西洋沿岸移植到太平洋沿岸,并形成了有价值的自然种群。挪威、英国、丹麦和芬兰也先后进行了鳕鱼和鲆鲽类的资源增殖工作。日本于20世纪60年代提出“栽培渔业”概念,并在濑户内海进行了对虾、真鲷、梭子蟹和盘鲍的放流增殖工作,至2002年,日本放流水产苗种已达83种。

长距离洄游的大麻哈鱼类是目前世界上规模最大、最有成效的增殖种类,前苏联、日本、美国和加拿大等国先后进行了大麻哈鱼的增殖放流,放流数量每年高达30余亿尾,回捕率高达20%。目前世界上有94个国家开展了增殖放流工作,其中64个国家开展了海洋增殖放流工作。

我国近海渔业资源放流工作起步较晚,自20世纪70年代中后期开展对虾增殖放流以来,已经开展了海蜇、三疣梭子蟹、金乌贼、曼氏无针乌贼、梭鱼、真鲷、黑鲷、大黄鱼、牙鲆、黄盖鲽、六线鱼、许氏平鲉等游泳生物以及虾夷扇贝、魁蚶、海参以及盘鲍等底栖生物增殖放流工作,其中中国对虾的增殖和移植、海蜇的增殖、虾夷扇贝的底播移植等工作已初具生产规模和显著的经济效益;但在增殖放流过程中,存在管理体制不够健全、资金投入相对不足、科学研究相对薄弱,缺乏规范的增殖放流技术规程等问题。农业部下发了《全国水生生物增殖放流总体规划(2011—2015年)》,规范和细化了各海域增殖放流任务,提出了渤、黄、东海及南海具体适宜增殖放流的种类,对45种经济物种的适宜放流海域进行了规划。

2.2多营养层次综合增养殖技术

多营养级的综合养殖模式(integratedmulti-trophicaquaculture,IMTA)是近年提出的一种健康、可持续发展的海水养殖理念。对于资源稳定、守恒的系统,营养物质的再循环是生态系统中的一个重要过程,由不同营养级生物,如投饵类动物、滤食性贝类、大型藻类和沉积食性动物等组成的综合养殖系统中,系统中一些生物排泄到水体中的废物成为另一些生物的营养物质来源。因此,这种方式能充分利用输入到养殖系统中的营养物质和能量,可以把营养损耗及潜在的经济损耗降到最低,从而使系统具有较高的容纳量和经济产出。近年来,作者所在的研究团队针对浅海筏式、底播和岛屿的不同特点和增养殖对象的生态特征,研发了筏式贝-藻-参综合养殖、藻-鲍-参生态底播增养殖和离岸岛屿生态增养殖等多营养层次的综合增养殖新技术。

3海洋牧场建设技术

海洋牧场(oceanranching)是一个新型的增养殖渔业系统,即在某一海域内,建设适应水产资源生态的人工生息场,采用增殖放流和移植放流的方法,将生物种苗经过中间育成或人工驯化后放流入海,利用海洋自然生产力和微量投饵育成,并采用先进的鱼群控制技术和环境监控技术对其进行科学管理,使其资源量持续增长,有计划且高效率地进行渔获。建设海洋牧场需要一整套系统化的渔业设施和管理体制,如人造上升流、人工种苗孵化、自动投饵机、气泡幕、超声波控制器、环境监测站、水下监视系统、资源管理系统等。海洋牧场的构想最早是由日本在1971年提出。

1978~1987年,日本开始在全国范围内全面推进“栽培渔业”计划,并建成了世界上第一个海洋牧场——日本黑潮牧场。韩国于1994~1996年进行了海洋牧场建设的可行性研究,并于1998年开始实施“海洋牧场计划”,该计划试图通过海洋水产资源补充,形成牧场,通过牧场的利用和管理,实现海洋渔业资源的可持续增长和利用极大化。美国于1968年提出建造海洋牧场计划,1972年付诸实施,1974年在加利福尼亚建立起海洋牧场,利用自然苗床,培育大型藻类,效益显著。我国在20世纪80年代曾提出开发建设海洋牧场的设想,90年代又有学者对南海水域发展海洋牧场提出建议,并对南海水域进行了多项综合和专项调查,为开发建设海洋牧场提供了背景资料和技术储备。目前中国海洋牧场的开发还仅限于投放人工渔礁和人工放流,并且由于规模较小,形成的鱼礁渔场对沿岸渔业的影响甚微。

海洋生境修复和生物资源养护的监测与评价

1海洋生境修复和生物资源养护系统的监测

生态系统的监测是海洋生境修复和生物资源养护计划的重要组成部分,监测信息的收集是决定恢复生态系统管理方式的重要环节,通过监测可以确定修复工程是否向既定目标发展。因此,制定监测实施标准和规程对于复杂的监测活动十分必要,如美国的加利福尼亚区域海带修复计划中制定了海带恢复和监测规程,规程为参与潜水的志愿者列出了详细注意事项,以保证监测的一致性和精确性;全球海草监测计划(SeagrassNet)也制定了有关海草恢复的监测规程、野外取样和数据处理的注意事项、科学监测手册等。

监测主要分修复前监测和修复的长期监测。通过修复前监测,可以了解生境和生物资源的受损程度,确定现存生态系统的特点,并有助于确定恢复的目标和恢复方式。修复的长期监测是自修复计划正式实施以后对修复的全过程进行的监测,通过长期的系统监测可以对比修复系统与自然系统的特点,便于准确确定退化生态系统修复的生态变动过程及变动方向。

2海洋生境修复和生物资源养护效果的评价

在复杂的环境条件作用下,恢复的目标和效果可能会偏离既定的恢复轨道,因此,对海洋生境修复和生物资源养护效果进行评价是十分必要的。当前对恢复和自然生态系统及其功能参数特征的变异性了解还不够深入,因此,海洋生境修复和生物资源养护效果的评价方法与技术手段也相对复杂。生态修复效果评价的主要方法有直接对比法(directcomparison)、属性分析法(attributeanalysis)和轨道分析法(trajectoryanalysis)。评价生态修复效果应用最广泛的方法是直接对比法,即对比恢复的和自然的生态系统的结构与功能参数,包括生物和非生物环境参数;属性分析法是将恢复的生态系统的属性转化为定量和半定量的数据,以确定生态系统中各属性要素的恢复程度;轨道分析法是一种正处于研究过程中但比较有应用前景的方法,该方法通过定期收集恢复数据并绘制成趋势图,以确定恢复的趋势是否沿预定的恢复轨道进行。

恢复的生态系统的评价标准较为复杂。从生态学角度,恢复的生态系统应包含充足的生物和非生物资源,其能够在没有外界协助的情况下维持自身结构和功能的持续正常运转,且具备能够应对正常环境压力和干扰的抗性。国内外在采用系统模型评价修复效果方面的研究取得了一定进展。Madon等提出了用于规划湿地恢复的生物能量学模型(bioenergeticsmodels),该模型可以用于评估不同环境条件下鱼类的生长情况,华盛顿大学的研究人员利用该模型评估了河口湿地系统恢复过程中鲑鱼幼鱼的生长情况。Pickering等运用成本效果分析(CEA)、成本效益分析(CBA)和条件价值评估(CVM)等方法从生态学角度评价了人工鱼礁修复近海生态系统的潜力。

Pitcher等采用生态系统空间模拟技术(ECOSP-ACE)预测了香港禁捕保护区内人工鱼礁的资源和渔业的效益。

海洋生境修复和生物资源养护的综合管理

海洋生境修复和生物资源养护的管理是海域管理的重要组成部分,涉及对海洋生态系统的全面了解以及对生境修复和生物资源养护的监测与研究。海洋生境修复和生物资源养护的管理应该从规划开始,一直持续到修复效果达到预定目标。管理的目标是保障修复行动和修复效果的有效性。近年来,基于生态系统的管理(ecosystem-basedanagement,EBM)理念得到充分重视与发展。基于生态系统的管理是一种较为先进的资源环境管理方式,其核心内容是维护生态系统的健康和可持续,该理念强调从海洋生态系统整体出发制定渔业管理决策,并运用多学科知识,加强各部门合作,实现资源开发与生态保护相协调。适应性管理(adaptivemanagement)是海洋生境修复和资源养护中强调的另一种管理模式,该模式承认恢复计划指定过程中无法预测某些不确定发生的事件,管理的目标是解决实施过程中出现的这些不确定事件。该模式涉及附加恢复计划的实施,恢复系统中部分区域的实验研究、不同环境条件下的并行研究计划实施、评估整个过程有效性的实施等。适应性管理的模式广泛应用于海洋生境修复和生物资源养护实践中。

海洋生境修复和生物资源养护研究展望

海洋生境的退化与生物资源的衰退引起了国内外的高度重视,在典型生境的修复、关键物种的保护、修复效果的监测与评价、修复的综合管理等方面取得了较为显著的成效,对缓解海洋生态环境的持续恶化与生物资源的持续衰退起到了重要作用;但在生境修复与生物资源养护原理、生态高效型设施设备、生境修复与生物资源养护新技术、监测评价与管理模型、标准和规范等方面开展的研究与实践工作相对较少,也是制约海洋生境与生物资源持续利用的关键因素,这也必将成为未来研究工作的重点和热点。

1生境修复和生物资源养护原理

生境修复与生物资源养护原理是开展生态系统恢复计划的依据。不同环境条件下的演替规律、功能群结构与功能、不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制、生态系统退化的诊断及其评价指标体系依然是未来研究工作的重点。

2生态高效型生境修复和生物资源养护设施设备

生态高效型设施设备的研发是生境修复与生物资源养护工作的基础。该领域未来工作的热点将主要集中在生态高效型人工鱼礁、藻礁与海珍品增殖礁的研发,资源与环境远程监测设施设备的研制,水下摄像与测量仪器的研制等方面。

3环境友好型生境修复和生物资源养护新技术

生境修复与生物资源养护技术是实现预期修复效果的核心。未来研究的重点将集中在生境修复与生物资源养护关键物种的筛选与功能群构建技术、碳汇渔业新技术、海洋牧场构建技术、智能型远程监测与预警预报技术等方面。

4海洋生境修复和生物资源养护监测、评价与管理模型

监测、评价与管理是修复行动有效实施的关键。未来研究工作的重点将集中在监测、评价与管理的智能一体化系统,监测、评价与管理的动态模型等方面。

5海洋生境修复和生物资源养护标准与规范

标准与规范是修复行动有效实施的保障。针对修复计划的不同阶段,制定涵盖海洋生境修复与资源养护设施、技术、监测、评价、管理等相关的标准和规范,可实现对修复行动的科学指导,充分保障实施效果的有效性,这也必将成为未来该领域研究的重点工作。

大海生物养护技巧发展趋向

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