2. 南昌大学生命科学学院 江西 南昌 330031;
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 山东 青岛 266237;
4. 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 上海 200092
2. School of Life Sciences, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China;
3. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao, Shangdong 266237, China;
4. Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China
深远海养殖是纾解近岸水域生态环境压力、拓展我国海水养殖新空间、优化海洋渔业产业布局、推进水产养殖绿色高质量发展的重要途径(麦康森等, 2016; 徐皓, 2016)。近年来，以远离大陆岸线的岛礁水域为先期发展海域、以装备先行为深远海养殖发展特征，我国的深远海养殖已有初步发展(徐皓等, 2020; 石建高等, 2021)。养殖装备逐步由深远海岛礁海域的深水网箱养殖向大型工程化设施发展。结合我国海域、海况条件和养殖品种、市场需求，自主创新的深远海大型工程化围栏设施养殖大黄鱼模式取得成功(王磊等, 2017; 李明云等, 2019)。该养殖设施位于开放或半开放海域，抗风浪能力强，水体交换通畅、养殖面积大、鱼类活动空间广，可为大黄鱼原生态牧养模式搭建优良条件，故养殖的大黄鱼体型匀称、体色金黄，商品鱼品质更近生态，口感接近野生(周文博等, 2018; 宋炜等, 2019; 邹国华等, 2021)。
有关深远海大型围栏养殖对生态环境影响仅有针对养殖区内外的水环境因子和生物因素的影响研究(李磊等, 2019; 周龙龙等, 2018)。为评估深远海大型围栏养殖大黄鱼对周边海域的影响，本研究根据深远海大型围栏大黄鱼养殖周期，对围栏养殖区及周边海域的关键特征沉积环境因子进行监测，并对沉积物质量现状进行综合评价，以期初步了解深远海大型围栏养殖中污染物现状，为深远海大型围栏养殖区的合理规划、病害防治以及海水养殖的可持续发展提供数据支撑。
1 材料与方法 1.1 样品采集与分析由于所评估的深远海大型围栏养殖设施使用的网衣由上部的超高强聚乙烯网衣与下部的Cu、Zn合金编织网组成，且投喂的饲料为冰鲜小杂鱼和颗粒配合饲料，因此，重点选择沉积物中的Cu、Zn、有机碳和硫化物作为沉积物监测指标。
调查的深远海大型围栏养殖区域位于浙江省大陈岛海域，面积约为5×104 m2，养殖对象为大黄鱼，投放尾数约为70万尾。在大型围栏养殖区及周边海域共设置10个调查站位(图 1)，2号站位位于围栏养殖区中央，代表养殖围栏中心区，7~10号站位分别处于养殖围栏柱桩外周，代表养殖围栏外围区，3、4号站位处于深水网箱养殖区附近，代表网箱外围区，1号站位设置在距围栏养殖区约500 m处，5、6号站位设置在离深水网箱养殖区约350~700 m处，1、5、6号站位标记为对照区。根据大黄鱼养殖周期(4—12月)，选择2017年6、8、10月以及2018年5月在养殖投饵高峰期用抓斗式采泥器采集表层沉积物。样品的采集和分析均严格按照《海洋监测规范》(GB/T 17378-2007、GB/T 12763-2007)中规定的方法进行(胡琴等, 2017; 刘丽娟等, 2021)。
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图 1 监测站位示意图 Fig.1 Location of sampling stations |
利用内梅罗指数(Nemerow, 1974)对调查海域沉积物进行质量综合评价，其计算公式如下：
| $ P = \sqrt {\frac{{P_{{\text{max}}}^2 + P_{{\text{avg}}}^2}}{2}} $ | (1) |
式中，P为内梅罗指数，Pmax、Pavg分别为单因子污染指数(Pi)的最大值与平均值。其中，单因子污染指数Pi的计算公式为：
| $ {P_i} = \frac{{{C_i}}}{{{S_i}}} _{ } $ | (2) |
式中，Ci为第i种污染物的实测含量，Si为实测第i种污染物的评价标准。考虑到本调查海域为养殖海域，因此，参照《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准(第一类沉积物质量适用于海洋渔业水域、海洋自然保护区、珍惜与濒危生物自然保护区、海水养殖区、海水浴场、人体直接接触沉积物的海上运动或娱乐区、与人类食用直接有关的工业用水区)。内梅罗指数等级划分标准：清洁Ⅰ(P≤0.6)，较清洁Ⅱ(0.6 < P≤1.0)，轻度污染Ⅲ(1 < P≤2.6)，中度污染Ⅳ(2.6 < P≤5.0)，重度污染Ⅴ(P > 5.0)。
1.2.2 数据处理与分析数据用Excel 2019处理，用平均值±标准差(X±SD)表示。应用MATLAB分别对数据进行双因素方差分析(two-way ANOVA)，检验在P=0.05水平条件下，围栏中心区、围栏外围区、网箱外围区和对照区沉积物监测指标的时空分布是否存在显著性差异。
2 结果与分析 2.1 调查海域沉积物监测指标的含量本调查研究沉积物Cu、Zn、有机碳和硫化物在各采样点与不同时间的含量见表 1。4次调查沉积物质量均符合《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准。其中，Cu的含量范围为15~33 mg/kg，Zn的含量范围为80~137 mg/kg，有机碳的含量范围为0.14%~1.90%，硫化物的含量范围为0.3~128.0 mg/kg。
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表 1 沉积物中Cu、Zn、有机碳和硫化物的含量 Tab.1 Contents of Cu, Zn, organic carbon and sulfide in the sediments |
围栏中心区、围栏外围区、网箱外围区和对照区的不同区域和采样时间双因素方差检验结果分别见表 2和表 3。不同区域间比较发现，只有沉积物硫化物含量存在显著性差异(P < 0.05)，而沉积物Cu、Zn和有机碳含量不存在显著差异。所有区域的4种沉积物含量在不同采样时间存在显著性差异(P < 0.05)。
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表 2 平均后双因素方差检验P值 Tab.2 P value of two-way variance test after average |
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表 3 不同采样时间4种沉积物两两对比检验P值 Tab.3 The comparison of P value of four sediments at different sampling times |
4次调查不同区域沉积物Cu含量的变化范围与平均值见表 4。不同区域沉积物Cu的含量差异不显著(P > 0.05)，其中，围栏外围区与网箱外围区沉积物Cu的含量年平均值较大，分别为(26.19±5.36)和(25.63±7.01) mg/kg，围栏中心区和对照区分别为(24.75±4.43)和(24.83±4.75) mg/kg。
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表 4 沉积物Cu的时空变化/[mg/kg, 范围(平均值±标准差)] Tab.4 Temporal variation of the content of Cu in the sediments/[mg/kg, Range (X±SD)] |
2017年10月Cu的含量显著低于其他3次调查(P < 0.05)，平均值为(17.80±1.99) mg/kg。2017年6月和8月Cu含量的平均值分别为(27.20±1.87)和(29.40± 2.22) mg/kg，二者不存在统计学差异；2018年5月Cu含量的平均值为(27.10±3.90) mg/kg。
2.2.2 Zn4次调查不同区域沉积物Zn含量的变化范围与平均值见表 5。不同区域沉积物Zn的含量差异不显著(P > 0.05)，其中，围栏中心区年平均值最大，为(115.25±16.5) mg/kg，围栏外围区为(106.06± 18.97) mg/kg，网箱外围区为(108.63±16.25) mg/kg，对照区为(100.33±10.64) mg/kg。
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表 5 沉积物Zn的时空变化/[mg/kg, 范围(平均值±标准差)] Tab.5 Temporal variation of the content of Zn in the sediments/[mg/kg, Range (X±SD)] |
2017年8月Zn的含量平均值为(87.70±7.30) mg/kg，显著低于2017年6月、10月和2018年5月的调查数据(P < 0.05)，2017年6月、10月和2018年5月分别为(120.50±16.53)、(104.90±11.18)和(106.10±9.61) mg/kg。
2.2.3 有机碳4次调查不同区域沉积物有机碳含量的变化范围与平均值见表 6。不同区域沉积物有机碳的含量差异不显著(P > 0.05)，其中，围栏中心区年平均值最大[(1.11±0.43)%]，对照区最小[(0.80± 0.33)%]；围栏外围区为(0.95±0.42)%，网箱外围区为(0.88±0.42)%。
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表 6 沉积物有机碳的时空变化/[%, 范围(平均值±标准差)] Tab.6 Temporal variation of the content of organic carbon in the sediments/[%, Range(X±SD)] |
2017年6月、8月、10月和2018年5月有机碳的含量平均值分别为(0.56±0.26)%、(0.63±0.09)%、(1.09±0.35)%和(1.37±0.52)%。2018年5月有机碳的含量显著高于2017年6月和8月。
2.2.4 硫化物4次调查不同区域沉积物硫化物含量的变化范围与平均值见表 7。围栏中心区年平均值最大，为(71.98±43.25) mg/kg；围栏外围区与网箱外围区，年平均值分别为(25.86±33.48)和(19.40± 23.00) mg/kg；对照区最小，年平均值为(11.48±10.54) mg/kg。
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表 7 沉积物硫化物的时空变化/[mg/kg, 范围(平均值±标准差)] Tab.7 Temporal variation of the content of sulfide in the sediments/[mg/kg, Range(X±SD)] |
2017年6月硫化物的含量显著高于其他3次调查，平均值为(56.35±44.28) mg/kg，2017年8、10月和2018年5月的平均值分别为(11.09±6.84)、(9.68±20.18)和(17.22±31.84) mg/kg，且这3次调查的硫化物的含量不存在统计学差异。
不同区域沉积物硫化物多重比较分析检验结果见表 8。对照区和围栏中心区，围栏中心区与围栏外围区及网箱外围区沉积物硫化物的含量存在显著差异(P < 0.05)，而围栏外围区和网箱外围区沉积物硫化物含量与对照区不存在统计学差异，围栏外围区和网箱外围区之间沉积物硫化物含量也不存在统计学差异。
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表 8 不同区域沉积物硫化物两两对比检验P值 Tab.8 The comparison of P value of sulfide from different areas |
使用内梅罗综合指数法对沉积物质量综合评价的结果见表 9。2017年6月调查站位的内梅罗指数值范围为0.52~0.71，平均值为0.56±0.06，1、5、6、10号站位的沉积物质量为Ⅰ类(清洁)，其他采样站位为Ⅱ类(较清洁)；2017年8月调查站位的内梅罗指数值范围为0.57~0.67，平均值为0.59±0.05，1、2、5~8号站位的沉积物质量为Ⅰ类(清洁)，其他采样站位为Ⅱ类(较清洁)；2017年10月调查站位的内梅罗指数值范围为0.44~0.64，平均值为0.55±0.08，1、3~8、10号站位的沉积物质量为Ⅰ类(清洁)，其他的采样站位为Ⅱ类(较清洁)；2018年5月调查站位的内梅罗指数值范围为0.47~0.67，平均值为0.51±0.07，1~4、6、7、10号站位的沉积物质量为Ⅰ类(清洁)，其他的采样站位为Ⅱ类(较清洁)。
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表 9 内梅罗指数综合评价法沉积物评价结果 Tab.9 Evaluation results of sediment quality by using the Nemerow pollution index |
大陈岛海域远离大陆岸线约52 km，有机质受陆源污染较小，故沉积物有机质的输入主要来自人工投喂的颗粒饲料、鱼糜、杂鱼等饵料带来的外源性污染物和养殖鱼类的内源性排泄物。本研究结果显示，2017年6月、8月、10月和2018年5月有机碳的含量平均值分别为(0.56±0.26)%、(0.63±0.09)%、(1.09± 0.35)%和(1.37±0.52)%，4次调查结果逐次升高，说明围栏养殖大黄鱼过程中产生的残饵与鱼粪含有丰富的有机碳，并且易积聚于围栏养殖区底部，造成围栏养殖区沉积物有机碳的富集。一些学者对网箱养殖对海洋沉积物有机碳影响的距离进行了分析，如蒋增杰等(2012)研究认为，南沙港网箱养殖对海洋沉积物有机碳可影响到400 m的范围。Pawar等(2001)研究分析了日本濑户内海网箱养殖的沉积物有机碳富集范围在离网箱养殖区165 m范围内。Shakouri (2003)研究对冰岛东部网箱养殖区外5 m、95 m和600 m处的沉积物有机碳含量进行了调查分析，发现网箱养殖对离网箱养殖区5 m沉积物有机碳含量影响最大，离网箱养殖区95 m和600 m处的差异不大。本研究发现，围栏养殖对海洋沉积物有机碳含量影响的范围更广一些，对照区6号站位(离围栏养殖区约700 m)沉积物有机碳含量也有累积的趋势，可能是在大陈岛海域风能、潮流、波浪等强能因素下，一部分残饵及鱼粪被冲到较远的地方，同时沉积在底部的有机质在这些因素的影响下，也更容易悬浮在海水中，并向远处漂移。总体而言，调查期间围栏养殖区及附近海域沉积物有机碳含量均符合《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准。
养殖区底部由于残饵粪便的累积而产生丰富的有机质，有机质降解在消耗大量溶解氧的同时使氧化还原电位降低，硫酸盐还原菌是厌氧菌，在缺氧条件下硫酸盐还原菌能将硫酸盐还原生成硫离子，生成硫化物；微生物的剧烈运动还导致H2S气体产生，并释放到水体中，危害养殖鱼类(李晓敏等, 2005)。本调查研究中，围栏中心区硫化物含量远高于其他3个区域，这是因为深远海大型围栏一般由固定桩柱系统和网衣系统等结构组成，网衣系缚于桩柱上，并与海底嵌合。养殖围栏中心区域更容易沉积残饵鱼粪，其中的有机质降解会消耗更多的O2，更易形成缺氧环境，使硫酸盐还原菌活性更强，导致更多硫化物的生成。本研究还表明，2017年6月和8月航次调查沉积物硫化物的含量比2017年10月和2018年5月调查航次更高，这是因为夏季水温相对来说较高，硫酸盐还原菌在高温期生长繁殖更快，会加快硫化物的生成(杨建设等, 2006)。黄洪辉等(2007)对半封闭海湾大鹏澳海水鱼类网箱养殖区及其邻近海域沉积物硫化物含量进行了调查分析，发现养殖区沉积物硫化物含量平均值高达562 mg/kg，养殖区外500~800 m区域沉积物硫化物含量也达到238 mg/kg，而本研究所调查的围栏中心区、围栏外围区、网箱外围区和对照区沉积物硫化物含量相对要小得多，这是因为传统网箱大多位于封闭或半封闭的海域，养殖时间长、网箱数量多、养殖密度大、水流交换差，致使底部溶氧较低，形成了适合硫酸盐还原菌生长繁殖的环境，导致硫化物的大量生长，而本调查海域位于开放海域，且养殖密度低，良好的水流交换可带来丰富的溶氧，一定程度上可有效抑制硫化物还原菌的活性，减缓硫化物的生长速度。总体而言，调查期间围栏养殖区及附近海域沉积物硫化物含量均符合《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准。
本研究对调查期间沉积物质量进行内梅罗指数综合分析可以看出，调查期间所有采样站位沉积物质量均为清洁(Ⅰ类)或较清洁(Ⅱ类)状态，在调查时间各个站位沉积物质量保持了稳定良好的水平。一方面该海域养殖布局较为科学合理，不存在养殖密度过高的问题，同时该海域良好的水流交换可以使残饵粪便等部分污染物稀释扩散；另一方面，一般在每年12月左右，该海域深水网箱及围栏养殖大黄鱼都会起捕完毕、上市销售，次年的5月左右再重新投放大黄鱼鱼种，该海域在非养殖期内有数月的休养生息时间。虽然沉积物质量符合《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准，但调查期间沉积物有机碳仍有一定的累积，因此，要加大饲料研发和宣传力度，逐步改变使用冰鲜鱼饵料养殖大黄鱼的传统观念和习惯，推进大黄鱼绿色健康养殖。
4 结论4次调查大黄鱼围栏养殖区沉积物Cu的含量范围为15~33 mg/kg，Zn的含量范围为80~137 mg/kg，有机碳的含量范围为0.14%~1.90%，硫化物的含量范围为0.3~128.0 mg/kg。围栏中心区沉积物有机碳、硫化物的含量比其他区域高，但均符合《海洋沉积物质量》(GB18668-2002)中的一类标准。
调查期间，沉积物质量均为清洁(Ⅰ类)或较清洁(Ⅱ类)状态，目前监测的几项指标综合评价结果未达到污染水平，沉积物质量符合海水养殖标准。
在本调查时间内，沉积物Cu、Zn和硫化物未表现出明显的累积趋势，沉积物有机碳有轻微累积的趋势，建议通过加强大黄鱼配合饲料的研发与应用，以缓解目前冰鲜鱼饵料大规模投入的状况，降低饵料系数，从而在一定程度上减轻有机质累积对沉积环境的污染。
HU Q, LI Q, HUANG B G, et al. Pollution status and the annual variations of heavy metals in the surface sediments in the adjacent sea water of the Yellow River estuary. Progress in Fishery Sciences, 2017, 38(2): 16-23 [胡琴, 李强, 黄必桂, 等. 黄河口附近海域表层沉积物重金属污染状况及年际变化分析. 渔业科学进展, 2017, 38(2): 16-23] |
HUANG H H, LIN Q, GAN J L, et al. Impact of cage fish farming on sediment environment in Dapengao Cove. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(1): 75-80 [黄洪辉, 林钦, 甘居利, 等. 大鹏澳海水鱼类网箱养殖对沉积环境的影响. 农业环境科学学报, 2007, 26(1): 75-80 DOI:10.3321/j.issn:1672-2043.2007.01.014] |
JIANG Z J, FANG J G, MAO Y Z, et al. Identification of aquaculture-derived organic matter in the sediment associated with coastal farming. Journal of Fishery Sciences of China, 2012, 19(2): 348-354 [蒋增杰, 方建光, 毛玉泽, 等. 海水鱼类网箱养殖水域沉积物有机质的来源甄别. 中国水产科学, 2012, 19(2): 348-354] |
LI L, PING X Y, WANG L M, et al. Assessment of sea water quality in Larimichthys crocea farm cultured with copper alloy fence. Marine Fisheries, 2019, 41(1): 100-106 [李磊, 平仙隐, 王鲁民, 等. 铜合金围栏养殖大黄鱼海域水质综合评价与分析. 海洋渔业, 2019, 41(1): 100-106 DOI:10.3969/j.issn.1004-2490.2019.01.012] |
LI M Y, MIAO L, YU C, et al. Effects of different forms and management of large bottom-seated enclosure for culturing large yellow croaker (Larimichthys crocea). Journal of Ningbo University (NSEE), 2019, 32(6): 30-34 [李明云, 苗亮, 俞淳, 等. 大黄鱼大型座底式围栏养殖的不同形式和管理的效果. 宁波大学学报(理工版), 2019, 32(6): 30-34 DOI:10.3969/j.issn.1001-5132.2019.06.006] |
LI X M, QU K M, SUN Y, et al. The pollution of sulfide and its remediation in sediment environment of marine aquaculture. Marine Fisheries Research, 2005, 26(6): 88-93 [李晓敏, 曲克明, 孙耀, 等. 海水养殖沉积环境硫化物污染及修复. 海洋水产研究, 2005, 26(6): 88-93] |
LIU L J, JIANG X Y, GAO J Q, et al. Comprehensive evaluation of the Xiaoshi Island Apostichopus japonicas national aquatic germplasm reserve. Progress in Fishery Sciences, 2021, 42(5): 8-15 [刘丽娟, 姜向阳, 高继庆, 等. 小石岛刺参国家级水产种质资料保护区综合评价. 渔业科学进展, 2021, 42(5): 8-15] |
MAI K S, XU H, XUE C H, et al. Study on strategies for developing offshore as the new spaces for mariculture in China. Strategic Study of CAE, 2016, 18(3): 90-95 [麦康森, 徐皓, 薛长湖, 等. 开拓我国深远海养殖新空间的战略研究. 中国工程科学, 2016, 18(3): 90-95 DOI:10.3969/j.issn.1009-1742.2016.03.016] |
NEMEROW N L C. Scientific stream pollution analysis. Washington D. C. : Scripta Book Company, 1974
|
PAWAR V, MATSUDA O, YAMAMOTO T, et al. Spatial and temporal variations of sediment quality in and around fish cage farms: A case study of aquaculture in the Seto Inland Sea, Japan. Fisheries Science, 2001, 67(4): 619-627 DOI:10.1046/j.1444-2906.2001.00298.x |
SHAKOURI M. Impact of cage culture on sediment chemistry. A case study in Mjoifjordur. United Nations University Fisheries Training Programme, 2003
|
SHI J G, YU W W, LU B C, et al. Development status and prospect of Chinese deep-sea cage. Journal of Fisheries of China, 2021, 45(6): 992-1005 [石建高, 余雯雯, 卢本才, 等. 中国深远海网箱的发展现状与展望. 水产学报, 2021, 45(6): 992-1005] |
SONG W, YIN L M, CHEN X Z, et al. On behavioral characteristics of Larimichthys crocea by ultrasound pinger system of fence farming in shallow sea. Marine Fisheries, 2019, 41(4): 494-502 [宋炜, 殷雷明, 陈雪忠, 等. 基于超声波标志法的浅海围栏养殖大黄鱼行为研究. 海洋渔业, 2019, 41(4): 494-502] |
WANG L, WANG L M, HUANG T, et al. Current situation and analysis of copper alloy fence aquaculture facilities with pillar pile. Fishery Information & Strategy, 2017, 32(3): 197-203 [王磊, 王鲁民, 黄艇, 等. 柱桩式铜合金围栏网养殖设施的发展现状与分析. 渔业信息与战略, 2017, 32(3): 197-203] |
XU H, CHEN J Y, FANG H, et al. Chinese marine fishery transformation and strategic emerging industry of deep ocean fishery. Fishery Modernization, 2020, 47(3): 1-9 [徐皓, 陈家勇, 方辉, 等. 中国海洋渔业转型与深蓝渔业战略性新兴产业. 渔业现代化, 2020, 47(3): 1-9] |
XU H. Development strategy for aquaculture facility and deepwater aquaculture platform. Strategic Study of CAE, 2016, 18(3): 37-42 [徐皓. 水产养殖设施与深水养殖平台工程发展战略. 中国工程科学, 2016, 18(3): 37-42] |
YANG J S, HUANG Y T, WU C S, et al. The influence of temperature and pH on the activity of SRB. Journal of Maoming College, 2006, 16(4): 1-3 [杨建设, 黄玉堂, 吴楚施, 等. 温度和pH对硫酸盐还原菌活性的影响. 茂名学院学报, 2006, 16(4): 1-3] |
ZHOU L L, PING X Y, LI L, et al. On characteristics and environmental effects of phytoplankton community structure in the coast of Pseudosciaena crocea copper seine net cage culture. Marine Fisheries, 2018, 40(4): 413-423 [周龙龙, 平仙隐, 李磊, 等. 铜围网大黄鱼养殖海域浮游植物群落结构特征及其环境效应研究. 海洋渔业, 2018, 40(4): 413-423] |
ZHOU W B, SHI J G, YU W W, et al. Current situation and development trend of marine seine culture in China. Fishery Information & Strategy, 2018, 33(4): 259-266 [周文博, 石建高, 余雯雯, 等. 中国海水围网养殖的现状与发展趋势探析. 渔业信息与战略, 2018, 33(4): 259-266] |
ZOU G H, SONG W, XIE Z L. Deep-sea large-scale fence culture technology of Larimichthys crocea. China fisheries, 2021(6): 57-60 [邹国华, 宋炜, 谢正丽. 大黄鱼深远海大型围栏养殖技术. 中国水产, 2021(6): 57-60] |