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为了这些“肥宅”,我们在海底建造了很多奇形怪状的房子

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出品:“SELF格致论道讲坛”公众号(ID:SELFtalks),作者:张立斌,中国科学院海洋研究所特聘研究员。


大家好,我叫张立斌,来自中国科学院海洋研究所。很高兴也很荣幸来到SELF格致论道讲坛。我今天主要想与大家分享一下我们团队关于海洋牧场的一些研究经历,跟大家共同探讨,用另一种方式来思考耕海牧渔。

 

海洋的现状


在所有人的心目中,大海应该是浩瀚、美丽、神秘的,充满了生机与活力,有各种各样的生物。我相信我儿时对大海的印象,也正是咱们在座的各位对大海的印象。

 

海洋


带着这种对大海的向往,高考时我报考了位于青岛的中国海洋大学,并在中国科学院海洋研究所完成了我的硕士和博士学习,师从杨红生研究员。


因为我所学专业跟海洋相关,所以做了一些和海洋牧场相关的研究,博士期间也深入到了山东半岛,包括辽东半岛的几个重要的海湾开展科学研究和调查。

 

2009年,我们来到了莱州湾。根据潜水员拍到的画面,什么也没有看到。这也是和我曾经对海洋的设想形成巨大反差的地方。当我们的潜水员潜到海底,去发现心目中浩瀚的海洋时,没想到海底居然荒芜一片,连一根海草也没有。到底出了什么问题呢?

 

我们来看一组数据。有媒体报道:“我国近海海域一半以上受到污染;1950年以来,全世界1/4的渔业已经崩溃;全球90%的大型鱼类已在海洋灭绝;全世界1.7%的巨型工业渔船捕获了全球60%的鱼。”


而且,令人惋惜的是,现在很多渔民还在用绝户网进行拖网,造成了底栖环境的破坏,使鱼类失去了栖息地。

 

问题是什么呢?全球变化和人类活动造成了生境的退化和资源的衰退。生境,就是生物赖以生存的生态环境;资源,主要指生物资源,比如鱼、虾、贝、藻、参等。一直以来,科学家都在寻找解决方案以减缓当前生境退化、资源衰退的趋势。


建设海洋牧场


大约在20世纪50年代,中国水产科学研究院黄海水产所,包括中国科学院海洋研究所的一些前辈和科学家就提出了海洋生态农牧化的理念。


近年来,我们把它发展成海洋牧场的理念,我们的团队也一直致力于海洋牧场的科技研发和实践。


提到海洋牧场,可能大家首先会想到牧场:一望无际的大草原,风吹草低见牛羊,成群结队的牛羊快乐地奔跑,寻找自己喜欢的食物……


我们设想的海洋牧场应该也是这样:海里有海草有海藻,鱼虾们自由地觅食,有家可以让它们躲避危险,而我们还会提供给它们一个非常好的保障空间,让它们在适宜的环境里觅食、生存。


设想海洋牧场


这就是海洋牧场——在特定的海域里,充分利用自然生产力,利用现代工程技术建成的一种人工渔场。

 

海洋牧场包括三个部分:第一是生境的修复,类似我们建草坪盖房子的过程;第二是资源的养护,也就是我们把小鱼小虾投放到海里的过程;第三是环境和资源的监测,即利用现代化工程技术手段,比如水下ROV(遥控无人潜水器,主要用于水下观察、检查和施工)监控海洋环境。这样就形成了一个立体化的海洋牧场。

 

生境修复与资源养护


说到生境修复,我们先来看看这幅图。



大家猜一猜图中的房顶是用什么材料做成的?如果我不说,估计大家很难猜到它们居然是用海草做成的。这是我们在荣成湾做生境修复,做海草床修复的过程中拍摄的一些照片。


海草房是荣成当地有名的非物质文化遗产,用海草做的房顶防水、透气又保温。而且,很多人已经把海草用在隔音装备上了。我们是不是也可以考虑用海草来研制一些防寒透气的衣服,从而代替现在的冲锋衣呢?

 

这么好的海草我们怎么去种植,如何去恢复呢?很多人都会想到播种和移植。播种很简单,挖坑把种子埋起来就好了。


一开始我们也是这么想的,于是第一年的秋天,我们在荣成湾挖了很多坑把种子埋了起来,结果一直等到第二年春天,其他植物的花儿都谢了,我们种的种子还没有发芽。


这到底是怎么回事呢?后来,我们在研究种子萌发条件的时候发现,青岛的种子和荣成的种子萌发条件不一样。大叶藻(学名鳗草)的种子在青岛的萌发时间是秋天,而在荣成的萌发时间是春天。难怪,我们按照传统思路播种就没有成功。后来,我们改变思路,在春天播种,果然就发芽了。

 

鳗草种植和移植


为了赶潮水,科研人员起早贪黑,天不亮就去播种,但工作效率依然不高,这样我们就想到了移植。城市绿化的时候,人们经常会把种在别的地方的树移植到新的地方,不过移植海草并不简单,因为海底有海流,我们刚种下海草,它就被海流给冲走了。


在海底种鳗草


海草被冲走了怎么办?我们想了很多办法,比如在海草根部绑些石头,把海草放进泥桶里……现在我们已经研发出一些非常有效的办法,通过这些办法开展海草移植,成功率都超过了90%。


经过调研,从2008年到2012年,荣成天鹅湖(也叫荣成月湖)的海草床面积增加了30%,生物量增加了70%,效果非常显著。

 

荣成月湖海草床修复效果  左:2008年 右:2012年


下面我们来谈一谈人工鱼礁。大家或许听说过人工鱼礁,甚至还听说有些国家把飞机、坦克、渔船、大炮或者其他构筑物扔到海里以形成人工鱼礁。那么,为什么要设置人工鱼礁呢?


刚才说过海底有海流,海流冲过来以后,因为遇到阻挡物,海水就会往上涌,于是海洋底层的营养盐和营养物质就被带到了上层,这样就可供鱼、虾、藻类的生长所需,这就是设置人工鱼礁的重要作用。


做人工鱼礁除了营造海洋生物栖息的良好环境,为生物提供繁殖、生长和避敌的场所,还需要考虑增殖的目的。


我们团队做人工鱼礁考虑的主要增殖对象是海参。很多人都喜欢吃海参,不过大家吃到的海参一般是图片下方的青刺参,图片上方的白刺参和紫刺参估计很多人都没有见过。


海参


人们喜欢吃海参是因为它对人体健康有好处,能提高机体免疫力。除此之外,海参还有一个非常重要的作用。


很多人家里都有鱼缸,为了保持鱼缸的生态环境,有人会放一条清道夫,专门吃鱼虾的粪便,这样鱼缸就不会臭底了。那么,海参以什么为食?它主要以底栖硅藻、有机碎屑、微生物等为食,同时摄取鱼虾的粪便。也就是说,海参其实还是一个清道夫。


海参每天可摄取约自重20%的食物,对海洋底栖生态环境的改善有着非常重要的作用。所以,海参既对人体的健康非常重要,又对海洋生态系统的安全和健康非常重要,正因此我们才要增殖海参。


增殖海参之前,我们要了解海参的特性。海参有些特性呢?最显著的是夏眠。夏天,当水温高于23℃,海参就不吃不喝,开始夏眠了。这时它的整个肠道都会退化,甚至消失。夏眠时的海参主要靠消耗体壁的能量存活,100多天的夏眠时间里,它的体重会减轻很多。


海参还有一个特性是再生。不光是夏眠时退化的肠道可以再生,海参的体壁也可以再生。如果你将海参切掉一小段,那么这一小段以后会长出一个完整的海参。所以,很多人利用海参的再生性能,研发出了一些医药材料,用于患者术后的恢复。

 

海参还有无污染的特性。当环境不适,比如温度升高时,海参会化掉。如果在空气里放置一段时间,海参也会化成一滩水,消失得无影无踪。所以,它死后也没有对海洋环境造成一点污染。对于这样一个既服务了人类,又有利于海洋生态环境的水产品,研究它是非常重要的。


像做探索人类基因组计划那样,我们研究海参特性的时候也破译了它的基因组,现在我们知道为什么海参长那么多刺,为什么它会有再生功能。


海参全基因组805M,编码30350个基因


关键再生基因


接下来,让我们通过一段视频来了解一下海参摄取食物的过程。


海参摄取食物过程


海参的口周围有20个触手,它们间隔分布。摄取食物时,海参会先伸出10个触手将食物放到口中,再伸出另10个触手去摄取食物。也就是说,这20个触手是交替进行工作的。所以,虽然比起其他动物,海参的摄食速度相对较慢,但触手左右开弓,总有提高效率的办法。

 

下图展示了一个不停翻滚的海参。之所以不停翻滚,是因为它在泥地里,周围太滑了,它根本无法行动。通常遇到这种情况,海参就会像掉进泥潭或沼泽地一样而无法动弹无法觅食,最后孤独终老。


泥地中的海参


为了避免这种情况的发生,科研人员需要给海参营造一个栖息地。


栖息地中的海参


海参行动缓慢,一天只能运动几十米,而且它对家比较眷恋,用现在的话来说,就是比较宅。


人们在建房子的时候需要考虑房子的层高和门窗等配套设施的尺寸,给海参建房子是不是也要需要考虑这些因素呢?海参喜欢多大的房子?喜欢大门窗还是小门窗?要不要把房子刷成彩色的?


其实,海参喜欢“夹缝里生存”,它不喜欢大空间,也不喜欢明亮宽敞的房子,它更喜欢住在黑色的小缝隙里。


按照人类建房子的思路继续思考。人类居住的楼房,一般楼层越高房价越贵,这或许是因为楼层越高,视野越广,空气也越好。海参的房子不需要考虑视野,但确实需要考虑空气。


由于全球气温升高,很多地方都有低氧的情况。通过照片我们可以看到,海参喜欢摞着待在一起,但如果海水中出现低氧的情况,海参就不得不透出水面来进行呼吸,否则它就会因为缺氧而死掉。


摞在一起的海参


因此,科研人员给它们建了一个高层栖息地,这样一来,当底部缺氧的时候,海参就可以爬到上边来呼吸新鲜的空气,如此还能提高海参承载力,养殖更多的海参。

 

多层板式立体海珍礁


通过种植海草增加海草床的面积,通过投放人工鱼礁让海参增殖。那么,人工鱼礁在任何海域都可以投放吗?当然不是,传统的人工鱼礁如果投放在软泥底海域,就会因为太重而陷下去。


我们团队在一线调查的时候,发现牡蛎礁周围也有很多海参,得益于这个现象,我们把牡蛎壳堆积起来,做成一个假的牡蛎礁,经过牡蛎好几次的附着,底栖硅藻和有机碎屑最后也会附着在假的牡蛎礁上,如此一来,海参就多了一条食物源。事实证明,这种人工牡蛎礁在软泥底海域的投放效果非常好。

 

牡蛎壳海珍礁


此外,在离岸高海况和浪大流急的海域,我们主要通过增殖藻类来完成海珍礁的建设。我们做了多层板式阶梯状的海珍礁,这样每一层都可以长出藻类来,藻类长出来了,鱼儿就被吸引过来了,海参也就被吸引来了。


多层组合式海珍礁


整体来说,在软泥底海域,我们用牡蛎壳做海珍礁;在高海况海域用多层箱式、多层组合式的海珍礁。



在近岸用多层板式的立体海珍礁。在浅海区域,我们构建了藻-贝-参,贝-鱼-参的模式。拿藻-鱼-参模式来讲,通过光合作用后,藻类会释放出氧气供鱼和海参呼吸,而鱼和海参的粪便,以及其他的有机碎屑会给藻类提供生长所需的营养,这样就构成了一个多营养层次的食物链,海洋牧场也就慢慢建起来了。

 


环境和资源监测


以上介绍的是海洋牧场系统的前两部分——“生境的修复”和“资源的养护”,下面来说说环境和资源的监测。


我们在离岸30千米的区域建了一个大小为20×20米的平台,平台上搭载了各种气象传感器和水文传感器,这样我们就能够知道海洋牧场里的环境要素。


海洋牧场监测平台


比如,以前我们需要把海参打捞出来测量它的大小,现在通过双目视觉设备,利用模型进行回归分析,不用接触海参就可以知道它的大小和重量。


立体视频测量装备及软件


湿重视频估算模型


经过科研人员的努力,莱州湾、荣成湾、海州湾的生态环境都得到了一定的恢复,资源也得到养护。莱州湾以海参为主的海洋牧场,荣成湾以海草床、鳗草为主的海洋牧场,海州湾以恋礁性鱼类为主的海洋牧场都建起来了。


莱州湾海洋牧场


荣成湾海洋牧场


海州湾海洋牧场


目前,全国建立了64个国家级海洋牧场,到处都有我们团队科研人员的身影。

 


现代化海洋牧场

 

生境修复了,资源得到养护了,也有设备监测环境了,还有岸上通过工厂化苗种的繁育,育出小苗投到海里,可以说,整个陆海都联动起来了,那么建设现代化海洋牧场到底还有什么难题呢?


其实还有很多很多的难题亟待我们所有人,包括在座的很多工程技术人员一起去解决。比如,我国近海的环境,尤其是入海的河口比较浑浊,就算是利用光学照相系统或者视频系统依旧看不见海里的情况。


看不见就摸不到,摸不到就捕不到。很多时候,都要靠潜水员捕捞海参,而现在有多少人真正会潜水?又有多少人真正愿意从事风险极高的潜水捕捞呢?


所幸,人工智能的时代来临了,我们更加感到任重而道远,需要研发出更先进更实用的设备,使海洋牧场看得见、摸得到、捕得到。


现代化海洋牧场


我们的团队一直致力于海洋牧场的研究,我们也希望通过和大家的共同努力,还海洋一片蔚蓝,还海洋一片生机,让我们一起实现碧海蓝天,海阔鱼跃的海洋梦。谢谢大家!


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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