东山湾海水养殖布局变化的遥感研究

高亮明，李 炎，钟硕良，罗冬莲

（1.厦门大学 海洋与地球学院 ，福建 厦门 361005；2.福建省海陆界面生态环境重点实验室，福建 厦门 361005；3.福建省水产研究所，福建 厦门 361012）

0 引言

被誉为“蓝色革命”的水产养殖业，作为缓解人类对食物需求的压力，避免对海洋过度捕捞的重要手段，备受世界关注［1－3］。海湾，是海水养殖业的主要基地，我国面积大于10km2的海湾有100多个［4］，但海湾水产养殖产生的非点源污染问题也同样受到广泛关注。ROSENTHAL et al［5］的研究证实，网箱养殖中投入饲料仅有20%～25%被有效利用，其余部分都以残饵、粪便等形式排放到环境中。由于海水养殖导致海水营养过剩，进而引发赤潮［6－8］。如何在继承性的产业结构下管控海湾富营养化趋势，已经成为我国海湾综合管理中不可回避的问题。

许多学者提出利用大型海藻对富营养化海域进行生物修复的方案。如瑞典的HAGLUND et al［2］，智利的TROELL et al［9］在鱼类养殖区混养江蓠；杨宇峰等［10－13］以广东南澳岛周边海域为基地进行大型海藻的生态修复原理研究；汤坤贤等［14－16］的大型海藻生态修复技术的小规模试验在福建东山湾均得到正面的结论。但是，当大型海藻生态修复面积扩大到100km2尺度的海湾又会如何呢？

本文以1999年到2012年间的东山湾为例，以历史遥感数据为基础，观测海水养殖类型结构与布局的时空变化，结合同期水体营养盐监测成果，对这个海湾尺度的“大型海藻养殖生态修复原型试验”进行回顾性分析，据此研究海水养殖规模、结构与布局对半封闭海湾营养盐负荷的影响。

1 研究区概况

东山湾是福建著名海湾之一，沿岸分属于东山、云霄和漳浦三个县，海湾总面积247.89km2，其中0 m线以深海域面积155.50km2。该湾三面为山丘环抱，呈不规则的梨形伸入陆地，湾顶有漳江入海，湾口朝南，两侧东山铜陵镇和漳浦古雷半岛遥相对望，构成经由口门东、西两水道及其上游5条指状槽沟连通的半封闭海湾。该海湾水质肥沃，生境丰富，为多种鱼、虾、贝、藻类增养殖的极好场所，已成为福建省主要的海水养殖基地之一［17］。

2 数据与方法

2.1 遥感数据

本文选用的遥感数据包括1999年，2002年，2004年 ，2007 年 ，2008 年，2009 年，2010 年，2011 年和2012年东山湾Landsat 5TM和Landsat 7ETM遥感影像（表1）。由于江蓠属龙须菜，生长的适温范围是12～26℃［18］，所以选择下载10月—翌年1月间遥感数据。辅以现场照片、天地图及Google Earth等网站高分辨率遥感图片用于样本训练与分类检验。

2.2 目标光谱特征

东山湾的海水养殖方式主要有网箱养殖（鱼类和鲍鱼养殖为主）和延绳式养殖（龙须菜等大型海藻为

表1 遥感影像成像时间及环境参数Tab.1 The time of remote sensing images and environmental parameters

主）两类。网箱养殖区水面上的浮体与甲板占有一定的面积，具有可见光反射率高、近红外与短波红外反射率更高的陆域信息特点（图1）。延绳式养殖区水面浮体面积小，大部分反射体为位于水下的吊养生物，不同程度地表现出可见光反射率偏低，位于光合作用吸收峰的蓝光波段与红光波段反射率更低，位于近红外与短波红外反射率最低的藻类信息特征（图1）。

图1 东山湾口海水养殖区TM R5／G3／B2假彩色遥感图（a）与Google Earth图像（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 海水养殖遥感信息提取

遥感信息提取流程框图如图2所示。应用ENVI 4.5软件读入表1选用的遥感影像（其中2011年和2012年的Landsat 7ETM数据采用影像自适应回归模型填充缺失条带［19］），采用掩膜技术分离研究海域后，通过天地图或Google Earth等网站的高分辨率遥感图像与现场照片，目视识别网箱养殖区和延绳式养殖区，建立两类养殖区的训练区；采用最大似然法对遥感影像进行监督分类（置信度设为0.95）；分类结果再通过天地图或Google Earth等网站的其他高分辨率遥感影像与现场照片进行目视检验与修正。

鉴于网箱区内包括箱外水面，需进行网箱养殖类型像元的网箱面积修正。选定3块实验海域，根据同期Google Earth图像判读网箱数和网箱规格，统计的网箱面积对应为0.067 45，0.224 9，和0.082 4km2，修正系数对应为0.342，0.318和0.348。取其平均值（0.336）对网箱养殖类型像元进行面积修正。

图2 遥感信息提取流程框图Fig.2 Flow diagram of remote sensing information extraction

2.4 海水养殖氮、磷排放量和吸收量估算

将投饵料为主的网箱养殖类型视为氮源与磷源，仅估算总氮（TN）和总磷（TP）排放量，计算公式为：

式中：TNd和TPd分别表示网箱养殖类型的氮、磷年排放量（单位：t·a－1）；Ai为网箱养殖面积（单位：km2）；fN和fP分别表示网箱养殖的氮、磷单位面积年排放量（单位：t·km－2·a－1）。如何确定fN和fP是估算氮、磷负荷的关键。黄秀清等［20］在总结GOWEN et al［21］，杨逸萍等［22］经验的基础上，计算了浙江象山港鱼类网箱养殖产生的营养物污染负荷：氮为38.33t·km－2·a－1，磷为5.70t·km－2·a－1。本文研究区东山湾与象山港同为封闭型海湾，两者网箱养殖的营养物污染负荷水平接近，因此采用上述参数根据公式（1）和（2）可估算东山湾网箱养殖类型的氮、磷年排放量。

将大型藻类养殖为主的延绳式养殖类型视为氮汇与磷汇，仅估算总氮（TN）和总磷（TP）吸收量，计算公式如下：

式中：TNa和TPa分别表示延绳式养殖的氮、磷年吸收量（单位：t·a－1）；Aj为延绳式养殖面积（单位：km2）；CN和CP分别表示大型海藻的氮、磷含量（干重，单位：%）；Sj为大型海藻的单位面积产量（干重，单位：t·km－2）。有关CN、CP和Sj等参数的研究较多，如日本有学者研究了江蓠的氮、磷含量［23］，也有相关学者研究了大连2号和3号海带的磷含量［24］。HAGLUND et al［2］、TROELL et al［9］、刘瑞义［25］、忘春忠等［26］对海带、龙须菜等大型海藻的成份、单位面积的产量等也进行过相应的研究。本文考虑到延绳式养殖的大型藻类主要为龙须菜类，综合以上研究成果，有关参数的取值如下：氮含量为1.90%（干重）、磷含量为0.23%（干重），单位面积产量为3.4×103t·km－2（干重）。

2.5 营养盐数据

东山湾水体各年溶解态无机氮（DIN）与溶解态无机磷（DIP）数据引用自福建省海洋与渔业系统的长期监测统计结果。其中，1984—2005年的数据引自“福建省海湾数模与环境研究”项目的专著［27］，2007—2011年的数据引自福建省水产研究所的研究报告。

3 结果与讨论

3.1 东山湾海水养殖区的分布与变化

图3为1999至2012年间东山湾海域网箱养殖与延绳式养殖分布的遥感识别结果。统计结果表明，近10余年来为东山湾海水养殖面积高速扩展期（表2和图4a），0m等深线以下海域的海水养殖面积由1999年的1.3%扩展到2012年的13.3%（按0m线以下海域面积为155.50km2计算）。其中，网箱养殖面积从1999年的0.37km2增加到2012年的3.41km2。延绳式养殖面积从1999年的1.67km2增加到2012年的17.30km2。1999年至2012年间的延绳式养殖与网箱养殖面积比在3.3～10.1间波动，平均为5.6。

3.2 海水养殖结构调整对水质的影响

为了估算该海湾尺度“原型试验”的成果，运用公式（1）～（4），估算东山湾海水养殖氮、磷年排放量和年吸收量（表2和图4）。由图4b可见，1999年至2007年间东山湾延绳式养殖的氮吸收量已大于网箱养殖的氮排放量，虽然东山湾还继续接受可观的陆源氮排放影响，但始于80年代的DIN增加趋势已得到节制［27］。东山湾水体DIN滑动平均值从1984年之后呈指数关系上升，在2001年达到近280μg／L的峰值后逐渐下降。海湾水体中氮的富营养化压力因网箱鱼类养殖转为鲍鱼养殖和大面积养殖龙须菜的生态修复作用而得到释缓。

表2 东山湾海水养殖面积及其对水环境影响的统计结果Tab.2 Statistics of mariculture area and its effects on water quality of Dongshan Bay

图3 1999年至2012年东山湾海水养殖区遥感解译图Fig.3 Remote sensing retrieved map of mariculture area in Dongshan Bay from 1999to 2012

但在海水养殖规模迅速扩大的2007年至2012年期间，尽管延绳式养殖的氮吸收量仍明显大于网箱养殖的氮排放量，海湾水体DIN滑动平均值继续呈下降趋势（2008—2010年东山湾有机污染物指数和富营养指数也反映出水质明显变好的趋势［28］），却明显迭加了250μg／L左右的DIN变幅：其低值降到20世纪80年代水平，高值却超过位于滑动平均峰值的2001年。东山湾一定规模的大型海藻养殖能使海水DIN水平得到控制，但大规模的海水养殖扩展使半封闭海湾生态系统逼近敏感的临界状态［29］。

由图4c可见，东山湾水体DIP滑动平均值从1984年往后呈指数关系上升，1994年达到峰值，接着在1994—1998年间出现变幅达25μg／L的过渡过程后，DIP逐步下降到10μg／L左右的水平。1999年后东山湾延绳式养殖的磷吸收量大于网箱养殖的磷排放量，尽管还接受可观的陆源磷排放影响，始于20世纪80年代的DIP增加趋势得到节制［27］，海湾水体中磷的富营养化压力也因网箱鱼类养殖转为鲍鱼养殖和大面积养殖大型海藻的生态修复作用而得到释缓。

在海水养殖规模迅速扩大的2007年至2012年期间，海湾水体DIP平均值逐年下降，没有如DIN一样迭加较大的年际增幅。在此期间，估算的东山湾网箱养殖磷排放量已明显小于延绳式养殖磷吸收量（表2），加上积累在海湾沉积物的颗粒态磷再矿化等“缓冲作用”，大型海藻养殖对半封闭海湾水体中磷富营养化压力的修复作用缓慢但稳定。

3.3 海水养殖布局调整对水质的适应

沿主水道将东山湾分成6个小区（不包括八尺门水道）：（1）湾口以北0～3km、（2）湾口以北3～6km、（3）湾口以北6～9km、（4）湾口以北9～12km、（5）湾口以北12～15km和（6）湾口以北15km以上，统计各区的网箱养殖面积与延绳式养殖面积（图5）。东山湾网箱养殖的分布中心在湾口以北3～9km区间，外围延伸到湾口以北0～12km区间。延绳式养殖的分布中心位于湾口以北6～15km区间，外围延伸到湾口以北0～15km区间。

图4 东山湾海水养殖面积（a）、DIN及网箱养殖氮排放与延绳式养殖氮吸收（b）、DIP及网箱养殖磷排放与延绳式养殖磷吸收（c）的年际变化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

图5 东山湾沿主水道6个小区海水养殖面积及氮、磷负荷的变化Fig.5 Adjustments of mariculture area and estimated nutrient load along main channel of Dongshan Bay

从1999年到2010年，以湾口以北3～6km区间为分布中心的口门网箱养殖区面积持续扩大，相应的氮、磷排放量也持续增加。以湾口以北6～15km区间为分布中心的延绳式养殖区也在扩张，相应区内的氮、磷吸收量也迅速增加，除足以平衡区内网箱养殖所产生的氮、磷排放量外，还可以因较缓的水体交换率［27］，提高区内的氮、磷吸收量，改善整个东山湾水质环境。2010年因古雷港区建设海域使用需求，原来集中分布在水交换率为0.1～0.2［27］左右的湾口以北3～6km海域的网箱养殖中心，逐年上移到水交换率为0.3～0.4的区域，但更靠近于延绳式养殖分布中心，使得这区域的网箱养殖排放的氮、磷也更易被延绳式养殖区所吸收。此种合理的养殖布局对缓解东山湾海域的富营养化趋势具有正面的效应。

4 结论

（1）近10余年来东山湾海水养殖面积高速扩展，0 m线以深海水养殖面积由1999年的1.3%扩展到2012年的13.3%，大型藻类为主的延绳式养殖面积约为以鱼类和贝类养殖为主的网箱养殖面积的5.6倍。

（2）在海水养殖面积高速扩展，并且大型藻类为主的延绳式养殖的氮、磷吸收量多于鱼类与贝类养殖为主的网箱养殖的氮、磷排放量的条件下，海湾水体的富营养化趋势得到缓解。

（3）海水养殖规模过快扩展可能诱发主要表现在氮循环上的海湾生态系统不稳定。

（4）东山湾养殖布局经过多年的适应性调整，网箱养殖主要集中于水交换能力较强，有利于氮、磷排放扩散的近口门海域，延绳式养殖主要集中在水交换能力较弱，营养盐较高且有利于氮、磷吸收的湾内海域，为缓解海湾富营养化趋势提供了有益经验。

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