自愿限制區對南極半島南極磷蝦漁業及漁場分布的影響

董思宋，朱國平，3，4

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學極地研究中心，上海 201306；3.大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室極地海洋生態系統研究室，上海 201306；4.國家遠洋漁業工程技術研究中心，上海 210306）

南極磷蝦（通常指南極大磷蝦Euphausia superba，以下簡稱磷蝦）作為南大洋生態系統中的關鍵物種，因其具有巨大的生物量和漁業開發潛力，正受到越來越多的關注［1］。磷蝦呈環南極分布，主要棲息在南極陸架及島嶼周圍海域，其中大部分資源量分布于南大洋西南大西洋扇區［2］。目前，磷蝦漁業主要集中在南極海洋生物資源養護委員會（CCAMLR）管轄的48.1、48.2、48.3等3個亞區，而最為重要的漁場則集中在南極半島周邊水域（即48.1亞區），CCAMLR分配給該區域的觸發限額為每年15.5萬t［3］。近年來，磷蝦漁業發展迅速，總產量呈逐年上升趨勢，2018/19漁季總捕撈量已達38.8萬t［4］。持續增長的磷蝦漁業及其他因素也使得南極半島區域連續多年因接近觸發配額而導致漁場關閉。中國自2009/2010漁季開始磷蝦資源探捕以來，隨著漁場探查技術的增強，捕撈技術的完善，近三年來中國單船年均產量已超過2萬t。

2019年，由多國聯合開展的聲學資源調查顯示，CCAMLR 48.1至48.4亞區磷蝦資源量達6 230萬t［5］。但由于磷蝦資源存在較大的年際與區域性波動，磷蝦資源的開發也一直采取極為謹慎的預防性措施［6］。南極半島水域作為磷蝦生活史過程中的關鍵區域，是磷蝦重要的產卵場和索餌場［7］。大量的磷蝦資源聚集在南極半島周邊水域，尤其是布蘭斯菲爾德海峽（Bransfield Strait，BS）內，也使得該區域成為磷蝦漁業的熱點區域。此外，研究表明，別林斯高晉海和威德爾海的磷蝦資源也會隨海流輸送至這片區域并進行越冬，而南奧克尼群島（48.2亞區）和南喬治亞島水域（48.3亞區）的磷蝦資源大部分由南極半島水域輸送而至［8］，這使得該區域受到了諸多生態學者和漁業單位的關注。

南極半島周邊水域不僅是磷蝦資源及漁業的主要分布區域，同時也棲息著大量的企鵝和海豹，近年來，該區域鯨類的數量也在顯著增加［9］。為了更好地養護磷蝦資源以及以磷蝦為食的頂級捕食者，自2019年起，由全球90%磷蝦漁業企業組成的磷蝦捕撈公司負責任聯盟（Association of Responsible Krill Harvesting Companies，ARK）同意并實施了磷蝦漁業自愿限制區（voluntary restriction zones，VRZ），旨在降低南極半島周邊水域磷蝦漁業活動因競爭性捕撈對該區域企鵝種群造成的潛在影響［10］。VRZ的實施使得磷蝦漁業的漁場時空分布發生了顯著的變化［11］，這種變化必然對我國磷蝦漁業的持續發展帶來難以預測的影響，同時也會進一步影響到磷蝦漁業企業的生產決策。因此，本文通過對VRZ實施前（2017—2018年）和實施后（2019—2020年）磷蝦漁業狀況進行分析，并在已有的VRZ基礎上對BS區域設定了幾種模擬限制區，以分析VRZ對于磷蝦漁業造成的既有影響，并利用模擬限制區分析我國磷蝦漁業面臨的潛在前景。研究結果旨在幫助我國磷蝦漁船更加合理、高效地開展海上作業，并對未來的磷蝦漁業發展變化做出正確應對，為未來中國在磷蝦漁業談判中擁有更多的話語權和提升在CCAMLR會議中的地位提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

漁業數據來源于遼寧省大連遠洋漁業有限公司專業磷蝦拖網加工船“福榮海”輪2017—2020年1—6月在南極半島周邊水域作業時收集的相關數據，包括各網次的日期、產量、拖網時長、單網產量以及作業位置信息等。該船全長110.75 m，總噸位5 306 t，主機功率4 190 kW，磷蝦日加工能力300 t。作為我國目前唯一一艘專業大型拖網磷蝦漁船，在南極作業時間最長，在中國磷蝦漁船中捕撈效率和產量較高，因此該船可以作為磷蝦漁業，尤其是我國磷蝦漁業的代表。

1.2 作業位置和作業效率

將每網次起、放網經緯度連線的中點作為各網次的作業位置，起、放網時間的差值為該網次的作業時間。由此，計算每網次的單位捕撈努力量漁獲量（catch per unit effort，CPUE），CPUE計算公式如下：

式中，C為產量（t）；T為作業時間（h）

盡管磷蝦漁業CPUE作為其資源豐度仍存在較大的爭議［12］，但CPUE可作為一項潛在指標表征漁場的變動。由于僅采用同一艘漁船的漁業數據，網具型號及作業方法均未改變；因此，此處的CPUE可視為該船作業效率的有效指標。作業效率高的區域即可認為是中心漁場。

1.3 作業區域劃分及分類

南極半島海岸線數據來源于全球高分辨率海 岸 線 數 據 庫（A Global Self-consistent，Hierarchical，High-resolution Geography Database，GSHHG）的數據（http://www.soest.hawaii.edu/pwessel/gshhg/）。南極半島周邊水域的VRZ于2019年1月1日開始實施，以南設得蘭群島岸線為基準外推40 km作為南設得蘭群島VRZ（圖1）。每年11月1日—3月1日期間，VRZ內自愿限制漁業活動，杰拉許海峽的部分區域半徑30 km范圍內10月15日至2月15日自愿限制磷蝦漁業，其余時間也需減少進入VRZ作業的時間，僅可在VRZ外尋找蝦群失敗后才可進入。

圖1 南極半島自愿限制區Fig.1 Voluntary restriction zones around the Antarctic Peninsula

為了進一步分析將來可能出現的VRZ擴大趨勢，在已有VRZ的基礎上，本研究運用ArcGIS軟件分別以南極半島岸線和南設得蘭群島岸線為基礎，外推20 km、30 km和40 km，設定模擬緩沖區邊界（圖2）。將布蘭斯菲爾德海峽靠近南極半島一側劃分為4個區域，由南極半島岸線起至20 km模擬線為AP20區域，20 km至30 km為AP30區域，30 km至40 km為AP40區域，40 km外的開放水域即為BS區域；基于同樣的劃分方法，將南設得蘭群島（South Shetland Islands，SSI）自愿限制區海域劃分為SSI20、SSI30、SSI40區域，限制區以北開放水域則為NSSI區域。

圖2 南極半島模擬限制區和2018年漁船作業位置Fig.2 Simulated voluntary restriction zones and operating locations of fishing vessels around the Antarctic Peninsula in 2018

1.4 統計分析

為了解現有和模擬VRZ對磷蝦漁業的影響，對各年份不同區域的磷蝦漁業作業網次數進行統計，利用卡方檢驗分析年間差異性，并將年份、月份以及VRZ作為影響其時空變化的影響因素，采用多元邏輯斯蒂回歸模型分析其相關性。

通過季節性分解算法分析各月平均CPUE時間序列，以了解磷蝦漁業生產的季節波動、年際波動和總體趨勢。利用加法模型算法解析CPUE的季節性趨勢，時間序列分析模型表達方式：

式中，CPUEt表示t時間的CPUE；Trendt表示t時間的趨勢因子，其可捕捉長期變化；Seasonalt表示季節性因子，其可捕捉到一年內的周期性變化；而Irregulart表示隨機（誤差）因子，其可捕捉到不能被趨勢或季節效應解釋的變化。此外，利用LOESS平滑算法開展季節性分解。

選取經緯度、年份、月份、VRZ、水深和拖曳深度作為影響磷蝦漁業作業效率的因素，隨機選取70%的樣本設定為訓練集，30%的樣本設定為測試集，并使用隨機森林（random forest，RF）模型進行分析，計算影響作業效率的因素重要性，預測不同因素對作業效率的具體影響。

計算不同時間各區域內的磷蝦總產量和CPUE值，對比限制區建立前（2017年和2018年）、后（2019年和2020年）總產量變化，采用非參數克魯斯卡爾-沃利斯檢驗（Kruskal-Wallis H test）檢驗其差異性，計算其變化率，并利用曼-惠特尼秩和檢驗（Mann-Whitney U test）檢驗限制區建立對磷蝦漁業的影響。本研究所有分析均利用R軟件（R 4.0.3）進行，所使用的程序包包括“ggplot2”、“randomForest”、“nnet”、“caret”、“vcd”和“raster”。顯著性水平P設為0.05。如無特殊說明，所有數據均以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 作業次數時空變化

南極半島周邊不同區域作業網次存在明顯的年際差異（x2＝1 233.1，df＝21，P＜0.01）。4年間，漁船作業區域大部分集中在BS內靠近南極半島一側海域，南設得蘭群島附近海域作業的網次數量較少。值得注意的是，2020年所有作業網次均集中在BS內。BS內，AP30區域所有年份作業網次數量占比均最高，2017年該區域作業網次占全年生產網次的比例最高達48.05%。南設得蘭群島附近海域作業位置分布較為分散，SSI20和SSI40區域占比較高，2017年和2019年分別達到14.06%和9.39%。近兩年，BS內的作業網次數量呈現上升趨勢（圖3）。

多元邏輯斯蒂回歸結果顯示，年份、月份以及VRZ對南極半島各區域內作業網次數均產生了顯著的影響（ANOVA檢驗，P＜0.05；表1）。以AP20作為多元邏輯斯蒂回歸模型基準，可以發現，南設得蘭群島附近海域作業次數與年份呈負相關關系，BS內的作業次數與年份呈現正相關關系（表2）。每年1月至6月，除了AP40區域作業次數有所上升外，其他區域作業次數均有不同程度的下降，南設得蘭群島附近海域下降幅度更為顯著。隨著VRZ的實施，南設得蘭群島近岸水域作業次數顯著下降，而VRZ外的NSSI海域作業次數則有所上升（圖3）。

表1 南極半島周邊水域作業網次的多元邏輯斯蒂回歸模型檢驗結果Tab.1 Results of multivariate logistic regression model for number of fishing net around the Antarctic Peninsula

表2 南極半島作業區域多元邏輯斯蒂回歸模型結果Tab.2 Results of multivariate logistic regression model in the Antarctic Peninsula area

圖3 2017—2020年南極半島周邊水域模擬限制區內作業網次數量分布Fig.3 Number distribution of fishing net in MRZ around the Antarctic Peninsula during 2017—2020

2.2 產量時空變化

4年間的磷蝦產量呈現出顯著的差異（表3；Kruskal-Wallis檢驗，x2＝18.913，df＝7，P＜0.01）。相較于VRZ設定之前，近兩年磷蝦產量呈現明顯的下降趨勢。盡管4年中磷蝦漁船作業區域大多集中在BS內靠近南極半島一側海域，但近2年南設得蘭群島附近海域磷蝦漁業產量及占比顯著下降；2020年，此區域產量更是下降至0。AP30區域為BS內最為重要的作業區域；即使VRZ設立之后，該區域仍保持較高的產量占比，2017年、2019年和2020年產量占比均接近50%（表3）。2017年，南設得蘭群島附近海域的磷蝦產量占2020年南極半島區域總產量的比例達1/3，此后逐年下降。與VRZ建立前相比，建立后的磷蝦總產量下降了44.62%，SSI20區域下降97.89%，減少幅度最為顯著，而BS區域產量則增長了26.22%。

表3 2017—2020年南極半島周邊水域各模擬限制區磷蝦產量分布Tab.3 Distribution of krill catch around the Antarctic Peninsula from 2017 to 2020 by MRZ

2.3 VRZ設立對漁場分布和作業效率的影響

南極半島區域磷蝦漁場分布存在顯著的時空差異（圖4；x2＝687.18，df＝102，P＜0.01）。每年1—2月和5—6月，磷蝦漁船多在南設得蘭群島附近海域作業，而2—6月BS內作業較為集中。2019年，VRZ設立后，近兩年磷蝦漁業中心漁場向BS內轉移（圖4）。此外，BS內漁場作業效率也高于南設得蘭群島附近其他海域（表4）。未設立VRZ之前，南設得蘭群島附近海域磷蝦漁業平均作業效率僅略低于BS內，而VRZ設立之后的2019年，其作業效率僅為BS的約50%。

表4 2017—2020年48.1亞區不同位置的作業效率（t·h－1）Tab.4 Fishing efficiency of different MRZ in fisheries sub-zone 48.1 from 2017 to 2020

圖4 2017—2020年漁場分布變化情況Fig.4 Changes in distribution of fishing grounds from 2017 to 2020

曼-惠特尼秩和檢驗顯示，VRZ建立后，各年漁船作業效率總體呈下降趨勢（P＜0.01）。值得注意的是，為了減少VRZ對漁場選擇的影響，1月和2月，南極半島區域已無漁船作業，轉而以南奧克尼群島區域開始新的漁季。VRZ建立后，各月作業效率均值和峰值也呈明顯降低，僅在4月作業效率和建立前持平，其余月份均有不同程度降低（圖5）。

圖5 自愿限制區建立前、后南極半島區域各月磷蝦漁業作業效率對比Fig.5 Comparison of fishing efficiency of krill fishery in the Antarctic Peninsula area before and after the establishment of VRZ

總的來講，漁船作業效率存在顯著性季節波動及年際波動（圖6）。去除磷蝦漁業的年際波動和季節波動后可以看出，VRZ建立后，磷蝦漁業作業效率呈明顯下降趨勢，并對1—2月的季節性生產高峰造成了較大的負面影響。

圖6 2017—2020年48.1亞區作業效率時間序列分析Fig.6 Time series analysis of fisheries sub-zone 48.1 fishery efficiency from 2017 to 2020

隨機森林模型模擬結果（accuracy＝0.738 5）顯示，影響磷蝦漁業作業效率的因素中，經度是影響磷蝦漁業作業效率最顯著的因素，而月份對于作業效率的影響最小（圖7）。通過模型預測可以看出，58°W和62°W附近為磷蝦漁業作業效率相對更高的區域，61°S～61°30′S和63°S～64°S的作業效率較其他區域更高（圖8）。其中，58°W、63°S位于BS內，為該區域內磷蝦漁業最為重要的漁場，作業位置大多處于南極半島離岸40 km模擬限制區內，作業效率也顯著高于其他海域。62°W和61°30′S位置磷蝦漁業作業效率相對較高，主要由杰拉許海峽、南設得蘭群島西北側及北側水域的漁場組成，其大部分位置也處于VRZ和MRZ內。

圖7 磷蝦漁業作業效率變動影響因素重要性Fig.7 The importance of factors influencing fishing efficiency in krill fishery

圖8 隨機森林模型對磷蝦漁業作業效率隨經、緯度變化的預測Fig.8 Variation in fishing efficiency of krill fishery with longitude and latitude predicted by random forest model

3 討論

3.1 VRZ對磷蝦漁場時空分布及選擇的影響

隨著VRZ的設立，南極半島周邊海域磷蝦漁業作業網次數量呈現下降趨勢，且漁業捕撈行為也已開始向BS內移動并集中。通過對BS模擬MRZ分析結果顯示，幾乎所有的漁業捕撈行為均發生在南極半島離岸40 km的MRZ內，近2年南極半島離岸30 km的MRZ內的捕撈作業比例已超60%。南設得蘭群島附近海域作業次數逐年下降，而BS內的作業次數則逐年上升，這說明，近年來因VRZ的設立而致磷蝦漁場由南極半島附近轉移到BS內。

南極半島（CCAMLR 48.1亞區）因其特殊的地理位置，自20世紀80年代末以來均為適宜磷蝦漁業長時期作業的區域，適宜磷蝦捕撈的季節由12月持續到翌年7月。每年12月至翌年2月，由于受到南極季節性海冰影響較小，漁船適宜在南設得蘭群島北側以及杰拉許海峽附近海域作業；3月至5月，隨著BS內海冰解凍，漁船有了更多的作業區域可供選擇。6—7月，BS內海冰增多，若未觸發該區域的捕撈限額，漁船仍可返回杰拉許海峽和南設得蘭群島以北區域繼續作業。由于海冰、風浪和磷蝦集群變化［13］的影響，南奧克尼群島（即CCAMLR 48.2亞區）一般僅適合1—5月開展漁業作業。相比而言，南極半島有著更為優質的作業條件以及更長的作業時間，漁場選擇性也更大。此外，隨著南環狀模（SAM）的正向增長而導致南極半島區域氣旋增多［14］，其對磷蝦漁業的影響也逐漸增大。4月后，南奧克尼群島海域往往因風浪過大而不適宜生產，但BS因南設得蘭群島遮蔽而風浪相對較小，更適合磷蝦捕撈活動。

由時間序列分析和歷年海上生產經驗可知，南極半島海域存在兩個生產高峰期。2—3月，南設得蘭群島以北以及杰拉許海峽附近存在著大量磷蝦的繁殖群體［15］，這期間磷蝦漁業作業效率相對較高，而VRZ的設立使得第一個作業高峰期內難以生產。至5月，因由威德爾海水影響的水體（TWW）和由別林斯高晉海水影響的水體（TBW）在BS內匯集的程度加強，形成上升流，誘使磷蝦在此區域大量聚集［16］，使得磷蝦在BS內更易形成穩定的磷蝦集群便于漁船捕撈，資源密度也較南設得蘭群島以北更高［17］。因此，該區域會出現第二個作業高峰期，這片區域也成為南極半島海域磷蝦漁業最為重要的區域。但自VRZ設立之后，10月至翌年2月，VRZ區域內禁止漁業行為，而同期BS內也因海冰原因不適宜漁業作業。因此，近幾年南奧克尼群島海域漁船作業的比重逐漸升高。

近2年，漁船一般于3月下旬才進入南極半島海域開展漁業作業。VRZ的設立迫使漁船作業更偏向于集中在BS內，漁場可選擇性的余地減少，對磷蝦漁業的產量也造成了較大的負面影響。

3.2 VRZ對磷蝦漁業的影響

磷蝦主要棲息于陸架海域［18］，因此，南極半島海域磷蝦中心漁場主要集中在BS內靠近南極半島一側以及南設得蘭群島北側水域，而南設得蘭群島南側陸架較窄，海表流速較快［19］，致使磷蝦不易在此集群。因此，南設得蘭群島南側陸架較少有漁船在此進行長時間作業。

研究表明，南極半島水域磷蝦群體對于南奧克尼群島及南喬治亞島水域磷蝦群體的運輸補充起著重要作用［8］，但目前對于BS內磷蝦群體的運輸機制并未完全了解［20］。此外，為了減少對捕食者的影響，CCAMLR針對磷蝦漁業采取預防性措施進行嚴格管理，捕撈配額設置在極低的水平［21］。然而，捕食者對磷蝦的消費量遠遠大于當前的漁業捕撈產量［22］，且磷蝦漁業對捕食者的影響尚無定論［23］。近年來，磷蝦棲息地出現了顯著性的南移趨勢［24］，漁業作業重心也隨之由南設得蘭群島以北向BS內移動［19］，這說明磷蝦漁業作業重心的改變更可能因氣候和環境變化所導致，而并非單純由磷蝦漁業對生態系統造成的沖擊引起。過去的幾十年內，磷蝦漁業為CCAMLR制定相關養護措施提供了大量基礎科學數據，促進了對南大洋生態系統的理解，而過于苛刻的漁業管理會對后續科學研究造成不利影響［25］。因此，在未有足夠科學證據支撐的情況下，對南極半島海域采取過于苛刻的漁業限制措施并非良策。

目前，VRZ采取的是季節性保護措施，這可能會緩解南大洋冬季帽帶企鵝（Pygoscelis antarcticu）和巴布亞企鵝（Pygoscelis papua）等捕食者繁殖期時磷蝦漁業對于這些捕食者及磷蝦種群帶來的潛在影響［26］。但若季節性保護措施升級至全年度保護措施或擴展自愿限制區面積，那么對于磷蝦漁業發展的影響也將會隨之顯著提高，這會使得未來磷蝦漁業可作業時長變短以及漁場選擇性變少，且漁船在南極半島海域開展生產的時間將進一步推遲，并使得漁船集中在BS內作業的概率增加，這種小區域高密度的捕撈行為會導致熱點區域捕撈努力量過高，反倒會對磷蝦及其捕食者造成更大的影響。而若未來幾年內BS內的模擬MRZ付諸實踐，會使得目前南極半島海域常用作業漁場全部處于自愿限制捕撈狀態，對目前的漁場作業造成極大的影響，而該海域其他開放海域磷蝦漁業作業效率不高，可能最終會導致南極半島海域因捕撈成本過高、收益太低而不再具有商業開發價值。此外，部分年份12月至翌年1月，南奧克尼群島海域因海冰過多而無法作為南極半島海域的替代漁場進行作業，這會對整個漁季的作業時長造成負面影響。

3.3 應對VRZ的對策

磷蝦漁業作為一種“奧林匹克”式的漁業，南極半島附近海域由于作業時間長、BS內受到風浪影響小、磷蝦集群更為豐富且密集等因素，尤其受到傳統拖網漁船的青睞。而中國目前的磷蝦漁業全部為傳統拖網漁船，捕撈技術相對落后，成本高，效率低，作業受天氣影響較大，產量更易受到沖擊；而連續泵吸漁船作業成本低，捕撈效率高，受到海冰和風浪影響較小。VRZ設立后，連續泵吸漁船可采用長距離拖網或轉移至南奧克尼群島海域作業以緩解VRZ對其產生的影響。除此之外，受到南大洋氣候變化、捕撈配額的限制以及捕撈努力量的增加等影響，近年來漁船在南極半島海域捕撈作業的時間也逐年縮短。因此，我國應大力發展采用連續泵吸技術的專業磷蝦漁船，并提升蝦群探測能力和加工技術，提高對漁場的掌控能力和捕撈效率，降低生產成本。

此外，應加強科學調查研究，長期監測磷蝦資源狀況及南大洋生態系統的變動情況，并積極參與多國聯合調查，加強國際交流與合作，有助于我國更好地參與到國際漁業事務中去。掌握跟進并嚴格遵守CCAMLR的各項養護管理措施，提升磷蝦漁業履約水平，履行漁業科學觀察員義務，承擔起漁業國應盡的職責，促進我國磷蝦漁業可持續發展，為磷蝦漁業管理做出實質性的貢獻，對可能建立的海洋保護區做出積極應對，這也有利于我國在磷蝦漁業中提升更多的話語權。

致謝：感謝遼寧大連遠洋漁業有限公司及“福榮海”輪船長和船員在南極調查取樣過程中給予的幫助和支持，感謝中國南極磷蝦漁業觀察員在海上調查實驗中所付出的辛勤勞動。本研究還得到了南極海洋生物資源開發利用項目的支撐。