來源：軍鷹資訊
現代化海洋牧場建設與發展——第230期雙清論壇學術綜述
摘要
基于第230期雙清論壇，本文回顧總結了我國海洋牧場發展歷程及現狀，梳理了近年來國內外取得的主要科技研究成果及發展方向、海洋牧場建設與發展亟需解決的瓶頸問題、服務于國家海洋生態文明建設的重大戰略需求，分析并初步凝練了該領域未來5~10年的重大關鍵科學問題，探討了前沿研究方向和國家自然科學基金資助戰略。
隨著人類活動和全球變化的影響不斷加劇，我國近海生境嚴重退化，近一半海灣四季均出現劣四類水質。較20世紀50年代，海草床、珊瑚礁分布面積減少80％以上，產卵場和洄游通道遭到嚴重破壞，造成生物多樣性降低，以致食物網結構簡單化，水產經濟物種低齡化、小型化，海底荒漠化趨勢明顯。
海洋牧場既能養護生物資源，又能修復生態環境，是實現我國近海漁業資源恢復、生態系統和諧發展與“藍色碳匯”的重要途徑。目前，我國培育了一批海洋牧場原理研究與技術研發團隊，海洋牧場建設已從理念基礎開始，初步形成理論體系，在此過程中不斷發展其形式與內涵。海洋牧場概念和內涵可以描述為：基于生態學原理，充分利用自然生產力，運用現代工程技術和管理模式，通過生境修復和人工增殖，在適宜海域構建的兼具環境保護、資源養護和漁業持續產出功能的生態系統。從以漁業生產為目標的傳統海洋牧場，到重視環境保護、生態修復和資源養護，生態優先、陸海統籌、三產融合的海洋牧場雛形已初步形成，標志著我國海洋牧場建設初見成效，而真正意義上的現代化海洋牧場建設則剛剛起步，其科學發展仍面臨諸多挑戰。
2015年至2019年間，我國已逐步創建5批共110個國家級海洋牧場示范區，隨著海洋牧場產業規模日益擴大，現代化海洋牧場構建原理與技術研究滯后已經成為制約海洋牧場發展和產業升級的瓶頸，是當前最突出、最迫切的問題。因此，系統開展現代化海洋牧場構建原理創新與技術攻關，是保障我國海洋牧場產業可持續發展的重中之重。
2019年3月31日至4月1日，國家自然科學基金委員會地球科學部、生命科學部、管理科學部、信息科學部、工程與材料科學部和政策局共同主辦了主題為“現代化海洋牧場建設與發展”的第230期雙清論壇，來自國內30余所高校和科研院所的40余位專家學者應邀參加了本期論壇。與會專家圍繞海洋牧場建設與發展研究多學科交叉發展現狀與趨勢、未來主要研究方向和科學問題等方面進行了熱烈研討和碰撞，凝聚共識并提出國家自然科學基金在相關領域的資助戰略。
1 海洋牧場發展研究現狀與挑戰
1.1 發展現狀分析
近年來在科學利用海洋的實踐過程中，海洋牧場構建理念逐步形成。日本于1963年創立了國營的栽培漁業中心，1971年提出建設海洋牧場，注重人工魚礁的集魚效果，強化環境承載力與資源養護補充，將增殖放流、魚礁建設、馴化技術等融入漁業管理體系中并加以完善。美國于1968年提出海洋牧場建設計劃并于1972年開始實施，1974年建成的加利福尼亞巨藻海洋牧場，注重與游釣相結合，發展休閑漁業。
我國科學家為實現水產資源增殖，于20世紀中葉提出了“海洋農牧化”理念，包括“水即是魚類的牧場”、“使海洋成為種植藻類和貝類的農場，養魚、蝦的牧場”等。20世紀90年代以來，針對我國近海漁業的現狀和特點，在自然海區進行了人工魚礁、藻礁建設和以幼苗放流、底播為主，以人工繁育苗種為輔的人工增殖。2006年國務院發布的《中國水生生物資源養護行動綱要》首次為海洋牧場建設和發展提供了政策依據。截至2016年，全國已投入約55.8億元的海洋牧場建設資金，共建立200多個海洋牧場，投放魚礁超過3000萬空立方米，總涉及海域面積2300平方千米。海洋牧場已成為海洋經濟新的增長點，成為沿海地區增殖、養護海洋生物資源、修復海域生態環境、實現漁業轉型升級的重要手段。
然而海洋牧場建設在全國如火如荼開展的同時，也暴露出“概念內涵不清、核心規律不詳、關鍵技術不足、建設發展盲目”等突出問題。
一是海洋牧場建設與傳統養殖概念混淆嚴重。為了借海洋牧場發展的“東風”，單一的近海網箱養殖、離岸深水網箱養殖及養殖工船都被認為是海洋牧場，沿海部分地區甚至將陸基工廠化養殖也認定為陸上海洋牧場。
二是海洋牧場選址與生態修復設施布放不合理問題突出。一些海洋牧場在建設初期，未做詳細的地質類型、水動力分析等本底調查，只是照搬國內外模式，在海區隨意投放了石塊、水泥管作為人工魚礁，結果幾個月后原先投放的石塊、水泥管不見蹤跡，造成了大量資金的浪費和海域生態環境的破壞。
三是忽視全過程監測評估與預警預報，仍然“看天吃飯”。如北黃海的部分海區易受黃海冷水團影響，環境的劇烈變動造成生物的大量死亡，又缺乏精準的監測裝備和預警手段，難以實時監測環境參數和生物狀態，只能“望洋興嘆”，如若在此建設海洋牧場，則會造成重大的經濟損失。
四是忽視礁體布局和氣候變化對海洋牧場的生態影響。特別是夏季高溫時期，部分企業未進行海域生態環境科學評估即開展以人工魚礁為主的海洋牧場建設，由于選址不科學，將增殖礁建在局部底層缺氧區，導致極端氣候條件下出現海參等增殖對象大批死亡，海洋牧場出現絕收現象，損失慘重。
1.2 面臨科技挑戰
目前，海洋牧場建設發展迅猛，但低水平同質化現象嚴重。一系列問題為我國海洋牧場的高質量發展提出了嚴峻挑戰，主要原因是基礎研究的前瞻布局不足、基礎理論研究滯后、頂層設計的科技支撐薄弱、工程和信息技術支撐能力有限。
其一，宏觀布局的基礎理論支撐不足。我國近海哪些區域可以建設海洋牧場? 能建多大的海洋牧場? 能建什么樣的海洋牧場?
一系列亟待明確的問題缺乏科學依據；對我國近海的生物生產力和生態承載力認知不足，缺乏科學評估體系；亟待揭示海洋牧場建設與毗連海域的互作機制，評估海洋牧場建設對生態系統的影響。
其二，人工生境營造技術能力不強。人工生境是指通過人工干預形成生物賴以生存的生態環境，是海洋牧場建設的關鍵基礎。目前，海洋牧場人工生境工程技術缺乏系統性研究，人工構件投放缺乏理論依據，建設設施作用機理不明，設施—生物—環境三者之間的耦合機制不清，海草(藻)床、珊瑚礁修復缺乏有效措施，生物功能群構建缺乏科學基礎等問題，嚴重制約著海洋牧場生態效益和高效產出。
其三，生態效應認知不明。生物資源養護是海洋牧場建設的重要內容。然而目前對海洋牧場重要經濟生物的行為特征認識尚不清晰，生物之間的相互作用以及功能群構建缺乏理論支持，增殖放流對海域生物多樣性和群落結構的影響不明，重要經濟生物精準采捕缺乏科學標準。
其四，風險防控管理水平不高。風險防控與綜合管理是海洋牧場高質量發展的重要保障。全球氣候變化和人類活動影響下海洋牧場的生態災害時有發生，生態風險的信息化預警與精準預報支撐能力不足；海洋牧場環境資源高精度實時監測系統與設備研發針對性不強，無法實現真正意義上的“可視、可測、可報”；綜合管理模式和機制亟待創新和完善。
因此，面向國家海洋生態文明建設的重大戰略需求以及海洋牧場持續健康發展的產業迫切需求，通過多學科交叉與融合，實施海洋牧場原理認知和重大技術突破，形成系統的現代化海洋牧場理論和技術創新體系，支撐并引導現代化海洋牧場發展，具有重要的科學價值和戰略意義。
2 海洋牧場研究主要進展和成就
2.1 海洋牧場生態過程與資源環境效應
(1)海洋牧場結構、功能與過程。海洋牧場在提高初級生產力、加速能量流動和物質循環、提升水域生態系統功能方面發揮了重要作用。生態系統結構和功能一直是國際海洋領域的研究熱點，涉及了物種間的營養結構、食物關系、物質的循環和能量的流動過程等。我國在大海洋生態系統及近海主要漁業水域取得了一系列創新成果，提出了“簡化食物網”和“全程食物網”的概念，為海洋生態系統食物網營養動力學的研究提供了新思路。目前，涉及的研究方法有胃含物分析、穩定同位素比率法、生物標志化合物分析法、Ecopath模型等，其中同位素法在水生態系統食物網結構、物質循環和能量流動中得到廣泛應用。近年來，基于高通量測序技術解析構建營養關系的研究發展迅速，逐漸成為食物網研究的新模式。在生源要素遷移、轉化過程的研究方面，主要通過同位素標記、調查和水動力模型進行，如利用IsoSource模型估算各類初級生產者對生物的食物組成貢獻，進一步解析生態系統食物網結構。在生態系統能量流動方面，Ecopath模型可定量描述能量在生態系統生物組成之間的能量流動，評價生態系統成熟狀況，以往主要應用在較封閉的生態系統中，現已廣泛應用于全球各大水域生態的研究。如研究了亞得里亞海北部和中部小型水層魚類及微食物環在該水域生態系統中的作用、加泰羅尼亞的南海水層食物網與底層食物網的耦合以及有機碎屑產生的作用、西班牙北部的坎塔布連海各水層與底棲食物網之間的關系等。
我國針對海洋牧場生態系統結構和功能的研究尚處于初級階段。近年來，以生物地球化學循環角度為切入點，開展了主要經濟動物攝食、代謝生理活動對碳、氮、磷等生源要素關鍵生物地球化學過程的驅動作用和機理研究，建立了蝦夷扇貝、長牡蠣、菲律賓蛤仔等養殖生物的個體生長模型，從個體、群落、生態系統水平上初步構建了生源要素收支模型。與此同時，研究了人工魚礁區生物的種群和群落結構，包括浮游植物、附著生物、底棲和游泳動物等；探討了建礁前后的變化，包括種群生長、群落演替、多樣性和豐富度等。國內多位學者也利用Ecopath模型對嵊泗人工魚礁海區、長江口及毗鄰水域、枸杞海藻場、榮成俚島人工魚礁區和獐子島人工魚礁海域等生態系統的結構和功能變化進行了討論，并評估了不同生態系統的能量流動及穩定性。
隨著海洋牧場建設的不斷發展，必須強化海洋牧場結構和功能及其對近海生態系統影響的認知，從而支撐我國海洋牧場的科學有序發展。
(2)海洋牧場資源增殖與養護效果。生物資源增殖養護和回捕利用是海洋牧場的關鍵問題，海洋牧場建設諸多環節均為此服務。資源增殖在改善漁業資源種群結構和質量以及促進近海漁業的可持續發展方面發揮著極其重要的作用，產生了明顯的效果。日本、美國等發達國家漁業也大力開展資源增殖的研究工作，其放流、標記、追蹤監測以及回捕評估等技術居領先地位；對資源增殖種類的親魚遺傳管理、苗種質量控制和苗種野性馴化都有較為嚴格的要求。如資源增殖種類苗種繁育過程中人為對親本有意或無意的選擇，包括人工授精都會導致快速的進化，而當這些人工培育群體被釋放到環境中后，會造成本土群體基因庫的丟失，進而對本土適應性造成嚴重威脅。通過對約70個資源增殖種類相關研究分析顯示(主要包括31.7％的鮭鱒魚類、15.8％的比目魚類、14.9％的鯛科魚類)，增殖放流導致了放流群體遺傳多樣性水平及放流群體適應性的下降，包括存活率、主動尋找庇護場所、競爭性、繁殖成功率等各項指標。這種降低不僅表現在少數幾個位點等位基因頻率水平(尤其是會導致野生群體應對環境變化水平降低的稀有等位基因的丟失)，還有全基因組水平的降低。研究結果均未表明增殖群體在遺傳水平的改變導致了其環境適應性方面有所增加。極端情況下，大規模缺乏合理規劃的增殖放流會導致群體資源的崩潰，比如美國加利福尼亞的銀大馬哈魚由于大規模增殖放流導致野生群體基因同質化，一定程度上導致了其對環境變化適應性的降低，這被認為是導致群體資源崩潰的主要原因之一。由此可見，發達國家針對資源增殖工作所做的研究主要集中在生態安全和綜合效果評估方面。
我國漁業資源增殖的研究工作有近30年的歷史，但有關資源增殖的基礎研究和相關技術仍然明顯滯后，成熟的漁業資源增殖技術體系尚未形成。基于營養層次水平的漁業資源增殖模式，放流增殖物種或外來物種的監測和評估技術，放流群體所帶來的生態影響、生態系統穩定性影響和遺傳學影響、漁業資源增殖與效果評價技術體系等方面，尚未開展深入的科學研究。
2.2 海洋牧場人工生境工程與信息技術
(1)海洋牧場人工生境工程技術。海洋牧場人工生境是針對牧場區域荒漠化加劇，根據海域流場、環境特征以及生物構成等情況，營造環境與生物協調發展的生息場。人工生境的內涵包含生境營造、生境修復和生境優化三個部分，其主要研究內容包括基于生態系統理論的人工魚礁建造、上升流營造，海藻場、海草床、珊瑚礁修復，生境結構功能優化等。
目前，生境營造工程措施主要依靠人工魚礁實現。人工魚礁是通過人為在海中設置構造物，改善海域生態環境，為海洋生物創造良好棲息環境，提供繁殖、生長、索餌和庇敵場所，以實現保護環境、增殖資源和提高漁獲量。目前世界上眾多瀕海國家都在各自沿海投放了人工魚礁，進行近海海洋生物棲息地和漁場的修復。不同國家、地區有著不同的發展模式，取得了不少成功的經驗，也總結了一些失敗的教訓。我國在20世紀70年代開展試驗性研究，廣東、海南、廣西、遼寧、山東、浙江、福建等地建設人工魚礁試點，投放人工魚礁。
多項研究表明，人工魚礁能增加附近魚群的種類和數量，尤其是當其被設置在遠離自然礁的區域或者被設置在貧瘠廣闊的沙質區域時。可見，人工魚礁作為一種增加漁業資源的方式，是海洋牧場建設中不可缺少的一環。但人工魚礁的投放需要進行合理的選址，選址不當將導致人工魚礁的功能和作用失效，進而妨礙海洋的其他正當用途。而失效后的人工魚礁會改變魚礁投放海域的水動力學特性，形成復雜多變的水文狀況，可能會對海洋生物的生存與棲息產生不利影響，破壞原本脆弱的海洋生態環境。但現階段，我國部分地區所投放的人工魚礁，存在工程措施比較單一，魚礁設計、材料、成礁機理、工程工藝等方面缺乏科學依據等問題，影響到了魚礁建設的整體效果。
事實證明，不是任何海域都適合魚礁建設。因此，建設海洋牧場生境需要一整套措施，如人工上升流和人工下降流等。在人工上升流技術研究方面，日本處于世界領先水平。日本學者率先提出采用大型海洋平臺解決方案，利用水泵抽水實現海底營養鹽的提升，并將其稱之為“拓海(TAKUMI)”工程；2010年，日本水產綜合研究所的中山哲嚴等人提出可在海底堆砌砂石以形成一個有坡度的沙丘，從而改變水平流動的洋流流向，使其產生垂直方向分速度，形成人工上升流的新思路。日本鹿兒島大學Nagamatsu等人還將V型結構用于人工上升流營造。首先通過橡膠或者網幕阻擋海流的水平流動，使海流向固定方向集中，之后將V型結構體布置在目標位置，從而使被阻擋的海流上升以形成人工上升流。挪威采取了氣泡幕舉升法，使用氣泵將氣體向較深海水中注入以帶動水流上涌形成人工上升流。
人工下降流是指科學地投放海底結構物，引發海洋中自上向下的水體流動，將上層富氧海水帶入底層，增加底層水體的溶解氧含量，以保護底棲生物，誘集和增殖各類海洋生物。國外不斷加大、加快對人工下降流技術的研究和應用。目前，美國、日本、瑞典和挪威等海洋強國都開展了相關研究，取得了一系列重要的理論和應用成果。如日本東京大學研制的大型海水密度流發生裝置(Density
Current
Generator，DCG)，使用汽/柴油發電機供能，用水泵同時形成人工上升流和人工下降流，并使之充分混合后在溫躍層上方水平排出。近十年的試驗結果表明，該裝置使Gokasyo海灣的赤潮和低氧現象得到了明顯的改善，其中有害藻華基本消失，低氧水體面積減少了60％。DCG
技術在日本近海、海灣、河口等處得到多次應用，取得了良好的環境效益和社會效益。瑞典政府在ByFjord峽灣(平均水深51米，水體底部長期低氧)建立了大規模生態工程，利用風力和電力將表層海水泵入35米深度的底層低氧水體。兩年的實驗研究結果表明，單個下降流裝置可使近7平方千米低氧水體的平均溶解氧(DO)含量從0mg/L增加到3.7mg/L，該海域水體中的NH4、P、H2S含量大幅度下降，底層水體生物豐度顯著提升。
現階段，我國海洋牧場人工生境技術水平與國際先進水平相比還存在較大差距，尚處于初期探索階段，人工生境技術發展面臨諸多技術瓶頸。例如，生境營造工程措施單一、作用機理不明、人工構件投放缺乏理論依據，海藻、海草場(床)修復與建設缺乏有效措施，牧場生物功能群構建缺乏科學基礎等問題，嚴重制約著海洋牧場高質量建設與科學有序發展。
(2)海洋牧場監測預警信息技術。目前，我國海洋牧場監測預警方面的信息技術體系尚不能保障海洋牧場產業的快速健康發展。我國在海洋牧場生態環境和漁業資源的原位在線監測、三維立體在線監測、水動力—生態耦合、災害預警等方面的基礎理論和技術裝備相對薄弱，信息化水平低下，嚴重制約了海洋牧場實時在線監測體系和預警預報系統的發展。一方面導致海洋牧場仍處于生態環境質量不可見、不可知，牧場經濟物種資源不可統計和不可控的狀態，災害不可預警；而另一方面使得海洋牧場的大力發展缺乏有效監督，存在一定的盲目性，并導致巨大的生態壓力和經濟損失風險。
當前國內海洋牧場常用的監測手段主要是船基大面觀測。無人機監測、無人船監測、平臺式在線監測、海底有纜在線監測等新的監測技術和手段也開始得到廣泛應用。例如2016年，無人機遙感監測和平臺式在線監測被應用到海洋牧場周邊近海綠藻和海域海水溶解氧和溫度的監測中。海底有纜在線監測是發展較早、也是目前應用最為廣泛的一種在線監測方式。與平臺式在線監測系統不同，海底有纜在線監測系統主要由水下監測平臺、雙向通訊系統和陸上終端控制系統等三部分組成。海底有纜在線監測具有高度穩定性和可擴展性，已被廣泛應用于山東省海洋牧場海洋生態環境的業務化監測中。為了保障海洋牧場海域的生態環境安全，山東省“海洋牧場觀測網”建設項目于2015年正式啟動。山東省海底有纜在線監測系統已布放在20多個海洋牧場之中，組成了海洋牧場監測網絡，初步實現了海洋牧場的“可視”、“可測”和“可報”。
相對于海洋要素的監測，國內外海洋牧場在漁業資源統計和監控方面均發展較早，相關技術亦較為成熟。漁業資源統計和監控方法大致上可以分為人工監測和傳感器監測等。人工進行漁業資源的統計和監控是國內外海洋牧場最早采用的方法。而隨著海洋科學技術的發展，海洋牧場漁業資源統計和監控也進入第二個階段，即傳感器監測階段。如利用多波束回聲探測儀研究臺灣島周邊海域人工魚礁的空間分布情況，從而統計和監測漁業資源；研發了一種雙頻識別聲吶，可以識別目標并進行追蹤，從而給出魚的數量、大小、平均移動速度和方向等信息，在一定程度上提高了漁業資源監測評估的水平；研發了魚類資源水下立體攝像分析方法，制作了配套裝置和分析軟件，并將其應用于人工魚礁區重要魚類資源的生物量、種群密度及其他生物學指標等監測分析中；利用計算機視覺與深度學習方法相結合，提出了一種基于YOLO
(You Only Look
Once)算法的端到端(End-to-End)魚群檢測方法，只需直接輸入魚群原始材料，可直接得到可用的結果，而不用去關心中間的產物。海洋要素的觀測和漁業資源的統計與監控可以讓管理者對海洋牧場過去和當前的狀況有較好的認識和把握。隨著海洋牧場的高速發展，對海洋牧場水動力和生態環境進行業務化預報、對特定海洋災害進行較為準確的預警就顯得尤為重要。國外學者建立了波羅的海北部19個河口低氧的多元回歸分析統計模型。除統計預警預報外，目前較為常用的是基于水動力模型和生態模型的數值預報，基于ROMS(regional
ocean modeling
system)—生態耦合模型較好地再現了墨西哥灣低氧的形成過程，并在此基礎上，探討確定了墨西哥灣北部低氧區的可預報性。相對而言，國內還未有針對海洋牧場海域海洋災害的數值預報預警系統。
由于監測與預警體系建設的不足，我國海洋牧場的信息化水平總體不高。目前值得借鑒的是山東省海洋牧場在信息化建設方面的研究和實踐。自2015年啟動建設海洋牧場觀測網，山東省一直致力于海洋牧場的信息化建設，提出海洋牧場“四個一”建設標準，即海洋牧場陸域配套建設“一廳(展示廳)”、“一室(監控室)”、“一院(研究院)”和“一館(體驗館)”，提升海洋牧場建設的可見性和可控性。建立了海洋牧場觀測網數據中心，業務內容涵蓋海洋牧場觀測網數據的采集、處理、展示以及海洋災害的預警報等多方面，為海洋牧場健康發展提供了技術支撐、決策依據和服務保障。
綜上所述，未來必須深化原位及三維立體在線監測、水動力—生態耦合和預警預報等方面的基礎理論和新方法與新技術的研究，構建海洋牧場立體監測網絡和預警預報系統，加強海洋牧場信息系統建設，為保障海洋牧場生態環境安全、實現可持續發展提供堅實的支撐。
2.3 海洋牧場總體布局與綜合管理的理論基礎
(1)海洋牧場總體布局。海洋牧場承載力評估是海洋牧場布局規劃的前提，也是現代化海洋牧場建設的核心內容之一。有效評估海洋牧場生物承載力，是從全局角度統籌規劃我國現代海洋牧場建設的需要，是實現我國現代海洋牧場可持續發展的保障。可以為確定合理的建設規模，選擇合適建設方法提供數據指導，如基于生物承載力選擇合適的海洋牧場生物增殖種類、確定合理的生物資源投放流量與投放規模，進而達到精準增殖生物資源的效果；其次，有效評估海洋牧場生物承載力，也是開展海洋牧場可持續經營管理活動的必要條件。
如生物承載力是海洋牧場生物生產力的重要指數，依據生物承載力確定最大可持續采捕量，可以用以指導海洋牧場開展可持續捕撈活動，實現對海洋牧場漁業資源的可持續利用，達到區域內多個海洋牧場建設經濟效益和生態效益最大化的效果。對于海洋生態系統生物承載力的研究，在世界范圍內已經開展了多年。其研究方法從最開始的用經驗法判斷評估生物承載力，逐漸發展為利用生物個體生長的能量收支模型對生物承載力進行評估，最后發展到從生態系統水平出發，基于生態系統方法評估生物承載力的階段。如利用Logistic模型對浙江嵊泗人工魚礁區魚類生物功能群和大型無脊椎動物生物功能群承載力的評估；利用能量收支的方法，對阿拉斯加威廉王子灣對太平洋鮭魚的生物承載力的評估；以及利用經驗研究法，對切薩皮克灣藍蟹(Callinectes
sapidus)育幼場中藍蟹的生物承載力進行了評估。在諸多承載力評估模型中，Ecopath模型被推薦為評估海洋牧場生物承載力的合適方法之一，被廣泛運用于對大洋、近岸海灣與潟湖、池塘等生態系統中生物承載力的評估，是對海洋牧場生物承載力進行評估的主要方法，如對海洋牧場人工魚礁區刺參(Apostichopus
japonicus)、皺紋盤鮑(Haliotis discus hanai)、蝦夷 扇貝(Patinopecten
yessoensis)、日本蟳(Charybdis japonica)、脈紅螺(Rapana venosa)等生物承載力進行了評估。
但目前在基于Ecopath模型評估海洋牧場生物承載力的研究中，均未考慮海洋牧場作為相對開放的水域生態系統，其與相鄰水域生態系統之間的連通性更好，不僅是單純的水交換，還包括生物之間的遷徙、移動等。因此需要與物理海洋學學科相交叉，計算水交換對海洋牧場系統的物質能量補充量，更加準確評估海洋牧場生物承載力，以期為海洋牧場總體布局提供理論參考。
(2)海洋牧場綜合管理。隨著我國海洋牧場建設理念不斷的更新、規模不斷的擴大、技術要求不斷的提高，牧場的風險防控、效益評估與相關政策支撐建設仍有很大缺口。
海洋牧場的風險防控是獲取海洋牧場高效益及構建對應政策體系的基礎，及時高效的風險防控是牧場養殖產物健康生長的保障，也是不斷完善管理決策方法以應對潛在及突發風險的根本。風險防控需全面準確評估海洋牧場面臨的生態風險，包括確定針對牧場的各類風險來源、風險危害度、不同物種及生境的脆弱性和隨時間推移及空間變化的不確定性。目前，國內外關于生態風險評估的模型開發和評估技術日趨成熟，已從單一因子、靜態的風險評估，發展到多因子系統化累積性風險評估，包括全息神經網絡模型、神經網絡模型、貝葉斯網絡模型等，但鮮有關注生態系統內部的相互作用和風險傳遞機制。并且，海洋生態系統由于其海水介質的流動性、生態系統監測和數據采集的高成本和高難度，一直以來都滯后于陸地生態系統，專門針對海洋牧場風險評估方法和技術手段的研發更是少有。
隨著海洋牧場建設規模不斷擴大，監測手段不斷提高，可獲取的海洋牧場監測信息包括海洋生物、海洋理化性質、海洋經濟等數據量級越來越大，開展海洋牧場生態風險防控理論與技術研究已具備現實的可能性。海洋牧場屬于海洋中典型的人工和自然復合生態系統，在基于已有的陸地生態系統風險評估經驗和海洋牧場的復合生境下，如何從系統生態學視角解構生態風險在復合生態系統中的傳導機制與累積放大效應是牧場風險防控需要解決的關鍵問題。急需建立基于信息網絡的全局生態風險評價模型，兼容多種風險源和多種風險受體的共同評估與預測，以揭示牧場復合生態系統生態風險傳遞機制，并找出關鍵風險可控因子，不斷完善及構建各部門及各管理人員高效率、易協調、及時性的管理決策流程，為牧場風險最小化管理提供科學支撐。
效益評估是檢驗海洋牧場的重要手段，不僅是對風險防控的績效評價，也是及時調整并不斷完善海洋牧場管理手段及政策的關鍵，對于海洋牧場的規模更新、技術升級、健康可持續性非常重要。海洋牧場作為直接創造海洋經濟的新增長點同時也是海洋生態修復的新手段，其效益涉及多個方面。以往的海洋經濟效益評估往往著重于漁業產量、勞動力創造、經濟增比等社會經濟價值，而海洋生態效益評估研究多關注于不同生態系統中生態系統服務靜態價值，主要的評估方法包括生態系統服務理論模型、生態足跡模型和能值模型，鮮有綜合考慮經濟效益、社會效益和生態效益，即需要應用投入產出分析方法來綜合評估海洋牧場全生命周期的經濟、社會和生態效益。投入產出分析(Input-output
analysis，IOA)由Leontief提出后不斷完善，從用于單一的生產經濟系統，到應用于復合的自然經濟系統，將自然資本納入到傳統生產函數中，增加環境維度，可較好地反映生態環境系統中投入產出及綜合經濟生態效益，可形成對海洋牧場全方位效益的全面動態分析及評估。
在海洋牧場法律法規建設、規劃設計和評估監管體系建設方面，國家部委和地方層面均已著手開展相關工作，并出臺了部分規范、規劃和標準，包括《國家級海洋牧場示范區管理工作規范(試行)》、《國家級海洋牧場示范區建設規劃(2017—2025)》、《全國海洋牧場建設規劃(2016—2025)》、《山東省海洋牧場觀測網管理暫行辦法》等。然而有很大一部分的政策文件尚處于試行或規劃階段，十分有必要進行相關政策情景模擬分析，進一步完善相關政策制定，盡早地達到高效及時的風險防控及效益增值。情景模擬是西方政策分析過程的重要工具，2018年諾貝爾經濟學獎獲得者WilliamD.Nordhaus的主要貢獻就是創立了綜合分析模型(IAM，integrated
assessment
model)，建立經濟與氣候之間的相互作用定量關系，可用于測試例如碳稅等相關氣候政策干預經濟的后果。該模型一直應用于聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental
Panel on Climate
Change，IPCC)氣候變化政策建議情景模擬，可將不同維度的因子轉化整合為同一維度相互關聯模型，且可對潛在的不確定性進行預估。我國政策情景模擬基本沒有應用于海洋相關的政策制定，因此基于綜合分析模型開展海洋牧場不同政策力度、規劃情景下的模擬研究，并結合現實經驗不斷探索和完善各類情景管理策略，可為海洋牧場未來的政策制定提供科學依據，最終形成我國成熟、完備、高效、有序的海洋牧場管理體系。
3 未來5~10年現代化海洋牧場
多學科交叉研究目標及資助重點
3.1 發展目標
近年來，我國海洋牧場相關技術原理與應用實踐系列研究進展顯著。但不可忽視的是，由于海洋牧場涉及多學科交叉的復雜性與綜合性，其基礎研究與傳統農業、基礎工程間仍有較大差距。在近海海洋生態環境承載力理論與評估方法、海洋牧場人工生境的工程技術、海洋牧場監測預警信息技術、典型海洋牧場生態過程及其資源養護和增殖效應、海洋牧場風險防控與綜合管理等方面，其科技支撐能力還相對薄弱。
未來5~10年，必須面向國家海洋生態文明建設的重大戰略需求，針對海洋牧場建設和發展亟需解決的瓶頸問題，通過學科交叉與融合，實現海洋牧場認知創新和重大技術突破，初步形成現代化海洋牧場理論和技術創新體系，支撐現代化海洋牧場高質量建設和有序發展。
3.2 資助重點
本次雙清論壇與會專家經過深入研討，凝練了3個海洋牧場重大關鍵科學問題：(1)海洋牧場生態過程及其資源環境效應；(2)海洋牧場人工生境工程的生態響應機制；(3)海洋牧場生態風險耦合機理與適應性管理模式。建議未來5~10年海洋牧場應通過多學科交叉，著重圍繞以下5個領域開展原創性研究。
(1)海洋牧場與毗連海域的互作機制和承載力評估。綜合評價我國近海的生產力及其變化特征，廓清我國近海適宜建設海洋牧場區域；研究海洋牧場建設對近海理化環境的影響，查明氣候變化和外源輸入對海洋牧場環境的影響，探明其變動特征和遷移轉化規律；構建海洋牧場生態系統健康水平與生產力評估指標體系，研究生態承載力評估模型和方法，系統評估其生態承載力。
(2)海洋牧場人工生境的工程技術促進機制。研究海洋牧場人工生境及資源生物增殖與工程技術的耦合關系，解析人工生境工程的流場效應和人工系統結構、布局等對牧場生態的作用過程，開展基于流場調控的生境營造裝備、海藻(草)場和珊瑚礁生境修復等共性關鍵技術研究、探索提升海域初級生產力和防治低氧災害等的人工流場調控途徑，闡明海洋牧場人工生境的工程技術促進機制。
(3)海洋牧場生態過程及其資源養護和增殖效應。研究不同類型海洋牧場的物質基礎與關鍵動力學過程耦合機理，解析其生源要素外部補充和內部循環機制；研究海洋牧場食物網結構及營養動力學，解析其生態系統結構及其功能實現過程；研究主要增殖種類種群動力學、行為及生理學變化特征，揭示其適應性響應機制；研發不同類型海洋牧場資源環境生態效應評估模型，評價其資源與環境生態效應。
(4)海洋牧場在線組網監測與災害預警。研究海洋牧場關鍵環境和漁業資源參量原位在線監測機理、技術方法及水下多參數信息集成通用平臺技術；研究水動力、生物量和生態災害等要素集成激光雷達、聲學遙測和衛星遙感三維成像原理和方法；研究水動力—生態耦合機理及在線觀測數據同化預警模型；研究不同載體跨介質信息組網及與災害數值預警的集成機理和技術，構建信息化原型驗證系統。
(5)海洋牧場風險防控機制與綜合管理體系。研究典型海洋牧場生態風險傳遞機制，構建風險網絡化評估和預報模型，確定生態安全閾值，提出適應性風險調控途徑；構建三產融合的全產業鏈投入產出模型，評估海洋牧場生態、社會、經濟綜合效益；開展政策情景模擬研究，優化綜合管理模式，科學助力海洋牧場高質量安全發展。
4 結 語
現代化海洋牧場能夠綜合實現海洋環境保護、資源養護和漁業持續產出，引起了社會各界的廣泛關注。然而我國海洋牧場面臨著諸多問題：建設區域與毗連海域的相互影響機制不清，海洋牧場區域環境和資源承載力評估模型亟待構建；海洋牧場生境營造工程技術單一，作用機理不明，技術基礎薄弱；海洋牧場生態系統結構及其功能實現過程與機理不清，難以科學評估資源與環境效應；海洋牧場生態環境和漁業資源的高精度實時監測、災害預警等方面的基礎理論和技術裝備相對薄弱；海洋牧場風險防控手段落后，安全保障能力和生態—社會—經濟綜合效益亟待提升等。整合各學科技術優勢，包括地球科學、生命科學、管理科學、信息科學、工程與材料科學等多學科交叉是解決這些問題的必要途徑。今后需進一步加強多學科交叉研究，針對現代化海洋牧場建設與發展的重大問題，以及未來5~10年海洋牧場多學科交叉研究目標及資助重點，推動海洋牧場基礎研究和科技創新，促進海洋牧場產業發展，以期為我國海洋漁業升級轉型、海洋生態環境保護提供參考。
致謝 感謝為第230期雙清論壇“現代化海洋牧場建設與發展”作出貢獻的40余位專家學者，以及相關部門領導和會議志愿者(未能一一列舉)！尤其感謝中國水產科學研究院黃海水產研究所唐啟升院士、國家自然科學基金委員會沈林福研究員等人對論壇觀點形成給予的有益指導！
新聞來源：
《中國科學基金》
作者：
林承剛，楊紅生，陳鷹，金顯仕，陳彬，李薇，任之光，冷疏影，丁德文
作者單位：
1.中國科學院海洋研究所，青島266071
2.浙江大學海洋學院，舟山316021
3.中國水產科學研究院黃海水產研究所，青島266071
4.北京師范大學環境學院，北京100875
5.國家自然科學基金委員會地球科學部，北京100085
6.國家自然科學基金委員會管理科學部，北京100085
7.自然資源部第一海洋研究所，青島266061