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    為了這些“肥宅”,我們在海底建造了很多奇形怪狀的房子

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    出品:“SELF格致論道講壇”公眾號(ID:SELFtalks),作者:張立斌,中國科學院海洋研究所特聘研究員。


    大家好,我叫張立斌,來自中國科學院海洋研究所。很高興也很榮幸來到SELF格致論道講壇。我今天主要想與大家分享一下我們團隊關于海洋牧場的一些研究經歷,跟大家共同探討,用另一種方式來思考耕海牧漁。

     

    海洋的現狀


    在所有人的心目中,大海應該是浩瀚、美麗、神秘的,充滿了生機與活力,有各種各樣的生物。我相信我兒時對大海的印象,也正是咱們在座的各位對大海的印象。

     

    海洋


    帶著這種對大海的向往,高考時我報考了位于青島的中國海洋大學,并在中國科學院海洋研究所完成了我的碩士和博士學習,師從楊紅生研究員。


    因為我所學專業跟海洋相關,所以做了一些和海洋牧場相關的研究,博士期間也深入到了山東半島,包括遼東半島的幾個重要的海灣開展科學研究和調查。

     

    2009年,我們來到了萊州灣。根據潛水員拍到的畫面,什么也沒有看到。這也是和我曾經對海洋的設想形成巨大反差的地方。當我們的潛水員潛到海底,去發現心目中浩瀚的海洋時,沒想到海底居然荒蕪一片,連一根海草也沒有。到底出了什么問題呢?

     

    我們來看一組數據。有媒體報道:“我國近海海域一半以上受到污染;1950年以來,全世界1/4的漁業已經崩潰;全球90%的大型魚類已在海洋滅絕;全世界1.7%的巨型工業漁船捕獲了全球60%的魚。”


    而且,令人惋惜的是,現在很多漁民還在用絕戶網進行拖網,造成了底棲環境的破壞,使魚類失去了棲息地。

     

    問題是什么呢?全球變化和人類活動造成了生境的退化和資源的衰退。生境,就是生物賴以生存的生態環境;資源,主要指生物資源,比如魚、蝦、貝、藻、參等。一直以來,科學家都在尋找解決方案以減緩當前生境退化、資源衰退的趨勢。


    建設海洋牧場


    大約在20世紀50年代,中國水產科學研究院黃海水產所,包括中國科學院海洋研究所的一些前輩和科學家就提出了海洋生態農牧化的理念。


    近年來,我們把它發展成海洋牧場的理念,我們的團隊也一直致力于海洋牧場的科技研發和實踐。


    提到海洋牧場,可能大家首先會想到牧場:一望無際的大草原,風吹草低見牛羊,成群結隊的牛羊快樂地奔跑,尋找自己喜歡的食物……


    我們設想的海洋牧場應該也是這樣:海里有海草有海藻,魚蝦們自由地覓食,有家可以讓它們躲避危險,而我們還會提供給它們一個非常好的保障空間,讓它們在適宜的環境里覓食、生存。


    設想海洋牧場


    這就是海洋牧場——在特定的海域里,充分利用自然生產力,利用現代工程技術建成的一種人工漁場。

     

    海洋牧場包括三個部分:第一是生境的修復,類似我們建草坪蓋房子的過程;第二是資源的養護,也就是我們把小魚小蝦投放到海里的過程;第三是環境和資源的監測,即利用現代化工程技術手段,比如水下ROV(遙控無人潛水器,主要用于水下觀察、檢查和施工)監控海洋環境。這樣就形成了一個立體化的海洋牧場。

     

    生境修復與資源養護


    說到生境修復,我們先來看看這幅圖。



    大家猜一猜圖中的房頂是用什么材料做成的?如果我不說,估計大家很難猜到它們居然是用海草做成的。這是我們在榮成灣做生境修復,做海草床修復的過程中拍攝的一些照片。


    海草房是榮成當地有名的非物質文化遺產,用海草做的房頂防水、透氣又保溫。而且,很多人已經把海草用在隔音裝備上了。我們是不是也可以考慮用海草來研制一些防寒透氣的衣服,從而代替現在的沖鋒衣呢?

     

    這么好的海草我們怎么去種植,如何去恢復呢?很多人都會想到播種和移植。播種很簡單,挖坑把種子埋起來就好了。


    一開始我們也是這么想的,于是第一年的秋天,我們在榮成灣挖了很多坑把種子埋了起來,結果一直等到第二年春天,其他植物的花兒都謝了,我們種的種子還沒有發芽。


    這到底是怎么回事呢?后來,我們在研究種子萌發條件的時候發現,青島的種子和榮成的種子萌發條件不一樣。大葉藻(學名鰻草)的種子在青島的萌發時間是秋天,而在榮成的萌發時間是春天。難怪,我們按照傳統思路播種就沒有成功。后來,我們改變思路,在春天播種,果然就發芽了。

     

    鰻草種植和移植


    為了趕潮水,科研人員起早貪黑,天不亮就去播種,但工作效率依然不高,這樣我們就想到了移植。城市綠化的時候,人們經常會把種在別的地方的樹移植到新的地方,不過移植海草并不簡單,因為海底有海流,我們剛種下海草,它就被海流給沖走了。


    在海底種鰻草


    海草被沖走了怎么辦?我們想了很多辦法,比如在海草根部綁些石頭,把海草放進泥桶里……現在我們已經研發出一些非常有效的辦法,通過這些辦法開展海草移植,成功率都超過了90%。


    經過調研,從2008年到2012年,榮成天鵝湖(也叫榮成月湖)的海草床面積增加了30%,生物量增加了70%,效果非常顯著。

     

    榮成月湖海草床修復效果  左:2008年 右:2012年


    下面我們來談一談人工魚礁。大家或許聽說過人工魚礁,甚至還聽說有些國家把飛機、坦克、漁船、大炮或者其他構筑物扔到海里以形成人工魚礁。那么,為什么要設置人工魚礁呢?


    剛才說過海底有海流,海流沖過來以后,因為遇到阻擋物,海水就會往上涌,于是海洋底層的營養鹽和營養物質就被帶到了上層,這樣就可供魚、蝦、藻類的生長所需,這就是設置人工魚礁的重要作用。


    做人工魚礁除了營造海洋生物棲息的良好環境,為生物提供繁殖、生長和避敵的場所,還需要考慮增殖的目的。


    我們團隊做人工魚礁考慮的主要增殖對象是海參。很多人都喜歡吃海參,不過大家吃到的海參一般是圖片下方的青刺參,圖片上方的白刺參和紫刺參估計很多人都沒有見過。


    海參


    人們喜歡吃海參是因為它對人體健康有好處,能提高機體免疫力。除此之外,海參還有一個非常重要的作用。


    很多人家里都有魚缸,為了保持魚缸的生態環境,有人會放一條清道夫,專門吃魚蝦的糞便,這樣魚缸就不會臭底了。那么,海參以什么為食?它主要以底棲硅藻、有機碎屑、微生物等為食,同時攝取魚蝦的糞便。也就是說,海參其實還是一個清道夫。


    海參每天可攝取約自重20%的食物,對海洋底棲生態環境的改善有著非常重要的作用。所以,海參既對人體的健康非常重要,又對海洋生態系統的安全和健康非常重要,正因此我們才要增殖海參。


    增殖海參之前,我們要了解海參的特性。海參有些特性呢?最顯著的是夏眠。夏天,當水溫高于23℃,海參就不吃不喝,開始夏眠了。這時它的整個腸道都會退化,甚至消失。夏眠時的海參主要靠消耗體壁的能量存活,100多天的夏眠時間里,它的體重會減輕很多。


    海參還有一個特性是再生。不光是夏眠時退化的腸道可以再生,海參的體壁也可以再生。如果你將海參切掉一小段,那么這一小段以后會長出一個完整的海參。所以,很多人利用海參的再生性能,研發出了一些醫藥材料,用于患者術后的恢復。

     

    海參還有無污染的特性。當環境不適,比如溫度升高時,海參會化掉。如果在空氣里放置一段時間,海參也會化成一灘水,消失得無影無蹤。所以,它死后也沒有對海洋環境造成一點污染。對于這樣一個既服務了人類,又有利于海洋生態環境的水產品,研究它是非常重要的。


    像做探索人類基因組計劃那樣,我們研究海參特性的時候也破譯了它的基因組,現在我們知道為什么海參長那么多刺,為什么它會有再生功能。


    海參全基因組805M,編碼30350個基因


    關鍵再生基因


    接下來,讓我們通過一段視頻來了解一下海參攝取食物的過程。


    海參攝取食物過程


    海參的口周圍有20個觸手,它們間隔分布。攝取食物時,海參會先伸出10個觸手將食物放到口中,再伸出另10個觸手去攝取食物。也就是說,這20個觸手是交替進行工作的。所以,雖然比起其他動物,海參的攝食速度相對較慢,但觸手左右開弓,總有提高效率的辦法。

     

    下圖展示了一個不停翻滾的海參。之所以不停翻滾,是因為它在泥地里,周圍太滑了,它根本無法行動。通常遇到這種情況,海參就會像掉進泥潭或沼澤地一樣而無法動彈無法覓食,最后孤獨終老。


    泥地中的海參


    為了避免這種情況的發生,科研人員需要給海參營造一個棲息地。


    棲息地中的海參


    海參行動緩慢,一天只能運動幾十米,而且它對家比較眷戀,用現在的話來說,就是比較宅。


    人們在建房子的時候需要考慮房子的層高和門窗等配套設施的尺寸,給海參建房子是不是也要需要考慮這些因素呢?海參喜歡多大的房子?喜歡大門窗還是小門窗?要不要把房子刷成彩色的?


    其實,海參喜歡“夾縫里生存”,它不喜歡大空間,也不喜歡明亮寬敞的房子,它更喜歡住在黑色的小縫隙里。


    按照人類建房子的思路繼續思考。人類居住的樓房,一般樓層越高房價越貴,這或許是因為樓層越高,視野越廣,空氣也越好。海參的房子不需要考慮視野,但確實需要考慮空氣。


    由于全球氣溫升高,很多地方都有低氧的情況。通過照片我們可以看到,海參喜歡摞著待在一起,但如果海水中出現低氧的情況,海參就不得不透出水面來進行呼吸,否則它就會因為缺氧而死掉。


    摞在一起的海參


    因此,科研人員給它們建了一個高層棲息地,這樣一來,當底部缺氧的時候,海參就可以爬到上邊來呼吸新鮮的空氣,如此還能提高海參承載力,養殖更多的海參。

     

    多層板式立體海珍礁


    通過種植海草增加海草床的面積,通過投放人工魚礁讓海參增殖。那么,人工魚礁在任何海域都可以投放嗎?當然不是,傳統的人工魚礁如果投放在軟泥底海域,就會因為太重而陷下去。


    我們團隊在一線調查的時候,發現牡蠣礁周圍也有很多海參,得益于這個現象,我們把牡蠣殼堆積起來,做成一個假的牡蠣礁,經過牡蠣好幾次的附著,底棲硅藻和有機碎屑最后也會附著在假的牡蠣礁上,如此一來,海參就多了一條食物源。事實證明,這種人工牡蠣礁在軟泥底海域的投放效果非常好。

     

    牡蠣殼海珍礁


    此外,在離岸高海況和浪大流急的海域,我們主要通過增殖藻類來完成海珍礁的建設。我們做了多層板式階梯狀的海珍礁,這樣每一層都可以長出藻類來,藻類長出來了,魚兒就被吸引過來了,海參也就被吸引來了。


    多層組合式海珍礁


    整體來說,在軟泥底海域,我們用牡蠣殼做海珍礁;在高海況海域用多層箱式、多層組合式的海珍礁。



    在近岸用多層板式的立體海珍礁。在淺海區域,我們構建了藻-貝-參,貝-魚-參的模式。拿藻-魚-參模式來講,通過光合作用后,藻類會釋放出氧氣供魚和海參呼吸,而魚和海參的糞便,以及其他的有機碎屑會給藻類提供生長所需的營養,這樣就構成了一個多營養層次的食物鏈,海洋牧場也就慢慢建起來了。

     


    環境和資源監測


    以上介紹的是海洋牧場系統的前兩部分——“生境的修復”和“資源的養護”,下面來說說環境和資源的監測。


    我們在離岸30千米的區域建了一個大小為20×20米的平臺,平臺上搭載了各種氣象傳感器和水文傳感器,這樣我們就能夠知道海洋牧場里的環境要素。


    海洋牧場監測平臺


    比如,以前我們需要把海參打撈出來測量它的大小,現在通過雙目視覺設備,利用模型進行回歸分析,不用接觸海參就可以知道它的大小和重量。


    立體視頻測量裝備及軟件


    濕重視頻估算模型


    經過科研人員的努力,萊州灣、榮成灣、海州灣的生態環境都得到了一定的恢復,資源也得到養護。萊州灣以海參為主的海洋牧場,榮成灣以海草床、鰻草為主的海洋牧場,海州灣以戀礁性魚類為主的海洋牧場都建起來了。


    萊州灣海洋牧場


    榮成灣海洋牧場


    海州灣海洋牧場


    目前,全國建立了64個國家級海洋牧場,到處都有我們團隊科研人員的身影。

     


    現代化海洋牧場

     

    生境修復了,資源得到養護了,也有設備監測環境了,還有岸上通過工廠化苗種的繁育,育出小苗投到海里,可以說,整個陸海都聯動起來了,那么建設現代化海洋牧場到底還有什么難題呢?


    其實還有很多很多的難題亟待我們所有人,包括在座的很多工程技術人員一起去解決。比如,我國近海的環境,尤其是入海的河口比較渾濁,就算是利用光學照相系統或者視頻系統依舊看不見海里的情況。


    看不見就摸不到,摸不到就捕不到。很多時候,都要靠潛水員捕撈海參,而現在有多少人真正會潛水?又有多少人真正愿意從事風險極高的潛水捕撈呢?


    所幸,人工智能的時代來臨了,我們更加感到任重而道遠,需要研發出更先進更實用的設備,使海洋牧場看得見、摸得到、捕得到。


    現代化海洋牧場


    我們的團隊一直致力于海洋牧場的研究,我們也希望通過和大家的共同努力,還海洋一片蔚藍,還海洋一片生機,讓我們一起實現碧海藍天,海闊魚躍的海洋夢。謝謝大家!


    本文出品自“SELF格致論道講壇”公眾號(SELFtalks),轉載請注明公眾號出處,未經授權不得轉載。

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