评估海洋保护区在调节对斑海豹（Phoca largha）栖息地的捕鱼压力方面的管理效果

《Global Ecology and Conservation》：Evaluating management effectiveness of marine protected areas in regulating fishing pressure on spotted seal ( Phoca largha) habitats

本研究通过AIS数据分析评估了中国渤海和黄海两处斑海豹保护区的渔业管理效果，发现大连保护区有效约束了捕捞压力，而庙岛保护区捕捞强度高出2.9倍，约99%保护区水域面临中高风险渔业资源破坏。建议划定核心保护区、升级庙岛保护区级别、扩展保护区范围及加强执法监测。

　　海洋保护区（Marine Protected Areas, MPAs）已成为生物多样性保护和渔业管理的有效工具。它们为鱼类种群和濒危物种的繁殖与发育提供了安全的环境。斑海豹（*Phoca largha*）因其栖息地丧失和人类活动的威胁，被列为中国的国家一级保护物种。在渤海和黄海栖息的斑海豹种群具有独立的基因，并具有重要的生态保护价值。尽管已设立了一些海洋保护区以缓解人类活动带来的干扰，但对其有效性进行研究仍较为有限。本研究评估了中国渤海及其邻近海域两个保护区对斑海豹栖息地在渔业活动方面的管理效果。这两个保护区分别是大连斑海豹国家级自然保护区和庙岛群岛斑海豹省级自然保护区。研究基于2018年和2021年渔船的自动识别系统（AIS）数据，建立了评估渔业活动的指标。对保护区及其周边区域的时空差异进行了分析，并利用风险源-接受者-响应框架评估了渔业活动对渔业资源的损害风险。研究结果表明，保护区内的渔业活动得到了有效控制，但其周边水域的渔业活动仍然较高。庙岛群岛斑海豹自然保护区的保护效果相对较弱，其渔业努力强度比大连斑海豹自然保护区高出2.90倍。超过99%的保护区内的海域面临中等或更高的渔业资源损害风险。为了解决这些问题，我们建议明确划定核心保护区域，提升庙岛群岛斑海豹自然保护区的保护等级，适度扩大海洋保护区边界，并加强对斑海豹保护区内部渔业活动的监管和监测。这些发现可以为优化斑海豹保护区的管理策略提供理论依据，并为生态保护和政策制定提供有价值的参考。

斑海豹作为海洋生态系统中的顶级捕食者，通过选择性捕食关键物种，对中营养级鱼类种群产生自上而下的控制作用。这种捕食压力影响了群落结构，改变了猎物的空间分布，并有助于维持整个生态系统的韧性和稳定性。作为生态指示物种，斑海豹种群动态和生理变化直接反映了生态系统的健康状况。尽管斑海豹在国际自然保护联盟（IUCN）濒危物种红色名录中被列为无危（Least Concern），但其在渤海和黄海的栖息地仍然受到多种外部因素的严重威胁，尤其是人类活动。因此，斑海豹被列为中国的国家一级保护物种，受到最高优先级的保护。迫切需要研究影响斑海豹繁殖和发育的关键因素，并评估当前保护措施在缓解人类活动对栖息地干扰方面的有效性。

渔业活动是人类获取海洋资源最重要的方式之一。与其他人类活动相比，它对海洋生态系统的威胁更为直接和广泛。近年来，渔业能力的持续增长不仅导致了斑海豹的误捕，还破坏了其栖息地，影响了其食物网，降低了食物资源的可获得性。这加剧了渔业活动与海洋生物多样性保护之间的冲突，给海洋管理及沿海经济的可持续发展带来了重大挑战。为应对这些挑战，沿海政府和国际组织逐步采取了措施，如设立海洋保护区和实施捕捞配额，以规范渔业活动并保护关键物种的栖息地。

海洋保护区被广泛认为是生物多样性保护和渔业管理的有效工具。它们是保护斑海豹免受人为威胁的主要策略之一，其建立和推广在全球范围内日益受到重视。一些研究表明，严格执行的海洋保护区可以显著减少捕捞压力，促进海洋生物多样性的恢复，特别是在生态敏感区域。然而，许多海洋保护区仍然面临管理能力有限、执行力度不足和合规性不一致等持续挑战，这可能会阻碍保护效果的实现。因此，改进海洋保护区的设计、实现可持续管理以及增强合规性是实现海洋保护区预期保护效益的关键。对海洋保护区内部渔业活动动态的全面理解对于优化资源配置和提高管理效果至关重要。

随着高分辨率自动识别系统（AIS）数据的快速发展，监测、管理和绘制渔业活动的能力得到了显著提升。这些进展为评估海洋保护区的绩效提供了新的机会，支持了适应性空间管理和物种保护。特别是，AIS数据为追踪斑海豹保护区内外的渔业活动动态变化，以及评估海洋保护区在缓解人为干扰方面的有效性提供了有效手段。然而，大多数研究主要基于AIS数据，探讨了渔船活动对海洋哺乳动物迁徙模式、分布特征和栖息地的影响。较少研究利用AIS数据评估海洋保护区在减少对斑海豹栖息地的累积捕捞压力方面的作用。

中国渤海和黄海因其丰富的自然资源而被国际社会公认为重要的保护区域。自19世纪中叶以来，该地区斑海豹的数量显著下降，大约有80%的种群消失，使其面临局部灭绝的风险。利用卫星信标跟踪数据，之前的研究已经识别了斑海豹在渤海和黄海的保护优先区域、迁徙路线和生态廊道。然而，当前海洋保护区在减少捕捞压力和保护斑海豹栖息地方面的有效性仍不清楚，突显了基于空间捕捞数据进行评估的必要性。

本研究基于渔船AIS数据开发了评估区域沿海渔业活动的指标。对大连斑海豹国家级自然保护区和庙岛群岛斑海豹省级自然保护区内的渔业活动时空动态进行了分析。采用风险源-接受者-响应框架评估了渔业活动对海洋保护区内部渔业资源的损害影响。通过评估海洋保护区在保护斑海豹栖息地和食物资源方面的有效性，本研究为优化斑海豹保护措施和提高可持续渔业管理提供了科学支持。

研究区域内的斑海豹具有显著的季节性变化的生物生态习性。每年11月之后，斑海豹从外海经渤海海峡迁移到渤海，大部分聚集在辽东湾，该地区形成了大面积的海冰并持续较长时间。到了次年5月下旬，大部分斑海豹离开渤海，迁移到其他外海区域。斑海豹在渤海和黄海的迁徙路线呈现出一个闭环模式，这可能导致其与其他繁殖区域的地理隔离，从而形成一个相对独立的生态单元。这种隔离不仅赋予斑海豹独立的基因，还增加了其对区域生态环境的敏感性。这凸显了在渤海和黄海保护斑海豹栖息地的必要性。

然而，渤海和黄海地区密集的渔业和航运活动对斑海豹的栖息地和生存构成重大威胁。为应对这一问题，设立了两个主要的海洋保护区，即大连斑海豹国家级自然保护区和庙岛群岛斑海豹省级自然保护区。这两个保护区面临较高的渔业相关影响。大连斑海豹国家级自然保护区成立于1997年，面积约为5620平方公里，是全球八个斑海豹繁殖地之一，对维持区域生物多样性和生态系统服务起着至关重要的作用。庙岛群岛斑海豹省级自然保护区成立于2001年，由多个岛屿及其周边水域组成，面积约为1731平方公里。该保护区作为迁徙斑海豹的重要停泊栖息地，有助于连接渤海和黄海之间的海洋生态廊道。为确保这些保护措施的有效性，必须准确评估其对斑海豹栖息地和渔业资源的影响。

本研究的数据包括渔船AIS数据、禁止机动底拖网的沿海区域、海洋生态红线、海洋功能区划、渔业资源“三区一廊”（产卵区、摄食区、越冬区和迁徙路线）、斑海豹的保护优先区域、生物多样性以及海洋保护区边界。禁止机动底拖网的沿海区域、海洋功能区划、海洋生态红线和海洋保护区边界的数据来自地方政府。渔业资源“三区一廊”的分布数据来自海洋专业调查数据的矢量化处理。生物多样性的水平是通过多年航行中收集的浮游生物采样结果进行插值生成的。斑海豹的保护优先区域则来源于Zhuang等人（2024b）的研究。

AIS数据是从Shipxy获取的，覆盖了2018年和2021年的1月至4月以及11月至12月。这些月份代表了斑海豹管理和保护的关键时期。由于斑海豹的栖息地与渔业作业区存在显著的重叠，这种重叠使得它们容易与渔业活动发生冲突。为了减少数据相关的局限性，AIS数据集经过清理，删除了重复点和速度超过40节、船只长度超过300米、陆地记录或MMSI（海上移动业务标识）不是9位数的数据。为了在数据精度和计算效率之间取得平衡，基于数据更新频率、专家经验以及多次时间采样实验，选择了一个5分钟的时序重采样间隔。此外，排除了位于交通分离区和1公里离岸缓冲区内的AIS点，以减少密集海上交通和浅水定位噪声的干扰。

为了从AIS数据中提取渔业活动信息，研究采用了期望最大化（Expectation-Maximisation）算法，该算法通过拟合高斯速度分布混合模型来区分航行和捕捞活动。最终，通过确定速度的标准差范围来定义一个稳健的捕捞活动速度区间。所有落在该范围内的点被分类为“捕捞点”，并用于后续的空间分析。

在处理AIS数据后，本研究基于捕捞点的位置和属性开发了三个区域渔业活动的定量指标：捕捞努力、捕捞作业天数和捕捞密集区。这些指标被选择，因为它们从多个角度揭示了保护区及其周边区域的渔业活动动态，包括捕捞活动的累积时长、频率和空间热点。此外，这些指标可以直接从AIS数据中得出，确保了其准确性和可行性。它们有助于识别高强度捕捞活动区域和渔业资源受损高风险区域，从而为优化海洋保护区管理策略提供科学支持。

捕捞努力指标量化了特定区域内单位面积的累计捕捞时长。捕捞作业天数指标通过结合渔船数量（即唯一的MMSI）和日期计算，用于衡量捕捞活动的频率。捕捞密集区指标结合了核密度估计（KDE）与Zonation模型，用于识别高强度捕捞区域的位置和范围。具体来说，KDE被应用于AIS获取的捕捞点数据，使用4公里的搜索半径和1公里的网格分辨率，以突出捕捞活动的空间聚集。KDE结果作为Zonation分析的核心输入层，保留了高强度捕捞区在单元格边缘去除过程中的信息。Zonation模型的边缘损失δ_i由以下方程表达，其中w_j是活动j的权重，q_ij是活动j在单元格i中的表现水平，q_j是活动j在整个分布中位于剩余单元格的比例。为了直观表示不同水平的捕捞活动区域，本研究将捕捞活动水平最高的前5%区域定义为一级密集区，6%-10%区域定义为二级密集区，11%-20%区域定义为三级密集区。

渔业活动对斑海豹食物资源的损害风险评估采用了风险源-接受者-响应框架。风险源指的是可能对斑海豹食物资源造成损害的渔业活动。在本研究中，渔业努力和渔船规模被纳入分析。渔船规模通过渔船数量和长度的结合量化，反映了区域的总体捕捞能力。在分析过程中，所有指标均被标准化为0-1范围，以方便对不同数量级指标进行精确评估。标准化的方法由以下方程描述，其中R和r分别代表标准化值和实际值，i为单元格编号，λ为时间间隔参数。

风险接受者指的是受到风险源影响的实体，包括渔业资源“三区一廊”和生物多样性。由于渤海及其邻近海域通常不具备传统越冬地的特征，因此这些区域未被纳入本研究。根据其对渔业干扰的生态敏感性，产卵区、迁徙路线、摄食区及其周边水域分别被赋予1、0.75、0.50和0.25的值。这种赋值得到了之前生态研究的支持，强调了在海洋哺乳动物保护中保持迁徙连通性的重要性。生物多样性的水平通过以下公式进行标准化，其中BI^*和BI_i分别为标准化值和实际值，BI_max和BI_min分别为网格单元内生物多样性的历史最大值和最小值。

风险响应指的是为应对风险源对接受者可能产生的影响而建立的机制。本研究采用了三个代表性的指标来定义空间限制水平：禁止机动底拖网的沿海区域、海洋生态红线和海洋功能区划。根据这些政策对渔业活动的管理要求和兼容性限制，研究区域被划分为四个限制级别：允许捕捞区域、限制捕捞区域、严格限制捕捞区域和禁止捕捞区域。分类标准和区域值（0.25、0.50、0.75、1.00）参考了Chen等人（2024）的研究，其中详细定义了每个级别的海洋管理政策。

渔业活动的动态变化分析通过捕捞努力和捕捞作业天数指标进行，重点关注斑海豹管理与保护的关键时期（即1月至4月和11月至12月）。结果显示，保护区内部和之间平均捕捞努力存在显著的空间差异。2018年和2021年的捕捞作业天数均在11月至2月期间下降，但在2018年的2月至4月期间逐渐增加，而2021年则在3月增加，4月减少，反映了不同年份的季节性捕捞活动差异。高强度的捕捞活动主要集中在大连斑海豹自然保护区的东部以及庙岛群岛斑海豹自然保护区的北部。2021年，大连斑海豹自然保护区的平均捕捞努力和捕捞作业天数分别比渤海及其邻近海域低50%和85%，表明整体捕捞压力较低。相比之下，庙岛群岛斑海豹自然保护区的平均捕捞努力比大连斑海豹自然保护区高出2.90倍，显示出相对较高的捕捞压力。这些发现突出了区域间捕捞压力的差异，并强调了需要制定区域特定的管理策略。

斑海豹保护区的保护效果因地理位置不同而有所变化。大连斑海豹保护区在西部地区保护效果更为显著，因为该保护区广泛覆盖了保护优先区域的前10%。然而，渤海海峡存在显著的保护空白，保护优先区域主要位于保护区之外。渔业密集区与保护优先区域的明显重叠表明，高强度的渔业活动可能威胁斑海豹栖息地，增加其局部灭绝的风险。因此，加强该区域的渔业活动管理对于调节对斑海豹栖息地的捕捞压力至关重要。

渔业活动对斑海豹食物资源的损害风险可视化显示，保护区内的损害风险较高。超过99%的保护区面积处于中等风险或以上，其中高风险区域覆盖超过65%。大连斑海豹自然保护区和庙岛群岛斑海豹自然保护区的平均损害风险值分别为0.47和0.52，分别比渤海及其邻近海域高出1.17倍和1.30倍。空间上，损害风险的集中表明，保护区内的目标鱼类物种对渔业活动的干扰较为敏感，这可能影响斑海豹的繁殖、摄食和生存。这些发现与全球海洋保护区绩效评估相一致，表明生态效益不仅取决于保护类型，还取决于有效的管理和本地压力。

与大连斑海豹自然保护区相比，庙岛群岛斑海豹自然保护区的渔业活动更为频繁，这对其渔业资源构成了更高的风险，并可能影响斑海豹的摄食行为。这种差异可能归因于地理位置、海洋环境条件和保护等级的不同。庙岛群岛斑海豹自然保护区位于渤海和黄海交汇处，拥有复杂的生态环境。它作为斑海豹的重要迁徙走廊和季节性栖息地，斑海豹通常在3月开始聚集，并逐渐在5月离开。然而，该海域受到水产养殖、航运和渔业活动的显著影响，且其保护水平相对较低。

斑海豹保护区对周边水域的渔业活动显示出显著的溢出效应。这与地中海和太平洋地区的全球证据一致。这些发现强调了海洋保护区在促进生态恢复和支持邻近渔业方面的双重作用，为区域和全球政策在平衡栖息地保护与可持续渔业方面提供了有价值的见解。然而，周边海洋保护区水域缺乏明确的空间管理措施，可能会导致周边水域的捕捞活动增加。

鉴于识别出的时空风险和管理效果的区域差异，需要采取适应性策略来增强海洋保护区的绩效。特别是，庙岛群岛斑海豹自然保护区需要有针对性的干预措施，以解决较高的捕捞压力和有限的监管执行。我们建议基于斑海豹关键栖息地和繁殖迁徙模式的空间分布，明确划定核心保护区域。严格监管渔业和水产养殖活动，以及适度扩大海洋保护区边界并实施捕捞配额，对于减少人为影响和缓解溢出捕捞压力至关重要。这些措施有助于保护关键栖息地，维持迁徙路线，增强生态连通性和整体保护效果。此外，将庙岛群岛斑海豹省级自然保护区升级为国家级保护区，将有助于增强机构能力，确保更有效和持续的保护行动。

同时，应实施时间管理措施，以在斑海豹迁徙或繁殖的关键阶段减轻压力。具体而言，当这些阶段与关键的生态敏感期重合时，需要采取适应性的季节性关闭和动态捕捞努力控制措施。此外，提高对渔业活动和猎物鱼类种群的时间分辨率监测，有助于实施更加及时、符合生态的干预措施。这些措施对于维护斑海豹栖息地的功能完整性，以及推动适应性、基于证据的海洋保护区治理至关重要。

尽管AIS数据为量化渔业活动提供了宝贵的见解，但在研究中仍需考虑一些局限性。小型和中型沿海渔船安装AIS接收器的比率仍然有限。配备AIS设备的渔船也有可能传输不准确的信息或关闭信号。设备使用不一致和附近陆地的信号干扰导致AIS数据存在不确定性。这些问题减少了可靠记录的持续时间，削弱了年度间比较的有效性，从而阻碍了评估海洋保护区长期管理效果的能力。此外，AIS数据缺乏关于捕捞工具、目标物种和捕捞量的信息，这限制了对渔业活动的定量指标和生态影响评估的准确性。为了支持更全面的评估，未来的研究应考虑将AIS数据与其他渔业调查数据（如捕捞日志）结合起来。

作为一种高度移动的海洋哺乳动物，斑海豹利用广泛的区域作为其栖息地、迁徙路线和摄食活动。这些活动经常超出本研究中所考察的两个海洋保护区的边界。例如，辽宁辽河口国家级自然保护区可能是斑海豹的潜在栖息地之一。然而，由于其主要保护目标是湿地生态系统和全球濒危水鸟，渔业活动在此区域的干扰相对有限。因此，该保护区未被纳入当前分析。未来的研究将通过整合新发布的全球渔业监测3.0数据集，进行大规模空间分析，以评估海洋保护区管理的长期效果。这将有助于增强对保护结果的理解，并为适应性海洋保护区政策制定提供支持。