摘要: 海洋牧场作为新型海洋空间利用模式，其规划运营需平衡生态系统服务与人类需求的矛盾。本研究基于生态系统服务理论，构建四维目标体系，结合多种技术提出海域功能分区动态优化模型，揭示生态系统服务流响应规律，建立投喂策略决策框架，为海洋牧场空间配置提供量化支持。
Abstract: As a new model of Marine space utilization, the planning and operation of Marine ranches need to balance the contradiction between ecosystem services and human demands. Based on the theory of ecosystem services, this study constructs a four-dimensional target system, combines multiple technologies to propose a dynamic optimization model for sea area functional zoning, reveals the response law of ecosystem service flow, establishes a decision-making framework for feeding strategies, and provides quantitative support for the spatial allocation of Marine ranches.
1. 前言
全球海洋牧场发展迅速，总面积已突破1200万公顷。然而，其单产效率较传统养殖下降17%，反映出生态效益与经济效益的失衡[1]。中国黄海海域监测显示，每增加10%的筏式养殖面积，底栖生物量会减少23%，表明传统规划模式对海洋生态系统服务功能造成了损害[2]。生态系统服务理论强调人类活动与自然过程的协同演化，为解决海洋牧场发展困境提供了新视角[3]。本研究旨在基于该理论，解构海洋牧场物质能量传递路径，建立多目标协同优化模型，实现生态服务增值与资源产出的帕累托改进。
2. 海洋牧场生态系统服务解析框架
2.1. 服务流动态量化模型构建
运用物质流分析(MFA)方法，构建包含氮磷循环、有机物输运和能量传递的三维通量模型。针对筏式养殖系统，量化附着生物滤食作用对悬浮颗粒物的截留效率。引入生物沉积系数(BSD)，表征不同养殖密度下有机碎屑的垂直通量变化。数值模拟表明，当养殖密度超过285个体/m3时，沉积通量呈现指数级增长，导致底栖系统氧化还原电位陡降。这意味着过高的养殖密度会破坏底栖生态系统的稳定性，对海洋牧场生态环境产生负面影响。
2.2. 生物地球化学循环耦合机制
采用稳定同位素示踪技术，解析养殖生物与自然种群的食物网结构差异。研究发现，贝类养殖区δ15N值较对照区提升1.8‰ (p < 0.01)，证实养殖活动改变了氮素迁移路径。建立耦合水动力–生物地球化学过程的数值模型，研究海带养殖对水体的影响。结果显示，海带养殖可使表层水pH值提升0.15单位，但对50米以深水体的碳酸盐饱和度无显著影响。这为合理规划海带养殖区域提供了理论依据。
2.3. 关键种功能冗余度评估
基于复杂网络理论，构建包含87个功能群落的拓扑网络模型。通过节点删除实验，评估关键种在生态系统中的作用。例如，牡蛎在碳汇网络中的介数中心性达到0.36，其功能冗余度仅为0.12，表明牡蛎在维持系统稳定性方面具有不可替代的作用。这为人工鱼礁配置中关键种的定向增殖提供了理论支持。
3. 多目标优化约束条件分析
3.1. 溶解氧阈值动态建模
建立基于机器学习的溶解氧(DO)预测模型，整合水温、流速和生物耗氧量等多源数据。随机森林回归分析显示，贝类代谢活动对底层DO浓度的贡献率达61% ± 8%。据此确定夏季养殖容量阈值应控制在冬季基准值的73%以内，以保障养殖生物的生存环境，避免因缺氧导致养殖生物死亡和生态系统恶化。
3.2. 沉积物再悬浮控制方程
采用三维水动力模型(FVCOM)耦合泥沙输运模块，模拟台风过程对养殖区底质稳定性的影响。研究发现，当海流速度超过0.35 m/s时，沉积物再悬浮通量增加两个数量级，导致水体浊度与养殖死亡率呈显著正相关(r = 0.82, p < 0.001)。这提示在海洋牧场规划和运营过程中，需重视海流速度对沉积物再悬浮的影响，采取有效措施降低浊度，减少养殖损失。
3.3. 经济产出边际效益分析
构建包含34个成本项的投入产出模型，计算不同养殖模式的净现值(NPV)。多品种混养系统的内部收益率(IRR)较单养模式提高5.2个百分点，但需满足藻类与滤食性贝类的生物量比维持在1:1.3至1:1.7区间。考虑市场波动和政策变化对海洋牧场经济效益的影响。市场波动方面，养殖产品价格受市场供需关系影响显著[4]。例如，在某一时期，市场对牡蛎的需求增加，导致其价格上涨了20%，使得养殖牡蛎的收益大幅提升；反之，若市场供过于求，价格可能下跌30%，养殖收益将明显减少。政策变化方面，政府的税收政策、补贴政策等对养殖成本和收益有重要影响。如税收优惠政策可使养殖成本降低15%，增加利润空间；补贴政策可鼓励养殖户采用更环保、高效的养殖技术，提升经济效益。进行成本效益分析，以某一具体养殖模式为例，详细计算优化前后的成本和收益。优化前，养殖成本主要包括种苗采购、饲料投入、设备维护等，收益为养殖产品的销售收入。优化后，通过调整养殖密度、优化投喂策略等措施，降低了饲料浪费和设备损耗，提高了养殖产品的产量和质量，增加了销售收入。对比分析发现，优化后成本降低了18%，收益提高了25%，显著提升了经济效益。开展敏感性分析，确定关键影响因素对经济效益指标(如NPV、IRR)的敏感程度。结果表明，养殖产品价格和养殖成本是影响经济效益的关键因素。养殖产品价格每波动10%，NPV变化15%；养殖成本每变动10%，IRR变动12%。这为决策者在面对市场变化和成本波动时，制定合理的经营策略提供了依据。
4. 多目标协同优化技术路径
4.1. 自适应分区算法设计
海域功能分区优化面临空间异质性与目标冲突的双重挑战[5]。基于非支配排序遗传算法(NSGA-II)构建空间优化模型，引入海洋环境承载力、生物地球化学通量和社会经济需求三组约束条件，生成非劣解集。创新性地将海域划分为核心保育区、生态养殖区和缓冲带三类功能单元。核心保育区以底栖生物多样性指数(Benthic Quality Index, BQI) ≥ 4.5为划定标准，旨在保护海洋生物多样性，维护生态系统的完整性；生态养殖区根据溶解氧(DO)日波动幅度(ΔDO ≤ 2 mg/L)动态调整边界，确保养殖环境适宜，提高养殖效益；缓冲带宽度通过水动力模型计算沉积物扩散距离的1.5倍确定，起到缓冲和保护作用，减少不同功能区之间的相互干扰。采用熵权-TOPSIS方法筛选帕累托解集。以青岛鳌山湾为实证对象，优化后的分区方案使碳汇效率提升19%，养殖收益增加8%，两类目标的协同度较传统分区提升27%。这表明该算法能够有效实现生态与经济目标的协同优化，为海洋牧场的合理规划提供了有力支持。
4.2. 投喂策略动态优化
贝藻混养系统的投喂优化本质是生物地球化学过程与人为干预的博弈平衡。基于微分博弈理论构建投喂决策模型，将养殖对象代谢率、饵料沉降速率和水体混合层深度作为状态变量，以周为时间步长求解最优控制方程[6]。研究发现，当水温介于12℃~18℃时，脉冲式投喂策略(间隔3天、单次投喂量1.2 kg/m3)可使饵料氮素利用率达到68%，较连续投喂模式提升19%。该策略通过调控有机碎屑的垂直通量，将沉积物耗氧量(SOD)控制在4.2 mmol O2/m2·d阈值内，使赤潮发生概率由传统模式的0.35降至0.12。现场验证显示，优化后的投喂方案使养殖区底栖动物丰度增加14%，同时降低人工增氧能耗23%。这不仅提高了养殖系统的生态效益，还降低了运营成本，实现了生态与经济的双赢。
4.3. 生态位定量配置方法
多品种协同养殖需突破生态位重叠导致的资源竞争瓶颈[7]。基于生态位模型(Ecological Niche Modeling, ENM)构建定量配置体系，整合8个环境因子(温度、盐度、叶绿素a、流速等)和4个生物因子(生长率、滤食效率、耐污性、种间竞争系数)，计算12个养殖品种的环境适宜性指数(ESI)。通过多维超体积空间分析，确定藻类(海带、龙须菜)与滤食性贝类(牡蛎、扇贝)的生物量最优配比为1:1.5，该比例可使光能利用率提升22%、氨氮同化效率提高31%。在青岛鳌山湾进行配置优化实验，采用海带–牡蛎–海参的三元组合，单位面积产值达传统单养模式的1.14倍，而沉积物总有机碳(TOC)含量下降29%，验证了生态位互补配置的有效性。这为海洋牧场的多品种养殖提供了科学的配置方案，提高了资源利用效率。
5. 结论
基于动态通量模型的承载力评估方法，可有效识别不同时空尺度下的关键约束条件。通过开发耦合生物地球化学过程的多目标优化算法，实现养殖密度、品种结构和空间布局的协同优化。技术验证表明，自适应分区算法使生态经济效益协同度提升27%，脉冲式投喂策略降低赤潮风险65%，验证了方法论的有效性。然而，现有模型对极端气候事件的响应模拟仍存在不足，未来需加强多灾种耦合胁迫下的弹性优化研究。同时，要着重解决模型参数的空间异质性问题，并开发基于区块链的生态服务交易平台，推动优化成果的实践转化。