董思宋，朱国平，3，4

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学极地研究中心，上海 201306；3.大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室极地海洋生态系统研究室，上海 201306；4.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 210306）

南极磷虾（通常指南极大磷虾Euphausia superba，以下简称磷虾）作为南大洋生态系统中的关键物种，因其具有巨大的生物量和渔业开发潜力，正受到越来越多的关注［1］。磷虾呈环南极分布，主要栖息在南极陆架及岛屿周围海域，其中大部分资源量分布于南大洋西南大西洋扇区［2］。目前，磷虾渔业主要集中在南极海洋生物资源养护委员会（CCAMLR）管辖的48.1、48.2、48.3等3个亚区，而最为重要的渔场则集中在南极半岛周边水域（即48.1亚区），CCAMLR分配给该区域的触发限额为每年15.5万t［3］。近年来，磷虾渔业发展迅速，总产量呈逐年上升趋势，2018/19渔季总捕捞量已达38.8万t［4］。持续增长的磷虾渔业及其他因素也使得南极半岛区域连续多年因接近触发配额而导致渔场关闭。中国自2009/2010渔季开始磷虾资源探捕以来，随着渔场探查技术的增强，捕捞技术的完善，近三年来中国单船年均产量已超过2万t。

2019年，由多国联合开展的声学资源调查显示，CCAMLR 48.1至48.4亚区磷虾资源量达6 230万t［5］。但由于磷虾资源存在较大的年际与区域性波动，磷虾资源的开发也一直采取极为谨慎的预防性措施［6］。南极半岛水域作为磷虾生活史过程中的关键区域，是磷虾重要的产卵场和索饵场［7］。大量的磷虾资源聚集在南极半岛周边水域，尤其是布兰斯菲尔德海峡（Bransfield Strait，BS）内，也使得该区域成为磷虾渔业的热点区域。此外，研究表明，别林斯高晋海和威德尔海的磷虾资源也会随海流输送至这片区域并进行越冬，而南奥克尼群岛（48.2亚区）和南乔治亚岛水域（48.3亚区）的磷虾资源大部分由南极半岛水域输送而至［8］，这使得该区域受到了诸多生态学者和渔业单位的关注。

南极半岛周边水域不仅是磷虾资源及渔业的主要分布区域，同时也栖息着大量的企鹅和海豹，近年来，该区域鲸类的数量也在显著增加［9］。为了更好地养护磷虾资源以及以磷虾为食的顶级捕食者，自2019年起，由全球90%磷虾渔业企业组成的磷虾捕捞公司负责任联盟（Association of Responsible Krill Harvesting Companies，ARK）同意并实施了磷虾渔业自愿限制区（voluntary restriction zones，VRZ），旨在降低南极半岛周边水域磷虾渔业活动因竞争性捕捞对该区域企鹅种群造成的潜在影响［10］。VRZ的实施使得磷虾渔业的渔场时空分布发生了显著的变化［11］，这种变化必然对我国磷虾渔业的持续发展带来难以预测的影响，同时也会进一步影响到磷虾渔业企业的生产决策。因此，本文通过对VRZ实施前（2017—2018年）和实施后（2019—2020年）磷虾渔业状况进行分析，并在已有的VRZ基础上对BS区域设定了几种模拟限制区，以分析VRZ对于磷虾渔业造成的既有影响，并利用模拟限制区分析我国磷虾渔业面临的潜在前景。研究结果旨在帮助我国磷虾渔船更加合理、高效地开展海上作业，并对未来的磷虾渔业发展变化做出正确应对，为未来中国在磷虾渔业谈判中拥有更多的话语权和提升在CCAMLR会议中的地位提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

渔业数据来源于辽宁省大连远洋渔业有限公司专业磷虾拖网加工船“福荣海”轮2017—2020年1—6月在南极半岛周边水域作业时收集的相关数据，包括各网次的日期、产量、拖网时长、单网产量以及作业位置信息等。该船全长110.75 m，总吨位5 306 t，主机功率4 190 kW，磷虾日加工能力300 t。作为我国目前唯一一艘专业大型拖网磷虾渔船，在南极作业时间最长，在中国磷虾渔船中捕捞效率和产量较高，因此该船可以作为磷虾渔业，尤其是我国磷虾渔业的代表。

1.2 作业位置和作业效率

将每网次起、放网经纬度连线的中点作为各网次的作业位置，起、放网时间的差值为该网次的作业时间。由此，计算每网次的单位捕捞努力量渔获量（catch per unit effort，CPUE），CPUE计算公式如下：

式中，C为产量（t）；T为作业时间（h）

尽管磷虾渔业CPUE作为其资源丰度仍存在较大的争议［12］，但CPUE可作为一项潜在指标表征渔场的变动。由于仅采用同一艘渔船的渔业数据，网具型号及作业方法均未改变；因此，此处的CPUE可视为该船作业效率的有效指标。作业效率高的区域即可认为是中心渔场。

1.3 作业区域划分及分类

南极半岛海岸线数据来源于全球高分辨率海 岸 线 数 据 库（A Global Self-consistent，Hierarchical，High-resolution Geography Database，GSHHG）的数据（http://www.soest.hawaii.edu/pwessel/gshhg/）。南极半岛周边水域的VRZ于2019年1月1日开始实施，以南设得兰群岛岸线为基准外推40 km作为南设得兰群岛VRZ（图1）。每年11月1日—3月1日期间，VRZ内自愿限制渔业活动，杰拉许海峡的部分区域半径30 km范围内10月15日至2月15日自愿限制磷虾渔业，其余时间也需减少进入VRZ作业的时间，仅可在VRZ外寻找虾群失败后才可进入。

图1 南极半岛自愿限制区Fig.1 Voluntary restriction zones around the Antarctic Peninsula

为了进一步分析将来可能出现的VRZ扩大趋势，在已有VRZ的基础上，本研究运用ArcGIS软件分别以南极半岛岸线和南设得兰群岛岸线为基础，外推20 km、30 km和40 km，设定模拟缓冲区边界（图2）。将布兰斯菲尔德海峡靠近南极半岛一侧划分为4个区域，由南极半岛岸线起至20 km模拟线为AP20区域，20 km至30 km为AP30区域，30 km至40 km为AP40区域，40 km外的开放水域即为BS区域；基于同样的划分方法，将南设得兰群岛（South Shetland Islands，SSI）自愿限制区海域划分为SSI20、SSI30、SSI40区域，限制区以北开放水域则为NSSI区域。

图2 南极半岛模拟限制区和2018年渔船作业位置Fig.2 Simulated voluntary restriction zones and operating locations of fishing vessels around the Antarctic Peninsula in 2018

1.4 统计分析

为了解现有和模拟VRZ对磷虾渔业的影响，对各年份不同区域的磷虾渔业作业网次数进行统计，利用卡方检验分析年间差异性，并将年份、月份以及VRZ作为影响其时空变化的影响因素，采用多元逻辑斯蒂回归模型分析其相关性。

通过季节性分解算法分析各月平均CPUE时间序列，以了解磷虾渔业生产的季节波动、年际波动和总体趋势。利用加法模型算法解析CPUE的季节性趋势，时间序列分析模型表达方式：

式中，CPUEt表示t时间的CPUE；Trendt表示t时间的趋势因子，其可捕捉长期变化；Seasonalt表示季节性因子，其可捕捉到一年内的周期性变化；而Irregulart表示随机（误差）因子，其可捕捉到不能被趋势或季节效应解释的变化。此外，利用LOESS平滑算法开展季节性分解。

选取经纬度、年份、月份、VRZ、水深和拖曳深度作为影响磷虾渔业作业效率的因素，随机选取70%的样本设定为训练集，30%的样本设定为测试集，并使用随机森林（random forest，RF）模型进行分析，计算影响作业效率的因素重要性，预测不同因素对作业效率的具体影响。

计算不同时间各区域内的磷虾总产量和CPUE值，对比限制区建立前（2017年和2018年）、后（2019年和2020年）总产量变化，采用非参数克鲁斯卡尔-沃利斯检验（Kruskal-Wallis H test）检验其差异性，计算其变化率，并利用曼-惠特尼秩和检验（Mann-Whitney U test）检验限制区建立对磷虾渔业的影响。本研究所有分析均利用R软件（R 4.0.3）进行，所使用的程序包包括“ggplot2”、“randomForest”、“nnet”、“caret”、“vcd”和“raster”。显著性水平P设为0.05。如无特殊说明，所有数据均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 作业次数时空变化

南极半岛周边不同区域作业网次存在明显的年际差异（x2＝1 233.1，df＝21，P＜0.01）。4年间，渔船作业区域大部分集中在BS内靠近南极半岛一侧海域，南设得兰群岛附近海域作业的网次数量较少。值得注意的是，2020年所有作业网次均集中在BS内。BS内，AP30区域所有年份作业网次数量占比均最高，2017年该区域作业网次占全年生产网次的比例最高达48.05%。南设得兰群岛附近海域作业位置分布较为分散，SSI20和SSI40区域占比较高，2017年和2019年分别达到14.06%和9.39%。近两年，BS内的作业网次数量呈现上升趋势（图3）。

多元逻辑斯蒂回归结果显示，年份、月份以及VRZ对南极半岛各区域内作业网次数均产生了显著的影响（ANOVA检验，P＜0.05；表1）。以AP20作为多元逻辑斯蒂回归模型基准，可以发现，南设得兰群岛附近海域作业次数与年份呈负相关关系，BS内的作业次数与年份呈现正相关关系（表2）。每年1月至6月，除了AP40区域作业次数有所上升外，其他区域作业次数均有不同程度的下降，南设得兰群岛附近海域下降幅度更为显著。随着VRZ的实施，南设得兰群岛近岸水域作业次数显著下降，而VRZ外的NSSI海域作业次数则有所上升（图3）。

表1 南极半岛周边水域作业网次的多元逻辑斯蒂回归模型检验结果Tab.1 Results of multivariate logistic regression model for number of fishing net around the Antarctic Peninsula

表2 南极半岛作业区域多元逻辑斯蒂回归模型结果Tab.2 Results of multivariate logistic regression model in the Antarctic Peninsula area

图3 2017—2020年南极半岛周边水域模拟限制区内作业网次数量分布Fig.3 Number distribution of fishing net in MRZ around the Antarctic Peninsula during 2017—2020

2.2 产量时空变化

4年间的磷虾产量呈现出显著的差异（表3；Kruskal-Wallis检验，x2＝18.913，df＝7，P＜0.01）。相较于VRZ设定之前，近两年磷虾产量呈现明显的下降趋势。尽管4年中磷虾渔船作业区域大多集中在BS内靠近南极半岛一侧海域，但近2年南设得兰群岛附近海域磷虾渔业产量及占比显著下降；2020年，此区域产量更是下降至0。AP30区域为BS内最为重要的作业区域；即使VRZ设立之后，该区域仍保持较高的产量占比，2017年、2019年和2020年产量占比均接近50%（表3）。2017年，南设得兰群岛附近海域的磷虾产量占2020年南极半岛区域总产量的比例达1/3，此后逐年下降。与VRZ建立前相比，建立后的磷虾总产量下降了44.62%，SSI20区域下降97.89%，减少幅度最为显著，而BS区域产量则增长了26.22%。

表3 2017—2020年南极半岛周边水域各模拟限制区磷虾产量分布Tab.3 Distribution of krill catch around the Antarctic Peninsula from 2017 to 2020 by MRZ

2.3 VRZ设立对渔场分布和作业效率的影响

南极半岛区域磷虾渔场分布存在显著的时空差异（图4；x2＝687.18，df＝102，P＜0.01）。每年1—2月和5—6月，磷虾渔船多在南设得兰群岛附近海域作业，而2—6月BS内作业较为集中。2019年，VRZ设立后，近两年磷虾渔业中心渔场向BS内转移（图4）。此外，BS内渔场作业效率也高于南设得兰群岛附近其他海域（表4）。未设立VRZ之前，南设得兰群岛附近海域磷虾渔业平均作业效率仅略低于BS内，而VRZ设立之后的2019年，其作业效率仅为BS的约50%。

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

图4 2017—2020年渔场分布变化情况Fig.4 Changes in distribution of fishing grounds from 2017 to 2020

曼-惠特尼秩和检验显示，VRZ建立后，各年渔船作业效率总体呈下降趋势（P＜0.01）。值得注意的是，为了减少VRZ对渔场选择的影响，1月和2月，南极半岛区域已无渔船作业，转而以南奥克尼群岛区域开始新的渔季。VRZ建立后，各月作业效率均值和峰值也呈明显降低，仅在4月作业效率和建立前持平，其余月份均有不同程度降低（图5）。

图5 自愿限制区建立前、后南极半岛区域各月磷虾渔业作业效率对比Fig.5 Comparison of fishing efficiency of krill fishery in the Antarctic Peninsula area before and after the establishment of VRZ

总的来讲，渔船作业效率存在显著性季节波动及年际波动（图6）。去除磷虾渔业的年际波动和季节波动后可以看出，VRZ建立后，磷虾渔业作业效率呈明显下降趋势，并对1—2月的季节性生产高峰造成了较大的负面影响。

图6 2017—2020年48.1亚区作业效率时间序列分析Fig.6 Time series analysis of fisheries sub-zone 48.1 fishery efficiency from 2017 to 2020

随机森林模型模拟结果（accuracy＝0.738 5）显示，影响磷虾渔业作业效率的因素中，经度是影响磷虾渔业作业效率最显著的因素，而月份对于作业效率的影响最小（图7）。通过模型预测可以看出，58°W和62°W附近为磷虾渔业作业效率相对更高的区域，61°S～61°30′S和63°S～64°S的作业效率较其他区域更高（图8）。其中，58°W、63°S位于BS内，为该区域内磷虾渔业最为重要的渔场，作业位置大多处于南极半岛离岸40 km模拟限制区内，作业效率也显著高于其他海域。62°W和61°30′S位置磷虾渔业作业效率相对较高，主要由杰拉许海峡、南设得兰群岛西北侧及北侧水域的渔场组成，其大部分位置也处于VRZ和MRZ内。

图7 磷虾渔业作业效率变动影响因素重要性Fig.7 The importance of factors influencing fishing efficiency in krill fishery

图8 随机森林模型对磷虾渔业作业效率随经、纬度变化的预测Fig.8 Variation in fishing efficiency of krill fishery with longitude and latitude predicted by random forest model

3 讨论

3.1 VRZ对磷虾渔场时空分布及选择的影响

随着VRZ的设立，南极半岛周边海域磷虾渔业作业网次数量呈现下降趋势，且渔业捕捞行为也已开始向BS内移动并集中。通过对BS模拟MRZ分析结果显示，几乎所有的渔业捕捞行为均发生在南极半岛离岸40 km的MRZ内，近2年南极半岛离岸30 km的MRZ内的捕捞作业比例已超60%。南设得兰群岛附近海域作业次数逐年下降，而BS内的作业次数则逐年上升，这说明，近年来因VRZ的设立而致磷虾渔场由南极半岛附近转移到BS内。

南极半岛（CCAMLR 48.1亚区）因其特殊的地理位置，自20世纪80年代末以来均为适宜磷虾渔业长时期作业的区域，适宜磷虾捕捞的季节由12月持续到翌年7月。每年12月至翌年2月，由于受到南极季节性海冰影响较小，渔船适宜在南设得兰群岛北侧以及杰拉许海峡附近海域作业；3月至5月，随着BS内海冰解冻，渔船有了更多的作业区域可供选择。6—7月，BS内海冰增多，若未触发该区域的捕捞限额，渔船仍可返回杰拉许海峡和南设得兰群岛以北区域继续作业。由于海冰、风浪和磷虾集群变化［13］的影响，南奥克尼群岛（即CCAMLR 48.2亚区）一般仅适合1—5月开展渔业作业。相比而言，南极半岛有着更为优质的作业条件以及更长的作业时间，渔场选择性也更大。此外，随着南环状模（SAM）的正向增长而导致南极半岛区域气旋增多［14］，其对磷虾渔业的影响也逐渐增大。4月后，南奥克尼群岛海域往往因风浪过大而不适宜生产，但BS因南设得兰群岛遮蔽而风浪相对较小，更适合磷虾捕捞活动。

由时间序列分析和历年海上生产经验可知，南极半岛海域存在两个生产高峰期。2—3月，南设得兰群岛以北以及杰拉许海峡附近存在着大量磷虾的繁殖群体［15］，这期间磷虾渔业作业效率相对较高，而VRZ的设立使得第一个作业高峰期内难以生产。至5月，因由威德尔海水影响的水体（TWW）和由别林斯高晋海水影响的水体（TBW）在BS内汇集的程度加强，形成上升流，诱使磷虾在此区域大量聚集［16］，使得磷虾在BS内更易形成稳定的磷虾集群便于渔船捕捞，资源密度也较南设得兰群岛以北更高［17］。因此，该区域会出现第二个作业高峰期，这片区域也成为南极半岛海域磷虾渔业最为重要的区域。但自VRZ设立之后，10月至翌年2月，VRZ区域内禁止渔业行为，而同期BS内也因海冰原因不适宜渔业作业。因此，近几年南奥克尼群岛海域渔船作业的比重逐渐升高。

近2年，渔船一般于3月下旬才进入南极半岛海域开展渔业作业。VRZ的设立迫使渔船作业更偏向于集中在BS内，渔场可选择性的余地减少，对磷虾渔业的产量也造成了较大的负面影响。

3.2 VRZ对磷虾渔业的影响

磷虾主要栖息于陆架海域［18］，因此，南极半岛海域磷虾中心渔场主要集中在BS内靠近南极半岛一侧以及南设得兰群岛北侧水域，而南设得兰群岛南侧陆架较窄，海表流速较快［19］，致使磷虾不易在此集群。因此，南设得兰群岛南侧陆架较少有渔船在此进行长时间作业。

研究表明，南极半岛水域磷虾群体对于南奥克尼群岛及南乔治亚岛水域磷虾群体的运输补充起着重要作用［8］，但目前对于BS内磷虾群体的运输机制并未完全了解［20］。此外，为了减少对捕食者的影响，CCAMLR针对磷虾渔业采取预防性措施进行严格管理，捕捞配额设置在极低的水平［21］。然而，捕食者对磷虾的消费量远远大于当前的渔业捕捞产量［22］，且磷虾渔业对捕食者的影响尚无定论［23］。近年来，磷虾栖息地出现了显著性的南移趋势［24］，渔业作业重心也随之由南设得兰群岛以北向BS内移动［19］，这说明磷虾渔业作业重心的改变更可能因气候和环境变化所导致，而并非单纯由磷虾渔业对生态系统造成的冲击引起。过去的几十年内，磷虾渔业为CCAMLR制定相关养护措施提供了大量基础科学数据，促进了对南大洋生态系统的理解，而过于苛刻的渔业管理会对后续科学研究造成不利影响［25］。因此，在未有足够科学证据支撑的情况下，对南极半岛海域采取过于苛刻的渔业限制措施并非良策。

目前，VRZ采取的是季节性保护措施，这可能会缓解南大洋冬季帽带企鹅（Pygoscelis antarcticu）和巴布亚企鹅（Pygoscelis papua）等捕食者繁殖期时磷虾渔业对于这些捕食者及磷虾种群带来的潜在影响［26］。但若季节性保护措施升级至全年度保护措施或扩展自愿限制区面积，那么对于磷虾渔业发展的影响也将会随之显著提高，这会使得未来磷虾渔业可作业时长变短以及渔场选择性变少，且渔船在南极半岛海域开展生产的时间将进一步推迟，并使得渔船集中在BS内作业的概率增加，这种小区域高密度的捕捞行为会导致热点区域捕捞努力量过高，反倒会对磷虾及其捕食者造成更大的影响。而若未来几年内BS内的模拟MRZ付诸实践，会使得目前南极半岛海域常用作业渔场全部处于自愿限制捕捞状态，对目前的渔场作业造成极大的影响，而该海域其他开放海域磷虾渔业作业效率不高，可能最终会导致南极半岛海域因捕捞成本过高、收益太低而不再具有商业开发价值。此外，部分年份12月至翌年1月，南奥克尼群岛海域因海冰过多而无法作为南极半岛海域的替代渔场进行作业，这会对整个渔季的作业时长造成负面影响。

3.3 应对VRZ的对策

磷虾渔业作为一种“奥林匹克”式的渔业，南极半岛附近海域由于作业时间长、BS内受到风浪影响小、磷虾集群更为丰富且密集等因素，尤其受到传统拖网渔船的青睐。而中国目前的磷虾渔业全部为传统拖网渔船，捕捞技术相对落后，成本高，效率低，作业受天气影响较大，产量更易受到冲击；而连续泵吸渔船作业成本低，捕捞效率高，受到海冰和风浪影响较小。VRZ设立后，连续泵吸渔船可采用长距离拖网或转移至南奥克尼群岛海域作业以缓解VRZ对其产生的影响。除此之外，受到南大洋气候变化、捕捞配额的限制以及捕捞努力量的增加等影响，近年来渔船在南极半岛海域捕捞作业的时间也逐年缩短。因此，我国应大力发展采用连续泵吸技术的专业磷虾渔船，并提升虾群探测能力和加工技术，提高对渔场的掌控能力和捕捞效率，降低生产成本。

此外，应加强科学调查研究，长期监测磷虾资源状况及南大洋生态系统的变动情况，并积极参与多国联合调查，加强国际交流与合作，有助于我国更好地参与到国际渔业事务中去。掌握跟进并严格遵守CCAMLR的各项养护管理措施，提升磷虾渔业履约水平，履行渔业科学观察员义务，承担起渔业国应尽的职责，促进我国磷虾渔业可持续发展，为磷虾渔业管理做出实质性的贡献，对可能建立的海洋保护区做出积极应对，这也有利于我国在磷虾渔业中提升更多的话语权。

致谢：感谢辽宁大连远洋渔业有限公司及“福荣海”轮船长和船员在南极调查取样过程中给予的帮助和支持，感谢中国南极磷虾渔业观察员在海上调查实验中所付出的辛勤劳动。本研究还得到了南极海洋生物资源开发利用项目的支撑。