東山灣海水養(yǎng)殖布局變化的遙感研究

高亮明，李 炎，鐘碩良，羅冬蓮

（1.廈門大學 海洋與地球學院 ，福建 廈門 361005；2.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室，福建 廈門 361005；3.福建省水產研究所，福建 廈門 361012）

0 引言

被譽為“藍色革命”的水產養(yǎng)殖業(yè)，作為緩解人類對食物需求的壓力，避免對海洋過度捕撈的重要手段，備受世界關注［1－3］。海灣，是海水養(yǎng)殖業(yè)的主要基地，我國面積大于10km2的海灣有100多個［4］，但海灣水產養(yǎng)殖產生的非點源污染問題也同樣受到廣泛關注。ROSENTHAL et al［5］的研究證實，網(wǎng)箱養(yǎng)殖中投入飼料僅有20%～25%被有效利用，其余部分都以殘餌、糞便等形式排放到環(huán)境中。由于海水養(yǎng)殖導致海水營養(yǎng)過剩，進而引發(fā)赤潮［6－8］。如何在繼承性的產業(yè)結構下管控海灣富營養(yǎng)化趨勢，已經(jīng)成為我國海灣綜合管理中不可回避的問題。

許多學者提出利用大型海藻對富營養(yǎng)化海域進行生物修復的方案。如瑞典的HAGLUND et al［2］，智利的TROELL et al［9］在魚類養(yǎng)殖區(qū)混養(yǎng)江蘺；楊宇峰等［10－13］以廣東南澳島周邊海域為基地進行大型海藻的生態(tài)修復原理研究；湯坤賢等［14－16］的大型海藻生態(tài)修復技術的小規(guī)模試驗在福建東山灣均得到正面的結論。但是，當大型海藻生態(tài)修復面積擴大到100km2尺度的海灣又會如何呢？

本文以1999年到2012年間的東山灣為例，以歷史遙感數(shù)據(jù)為基礎，觀測海水養(yǎng)殖類型結構與布局的時空變化，結合同期水體營養(yǎng)鹽監(jiān)測成果，對這個海灣尺度的“大型海藻養(yǎng)殖生態(tài)修復原型試驗”進行回顧性分析，據(jù)此研究海水養(yǎng)殖規(guī)模、結構與布局對半封閉海灣營養(yǎng)鹽負荷的影響。

1 研究區(qū)概況

東山灣是福建著名海灣之一，沿岸分屬于東山、云霄和漳浦三個縣，海灣總面積247.89km2，其中0 m線以深海域面積155.50km2。該灣三面為山丘環(huán)抱，呈不規(guī)則的梨形伸入陸地，灣頂有漳江入海，灣口朝南，兩側東山銅陵鎮(zhèn)和漳浦古雷半島遙相對望，構成經(jīng)由口門東、西兩水道及其上游5條指狀槽溝連通的半封閉海灣。該海灣水質肥沃，生境豐富，為多種魚、蝦、貝、藻類增養(yǎng)殖的極好場所，已成為福建省主要的海水養(yǎng)殖基地之一［17］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文選用的遙感數(shù)據(jù)包括1999年，2002年，2004年 ，2007 年 ，2008 年，2009 年，2010 年，2011 年和2012年東山灣Landsat 5TM和Landsat 7ETM遙感影像（表1）。由于江蘺屬龍須菜，生長的適溫范圍是12～26℃［18］，所以選擇下載10月—翌年1月間遙感數(shù)據(jù)。輔以現(xiàn)場照片、天地圖及Google Earth等網(wǎng)站高分辨率遙感圖片用于樣本訓練與分類檢驗。

2.2 目標光譜特征

東山灣的海水養(yǎng)殖方式主要有網(wǎng)箱養(yǎng)殖（魚類和鮑魚養(yǎng)殖為主）和延繩式養(yǎng)殖（龍須菜等大型海藻為

表1 遙感影像成像時間及環(huán)境參數(shù)Tab.1 The time of remote sensing images and environmental parameters

主）兩類。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水面上的浮體與甲板占有一定的面積，具有可見光反射率高、近紅外與短波紅外反射率更高的陸域信息特點（圖1）。延繩式養(yǎng)殖區(qū)水面浮體面積小，大部分反射體為位于水下的吊養(yǎng)生物，不同程度地表現(xiàn)出可見光反射率偏低，位于光合作用吸收峰的藍光波段與紅光波段反射率更低，位于近紅外與短波紅外反射率最低的藻類信息特征（圖1）。

圖1 東山灣口海水養(yǎng)殖區(qū)TM R5／G3／B2假彩色遙感圖（a）與Google Earth圖像（b）Fig.1 False color remote sensing image of TM R5／G3／B2（a）and Google Earth Image（b）of mariculture in mouth of Dongshan Bay

2.3 海水養(yǎng)殖遙感信息提取

遙感信息提取流程框圖如圖2所示。應用ENVI 4.5軟件讀入表1選用的遙感影像（其中2011年和2012年的Landsat 7ETM數(shù)據(jù)采用影像自適應回歸模型填充缺失條帶［19］），采用掩膜技術分離研究海域后，通過天地圖或Google Earth等網(wǎng)站的高分辨率遙感圖像與現(xiàn)場照片，目視識別網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和延繩式養(yǎng)殖區(qū)，建立兩類養(yǎng)殖區(qū)的訓練區(qū)；采用最大似然法對遙感影像進行監(jiān)督分類（置信度設為0.95）；分類結果再通過天地圖或Google Earth等網(wǎng)站的其他高分辨率遙感影像與現(xiàn)場照片進行目視檢驗與修正。

鑒于網(wǎng)箱區(qū)內包括箱外水面，需進行網(wǎng)箱養(yǎng)殖類型像元的網(wǎng)箱面積修正。選定3塊實驗海域，根據(jù)同期Google Earth圖像判讀網(wǎng)箱數(shù)和網(wǎng)箱規(guī)格，統(tǒng)計的網(wǎng)箱面積對應為0.067 45，0.224 9，和0.082 4km2，修正系數(shù)對應為0.342，0.318和0.348。取其平均值（0.336）對網(wǎng)箱養(yǎng)殖類型像元進行面積修正。

圖2 遙感信息提取流程框圖Fig.2 Flow diagram of remote sensing information extraction

2.4 海水養(yǎng)殖氮、磷排放量和吸收量估算

將投餌料為主的網(wǎng)箱養(yǎng)殖類型視為氮源與磷源，僅估算總氮（TN）和總磷（TP）排放量，計算公式為：

式中：TNd和TPd分別表示網(wǎng)箱養(yǎng)殖類型的氮、磷年排放量（單位：t·a－1）；Ai為網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積（單位：km2）；fN和fP分別表示網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷單位面積年排放量（單位：t·km－2·a－1）。如何確定fN和fP是估算氮、磷負荷的關鍵。黃秀清等［20］在總結GOWEN et al［21］，楊逸萍等［22］經(jīng)驗的基礎上，計算了浙江象山港魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖產生的營養(yǎng)物污染負荷：氮為38.33t·km－2·a－1，磷為5.70t·km－2·a－1。本文研究區(qū)東山灣與象山港同為封閉型海灣，兩者網(wǎng)箱養(yǎng)殖的營養(yǎng)物污染負荷水平接近，因此采用上述參數(shù)根據(jù)公式（1）和（2）可估算東山灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖類型的氮、磷年排放量。

將大型藻類養(yǎng)殖為主的延繩式養(yǎng)殖類型視為氮匯與磷匯，僅估算總氮（TN）和總磷（TP）吸收量，計算公式如下：

式中：TNa和TPa分別表示延繩式養(yǎng)殖的氮、磷年吸收量（單位：t·a－1）；Aj為延繩式養(yǎng)殖面積（單位：km2）；CN和CP分別表示大型海藻的氮、磷含量（干重，單位：%）；Sj為大型海藻的單位面積產量（干重，單位：t·km－2）。有關CN、CP和Sj等參數(shù)的研究較多，如日本有學者研究了江蘺的氮、磷含量［23］，也有相關學者研究了大連2號和3號海帶的磷含量［24］。HAGLUND et al［2］、TROELL et al［9］、劉瑞義［25］、忘春忠等［26］對海帶、龍須菜等大型海藻的成份、單位面積的產量等也進行過相應的研究。本文考慮到延繩式養(yǎng)殖的大型藻類主要為龍須菜類，綜合以上研究成果，有關參數(shù)的取值如下：氮含量為1.90%（干重）、磷含量為0.23%（干重），單位面積產量為3.4×103t·km－2（干重）。

2.5 營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)

東山灣水體各年溶解態(tài)無機氮（DIN）與溶解態(tài)無機磷（DIP）數(shù)據(jù)引用自福建省海洋與漁業(yè)系統(tǒng)的長期監(jiān)測統(tǒng)計結果。其中，1984—2005年的數(shù)據(jù)引自“福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究”項目的專著［27］，2007—2011年的數(shù)據(jù)引自福建省水產研究所的研究報告。

3 結果與討論

3.1 東山灣海水養(yǎng)殖區(qū)的分布與變化

圖3為1999至2012年間東山灣海域網(wǎng)箱養(yǎng)殖與延繩式養(yǎng)殖分布的遙感識別結果。統(tǒng)計結果表明，近10余年來為東山灣海水養(yǎng)殖面積高速擴展期（表2和圖4a），0m等深線以下海域的海水養(yǎng)殖面積由1999年的1.3%擴展到2012年的13.3%（按0m線以下海域面積為155.50km2計算）。其中，網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積從1999年的0.37km2增加到2012年的3.41km2。延繩式養(yǎng)殖面積從1999年的1.67km2增加到2012年的17.30km2。1999年至2012年間的延繩式養(yǎng)殖與網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積比在3.3～10.1間波動，平均為5.6。

3.2 海水養(yǎng)殖結構調整對水質的影響

為了估算該海灣尺度“原型試驗”的成果，運用公式（1）～（4），估算東山灣海水養(yǎng)殖氮、磷年排放量和年吸收量（表2和圖4）。由圖4b可見，1999年至2007年間東山灣延繩式養(yǎng)殖的氮吸收量已大于網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮排放量，雖然東山灣還繼續(xù)接受可觀的陸源氮排放影響，但始于80年代的DIN增加趨勢已得到節(jié)制［27］。東山灣水體DIN滑動平均值從1984年之后呈指數(shù)關系上升，在2001年達到近280μg／L的峰值后逐漸下降。海灣水體中氮的富營養(yǎng)化壓力因網(wǎng)箱魚類養(yǎng)殖轉為鮑魚養(yǎng)殖和大面積養(yǎng)殖龍須菜的生態(tài)修復作用而得到釋緩。

表2 東山灣海水養(yǎng)殖面積及其對水環(huán)境影響的統(tǒng)計結果Tab.2 Statistics of mariculture area and its effects on water quality of Dongshan Bay

圖3 1999年至2012年東山灣海水養(yǎng)殖區(qū)遙感解譯圖Fig.3 Remote sensing retrieved map of mariculture area in Dongshan Bay from 1999to 2012

但在海水養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大的2007年至2012年期間，盡管延繩式養(yǎng)殖的氮吸收量仍明顯大于網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮排放量，海灣水體DIN滑動平均值繼續(xù)呈下降趨勢（2008—2010年東山灣有機污染物指數(shù)和富營養(yǎng)指數(shù)也反映出水質明顯變好的趨勢［28］），卻明顯迭加了250μg／L左右的DIN變幅：其低值降到20世紀80年代水平，高值卻超過位于滑動平均峰值的2001年。東山灣一定規(guī)模的大型海藻養(yǎng)殖能使海水DIN水平得到控制，但大規(guī)模的海水養(yǎng)殖擴展使半封閉海灣生態(tài)系統(tǒng)逼近敏感的臨界狀態(tài)［29］。

由圖4c可見，東山灣水體DIP滑動平均值從1984年往后呈指數(shù)關系上升，1994年達到峰值，接著在1994—1998年間出現(xiàn)變幅達25μg／L的過渡過程后，DIP逐步下降到10μg／L左右的水平。1999年后東山灣延繩式養(yǎng)殖的磷吸收量大于網(wǎng)箱養(yǎng)殖的磷排放量，盡管還接受可觀的陸源磷排放影響，始于20世紀80年代的DIP增加趨勢得到節(jié)制［27］，海灣水體中磷的富營養(yǎng)化壓力也因網(wǎng)箱魚類養(yǎng)殖轉為鮑魚養(yǎng)殖和大面積養(yǎng)殖大型海藻的生態(tài)修復作用而得到釋緩。

在海水養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大的2007年至2012年期間，海灣水體DIP平均值逐年下降，沒有如DIN一樣迭加較大的年際增幅。在此期間，估算的東山灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖磷排放量已明顯小于延繩式養(yǎng)殖磷吸收量（表2），加上積累在海灣沉積物的顆粒態(tài)磷再礦化等“緩沖作用”，大型海藻養(yǎng)殖對半封閉海灣水體中磷富營養(yǎng)化壓力的修復作用緩慢但穩(wěn)定。

3.3 海水養(yǎng)殖布局調整對水質的適應

沿主水道將東山灣分成6個小區(qū)（不包括八尺門水道）：（1）灣口以北0～3km、（2）灣口以北3～6km、（3）灣口以北6～9km、（4）灣口以北9～12km、（5）灣口以北12～15km和（6）灣口以北15km以上，統(tǒng)計各區(qū)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積與延繩式養(yǎng)殖面積（圖5）。東山灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖的分布中心在灣口以北3～9km區(qū)間，外圍延伸到灣口以北0～12km區(qū)間。延繩式養(yǎng)殖的分布中心位于灣口以北6～15km區(qū)間，外圍延伸到灣口以北0～15km區(qū)間。

圖4 東山灣海水養(yǎng)殖面積（a）、DIN及網(wǎng)箱養(yǎng)殖氮排放與延繩式養(yǎng)殖氮吸收（b）、DIP及網(wǎng)箱養(yǎng)殖磷排放與延繩式養(yǎng)殖磷吸收（c）的年際變化Fig.4 Time series of mariculture area（a），DIN and nitrogen discharge of cage culture and nitrogen absorption of longline culture（b），DIP and phosphor discharge of cage culture and phosphor absorption of longline culture（c）in Dongshan Bay

圖5 東山灣沿主水道6個小區(qū)海水養(yǎng)殖面積及氮、磷負荷的變化Fig.5 Adjustments of mariculture area and estimated nutrient load along main channel of Dongshan Bay

從1999年到2010年，以灣口以北3～6km區(qū)間為分布中心的口門網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)面積持續(xù)擴大，相應的氮、磷排放量也持續(xù)增加。以灣口以北6～15km區(qū)間為分布中心的延繩式養(yǎng)殖區(qū)也在擴張，相應區(qū)內的氮、磷吸收量也迅速增加，除足以平衡區(qū)內網(wǎng)箱養(yǎng)殖所產生的氮、磷排放量外，還可以因較緩的水體交換率［27］，提高區(qū)內的氮、磷吸收量，改善整個東山灣水質環(huán)境。2010年因古雷港區(qū)建設海域使用需求，原來集中分布在水交換率為0.1～0.2［27］左右的灣口以北3～6km海域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖中心，逐年上移到水交換率為0.3～0.4的區(qū)域，但更靠近于延繩式養(yǎng)殖分布中心，使得這區(qū)域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖排放的氮、磷也更易被延繩式養(yǎng)殖區(qū)所吸收。此種合理的養(yǎng)殖布局對緩解東山灣海域的富營養(yǎng)化趨勢具有正面的效應。

4 結論

（1）近10余年來東山灣海水養(yǎng)殖面積高速擴展，0 m線以深海水養(yǎng)殖面積由1999年的1.3%擴展到2012年的13.3%，大型藻類為主的延繩式養(yǎng)殖面積約為以魚類和貝類養(yǎng)殖為主的網(wǎng)箱養(yǎng)殖面積的5.6倍。

（2）在海水養(yǎng)殖面積高速擴展，并且大型藻類為主的延繩式養(yǎng)殖的氮、磷吸收量多于魚類與貝類養(yǎng)殖為主的網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷排放量的條件下，海灣水體的富營養(yǎng)化趨勢得到緩解。

（3）海水養(yǎng)殖規(guī)模過快擴展可能誘發(fā)主要表現(xiàn)在氮循環(huán)上的海灣生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（4）東山灣養(yǎng)殖布局經(jīng)過多年的適應性調整，網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要集中于水交換能力較強，有利于氮、磷排放擴散的近口門海域，延繩式養(yǎng)殖主要集中在水交換能力較弱，營養(yǎng)鹽較高且有利于氮、磷吸收的灣內海域，為緩解海灣富營養(yǎng)化趨勢提供了有益經(jīng)驗。

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