现代农业科学学院

        由中国科学院海洋研究所杨红生研究员等著《现代渔业科技创新发展现状与展望》（杨红生等著. 北京：科学出版社，2022.9）一书，立足我国当前渔业科技现状与需求，以现代渔业科技创新全链条设计和一体化组织实施为出发点，从种质创制、病害防控、营养与饲料、池塘综合种养、陆基工厂化养殖、湖泊生态渔业、内陆盐碱水域增养殖、滩涂生态增养殖、浅海生态增养殖、深远海养殖、现代化海洋牧场、远洋渔业、冷链物流、水产品质量安全、绿色加工等方面，在系统分析现代渔业技术优劣势的基础上，提出渔业科技未来发展态势与方向，以期为保障我国现代渔业高质量发展提供支撑与参考。

        本文节选《现代渔业科技创新发展现状与展望》（杨红生等著. 北京：科学出版社，2022.9）一书“第11 章 现代化海洋牧场”中“11.3 重大科技需求分析”，以飨读者。

1. 信息化、智慧化的海洋牧场建设与管理

        随着人工智能理论、传感器技术和微计算机技术等的不断发展和成熟，具有感知、思维和动作能力的智能装备得到了广泛应用。海洋牧场建设作为生态保护、资源增殖和产出的系统工程，急需智能化信息技术实现规范化、智能化建设和管理，利用大数据挖掘技术形成海洋牧场专家知识和方法体系，“智慧”和“自进化”地去参与和处理、解决海洋牧场建设和管理各环节出现的问题。伴随海洋牧场建设原理的不断深化和信息技术的发展，相信通过现代海洋牧场人工智能系统的构建，可以实现海洋牧场从设计、育苗、放养、捕捞、生产到物流销售的完整的产业链和供应链的精准管理、控制，实现粗放型管理模式向精细化管理方式的转变，从靠天吃饭到精准牧渔的转变，从海洋灾害事后诊断到事前主动预警预报的转变，提高海洋牧场建设和管理效率，实现生态效益和经济效益协同提升。

2. “立体式”的海洋牧场空间与能源利用

        清洁能源是符合国家绿色产业发展要求的热点领域，党的十九大报告指出：“构建市场导向的绿色技术创新体系，发展绿色金融，壮大节能环保产业、清洁生产产业、清洁能源产业。推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。”海洋牧场作为我国海洋生态保护和可持续开发利用的代表，已经有较为扎实的原理和技术研究，海洋牧场和海上风电等清洁能源融合发展将会极大提高海域空间利用效率，是高效利用海洋清洁能源和实现生物资源恢复并举的绿色融合发展产业。

         目前，以德国、荷兰、比利时、挪威等为代表的欧洲国家已于2000 年实施了海上风电和海水增养殖结合的试点研究，其原理为将鱼类养殖网箱、贝藻养殖筏架固定在风机基础之上。海上风电的水下设施可类比于海洋牧场建设骨架礁体，对其有效利用将实现集约用海的目标，为实现海上风电和多营养层次综合养殖融合发展提供了典型案例。虽然欧洲国家在多年前已经将海上风电与海水养殖相结合发展，但是两种产业结合发展还不够完善，仍存在很多问题，欧洲发展的系列案例从原理到模式仍不够系统化。

        因此，科学家提出海洋牧场与海上风电融合发展的科技愿景，即通过实验研究海上风电设施与海洋牧场生态系统的互作机制，探索海上风电与海洋牧场在生态效果和经济效果方面实现共赢的方式，建立海洋牧场与海上风电融合发展新模式，使海洋牧场与海上风电相辅相成、共同发展，让海洋牧场产业发展也可靠风前进、扬帆起航，实现清洁能源与海产品安全高效产出。与此同时，除海上风电之外的波浪能、潮流能等清洁可再生海洋能源也具有较强的与海洋牧场融合的潜力。

3. “三产贯通”的海洋牧场产业体系

       借鉴美国等海洋牧场发展经验，以发展海洋休闲旅游业为建设目标；选择基础设施条件好的岛礁和海湾，开展珊瑚礁、海草（藻）床、牡蛎礁生态系统养护，集渔型人工鱼礁区建设，以及养护型及景观型人工鱼礁布放，养护恢复鱼类资源；开展高值经济鱼类增殖放流，配建陆基或船基旅游保障单元和海上旅游设施，通过打造休闲垂钓、礁体潜水观光、海上风情民宿体验等发展海上休闲旅游服务业，拉长产业链，实现“三产贯通”，发挥规模化效应。

1. 深化海洋牧场生境营造原理与技术

        人类活动及气候变化加速了近海生境退化，以及海草（藻）床、牡蛎礁等自然生境退化，海底“荒漠化”严重。根据不同海域特点进行适宜生境的修复和营造，是海洋牧场的首要内容。人工鱼礁构建是当前较为公认的有效养护渔业资源的手段，基于环境特征和渔业生物行为设计制造人工设施来形成独特的环境条件和栖息场所，可明显提高生物多样性。目前我国在人工鱼礁设计、布放和生态效应评估方面具有扎实积累，但由于我国海洋牧场建设规模不断扩大以及我国海域生境复杂多样，亟待科学合理的海洋牧场的宏观规划、更为深刻的人工渔场与自然环境连通和补充特性研究。

        海藻（草）是海洋生态系统中重要的初级生产力来源，为海洋生物提供索饵、繁衍及栖息生境，同时具有明显的水质改善作用。海藻（草）床是海洋生态系统的基石，其在海洋牧场建设技术研究中具有不可或缺的角色。以海草床的修复为例，当前采用的主要方法包括移植法和种子法两种方法。移植法是将已生长成熟的海草通过枚订、石块、框架等固定物一起移植到新的环境中，使其在新环境中生长、繁殖，进而形成海草床。种子法是提前将海草种子收集贮藏，在建立新的海洋牧场时，将海草种子种到新的环境中，使新环境中生长成熟的海草再繁殖形成海草床。由于海洋环境的复杂程度高，海草床的营造和构建手段比起陆地植物的播种和规模化发展手段还远远不及，因此，突破规模化扩繁和大量播种、移栽技术成为海草床营造技术的关键。同时，也要发展海草床环境适宜性评价技术以及海草生长环境改造技术。

        牡蛎具有“生态系统工程师”的称号，牡蛎礁构建具备水质净化、渔业生物增殖等多种生态功能，是我国当前海洋牧场建设的关键技术手段和热点领域。但是我国海域生境复杂多样，导致牡蛎礁生境和种群退化的因素多为人为破坏和自然环境变迁，急需从牡蛎礁生活史角度聚焦补充和保护等关键环节，研发实用牡蛎礁修复技术。同时，牡蛎作为连接初级生产力和更高营养级的桥梁，其在生态系统中的作用的定量评估及其种群动态模拟是牡蛎礁生态系统管理的关键技术。

2. 提升海洋牧场生物承载力评估技术

       海洋牧场承载力评估是海洋牧场布局规划的前提，也是现代化海洋牧场建设的核心内容之一。海洋牧场生物承载力，表示在维持当前海洋牧场生态系统的稳定并可持续发展的前提下，生态系统能支持某生物种群的最大生物量。有效评估海洋牧场生物承载力，是从全局角度统筹规划我国现代海洋牧场建设的需要。评估海洋牧场生物承载力，可以为确定合理的建设规模、选择合适建设方法提供数据指导。例如，基于生物承载力选择合适的海洋牧场生物增殖种类、确定合理的生物资源放流量与投放规模，进而达到精准增殖生物资源的效果。此外，有效评估海洋牧场生物承载力，也是开展海洋牧场可持续经营管理活动的需要。例如，生物承载力是海洋牧场生物生产力的重要指数，依据生物承载力确定最大可持续采捕量，可以用以指导海洋牧场开展可持续捕捞活动，实现对海洋牧场渔业资源的可持续利用。

        对于海洋生态系统生物承载力的研究，在世界范围内已经开展了多年。其研究方法从最开始的用经验法判断评估生物承载力，逐渐发展为利用生物个体生长的能量收支模型对生物承载力进行评估，最后发展到从生态系统水平出发，基于生态系统方法评估生物承载力的阶段。其中，利用Ecopath 模型对海洋牧场生物承载力进行评估是主要的研究方法，如吴忠鑫等（2013）、许祯行等（2016）、Xu 等（2018）、杨红生（2018）均利用Ecopath模型对海洋牧场人工鱼礁区仿刺参（Apostichopus japonicus）、皱纹盘鲍（Haliotis discus hannai）、虾夷盘扇贝（Patinopecten yessoensis）、日本（Charybdis japonica）、脉红螺（Rapana venosa）等生物承载力进行了评估，尹增强和章守宇（2011）利用Logistic 模型对浙江嵊泗人工鱼礁区鱼类生物功能群和大型无脊椎动物生物功能群承载力进行了评估，Cooney（1993）利用能量收支的方法，对美国阿拉斯加州威廉王子湾对太平洋鲑鱼的生物承载力进行了评估，Seitz 等（2008）利用经验研究法，对切萨皮克湾蓝蟹（Callinectes sapidus）育幼场中其生物承载力进行了评估。由此可见，Ecopath 模型是评估海洋牧场生物承载力的合适方法之一，该模型被广泛应用于对大洋、近岸海湾与潟湖、池塘等生态系统生物承载力的评估。但目前在基于Ecopath 模型评估海洋牧场生物承载力的研究中，均未考虑海洋牧场作为相对开放水域生态系统，与相邻水域生态系统之间的水交换作用。因此，需要与物理海洋学科相交叉，计算水交换对海洋牧场系统的物质能量补充量，更加准确评估地海洋牧场生物承载力。

3. 加强海洋牧场与清洁能源融合等工程示范

        统筹海洋渔业和能源开发，建立海上风电与海洋牧场融合发展的新模式，开创“水下产出绿色产品，水上产出清洁能源”的新局面，让产品与能源共同产出，使海洋资源得到更高效的利用，探索出一条可复制、可推广、可发展的海域资源集约生态化开发的“海上粮仓+蓝色能源”新模式。这将为我国新旧动能转换综合试验区建设提供新思路，为国家海岸带地区可持续综合利用提供科学依据和典型范例，为学科融合、领域结合增加一个新的成功案例，实现生态效益、经济效益和社会效益的统一。

       另外，通过海底智能微网实现输能及通信，结合水声通信技术，将“海洋牧场+海上风电”产业各智能装备组网互通，通过水上通信节点，实现整个系统组网的目标，以实现海底电缆通信、水声通信、电磁通信、卫星通信相结合的“空天地海”通信网络，既可以与外部电网并网运行，又可以孤立运行，同时也可从扩展海缆获得通信宽带分配，形成一个能够实现自我控制、保护和管理的自给系统，并可基于此通信网络远程精准反控海洋牧场生产活动各环节，提升生产效率，反馈生产活动状况以便及时解决处理，保障海洋牧场高效运转。结合海洋牧场水动力环境，积极开发波浪能、潮流能等其他海洋清洁能源，并网输入系统，优化电力来源结构，保障海洋牧场供电安全及应急供电，降低海洋牧场运行成本。

1. 海洋牧场生境营造和承载力提升原理及技术

       海洋牧场是实现海洋环境保护、海洋生物资源可持续利用的新业态，关键是构建以生境营造和生物资源承载力提升为核心内容的技术体系。在梳理当前海洋牧场建设技术基础上，进一步提高人工鱼礁设计研发和布放技术，确保礁区生物资源增殖效果和潜力；进一步扩大海洋牧场规划的空间尺度，从海湾尺度着眼，实现海洋牧场与其他用海方式和其他产业模式的统筹布局，发挥海洋牧场在生态修复、资源增殖上的优势；进一步加强对海草（藻）床、牡蛎礁等现有自然生境的监测和保护，针对典型生境退化区建立自然生境修复技术并进行示范，科学评估各自然生境对关键生态过程的贡献及其生态服务价值，建立保护和开发互相促进的自然生境修复利用模式；建立生物承载力评估、生物资源精细化监测、生物行为控制、采捕策略优化等技术手段，建立重视生态学原理、实行科学管控的海洋牧场建设和管理模式，实现海洋牧场生态系统高效产出性和稳定。

2. 海洋牧场环境和生态监测预警装备及技术

        目前，我国海洋牧场监测预警方面的信息技术体系尚不能保障海洋牧场产业的快速健康发展。我国在海洋牧场生态环境和渔业资源的原位在线监测、三维立体在线监测、水动力-生态耦合、灾害预警等方面的基础理论和装备及技术相对薄弱，严重制约了海洋牧场实时在线监测体系和预警预报系统的发展，信息化水平低下。一方面导致海洋牧场仍处于生态环境不可见、不可知，牧场经济物种资源不可统计和不可控的状态，灾害不可预警；而另一方面使得海洋牧场的大力发展缺乏有效监督，存在一定的盲目性，并带来巨大的生态压力和经济损失风险。

        因此，未来必须在全国范围内深化海洋牧场原位及三维立体在线监测、水动力-生态耦合和预警预报等方面的基础理论和新方法与新技术的研究，构建海洋牧场立体监测网络和预警预报系统，加强海洋牧场信息系统建设，为保障海洋牧场生态环境安全、实现可持续发展提供坚实的支撑。

3. 海洋牧场的信息化和智能化技术

        充分利用现代信息技术，将海洋牧场核心技术群模型化开发，利用超算数据分析能力，建立海量的海洋牧场大数据分析处理技术，开发基于大数据的人工智能系统，实现系统处理、集成仿真以及智能学习推理，为海洋牧场提供更准确更高效的技术服务体系。集成智能感知传感器、环境监测装备、生物监测及行为调控装备，构建海洋牧场物联网生态圈；突破机械化和智能化的海洋农牧作业机器人或机械设施，降低高强度和高风险环节的人力投入比例。

        海洋牧场建设的环节错综繁杂，催生了海洋牧场现代化管理趋势，把大数据、超算、人工智能和海洋牧场结合起来，实现精准育种、精准养殖和精准捕捞，弥补凭经验指导生产的不足，通过人工智能系统实现海洋的智慧化精准管理。随着海洋物联网技术观测频率、分辨率的提高，积累了大量的海洋数据，对于数据的挖掘与信息提取，海洋大数据技术不可或缺。在此基础上还要发展云计算技术、智能分析技术，结合分析预报模型和辅助决策模型，解决海洋大数据的智能分析、预报以及决策问题，利用超算大科学装置群，实现对整个海洋系统的模拟，同时把人工智能系统部署到大科学装置群，进行机器学习，进而从机器智能向类脑智能发展，进一步实现从机器学习到深度学习，再到自主学习的跨越，最终实现对未来海洋牧场生态系统的智能自驱动、自发现和自演进。

4. 海洋牧场和清洁能源融合发展产业模式示范

        目前，现代工业的快速发展，已经推动人们的生活水平快速提高，已经可以满足人们的各种需要，但是人们受益的同时，也使周围环境遭到了破坏。所以，开发清洁能源、降低污染、在优化环境的基础上继续发展成为各个领域的热点。

        清洁能源是推进供给侧结构性改革和保障国家能源安全的战略需要。风能是世界天然的清洁能源，利用好风能就是发展好清洁能源最直接的手段之一，而海上风电是清洁能源发展的重要方向。所以，发展好海上风电就是利用好风能的具体方式。我国海域辽阔，海上风能资源丰富，根据全国普查结果，我国5～25m 水深、50m 高度海上风电开发潜力约2×10⁸kW；5～50m 水深、70m 高度海上风电开发潜力约5×10⁸kW。也就是说，在我国大部分近海海域70m 高度内都具备较好的风能资源条件，我国海域的良好环境为建设海上风电提供了良好的基础，适合大规模开发建设海上风电场。

        由于海上人工作业困难，气候变化较大，有些技术方法不易实施，因此海上风电的发展也存在很多关键性的问题，根据相关企业调研结果，海上风电生产出现了一些限制因素：①海上风电机组离岸远，导致电力在输送过程中普遍存在损耗大、电网运维成本高、电网已损坏还不易维修的问题；②海上风电风机基础占地面积大，导致海上风电建设过程中存在风电基础造价高、运维成本高却无法得到有效利用的问题，并且海上风电所处环境为高湿度、高盐度、高光照，且桩基长期被海水浸泡，这就要求海上风电为解决这些问题增加投资成本；③海上环境恶劣，风电建设受气候影响大，易损且交通不便，危险性较高。海上风电的种种问题都直接严重影响发电收益。因此，运维成本高、交通不便利、水下风机基础无法得到有效利用等问题已经成为制约海上风电产业可持续发展的关键技术瓶颈，成为当前亟待解决的问题。随着海上风电的不断发展，不断会有新的问题、新的要求出现，这就要求开发新的科学技术、提出新的解决方案。

        建立海洋牧场与海上风电融合发展技术体系，研发增殖型风电基础装备，开发环境友好型风机设施，构建“蓝色粮仓+蓝色能源”的现代化海洋牧场发展新模式；开发海洋牧场智能微网系统，保障海洋牧场的能源供给，实现海洋牧场与海上风电融合发展的可视、可管与可控，进一步实现海域空间资源的集约高效利用，兼顾清洁能源产出与渔业资源可持续发展。