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挪威研究人员开发了跟踪模型

Mari Skuggedal Myksvoll博士

从物理学到农业:对水动力和行为监测系统的评估

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Sea lice cause multi-million-dollar losses annually to the farmed 三文鱼 industry, and continuous monitoring is needed to identify areas where their high densities are an unacceptable high risk of mortality for wild 三文鱼 id fish. Photo by 7Barrym0re (//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Sea_lice_on_salmon.jpg).

编者注:原始文章共有10位作者,但我们仅包括第一位作者和相应作者的联系信息。有关作者的完整列表,请参阅 原始出版物.

挪威是世界领先的大西洋鲑鱼生产国(鲑鱼),挪威政府已决定,只要可以以环境可持续的方式进行,水产养殖的产量将继续增长。

这是通过将挪威海岸划分为13个生产区来实现的,并且在每个生产区中均应使用环境指标来确定影响是低,中还是高。在这些情况下,允许农业产业发展(绿色),冻结生产(黄色)或必须减产(红色)。因此,该系统被称为“交通灯系统”。目前用来衡量可持续性的唯一指标是鲑鱼虱子的影响(鲑鱼麻疯病鲑鱼养殖场释放的野生鲑鱼的死亡率)。

这种寄生虫每年给养殖鲑鱼业造成数百万美元的损失,因此需要进行连续监测以查明鲑鱼虱子密度将对野生鲑鱼造成很高的死亡风险的区域。基于流体动力学模型和统计模型,已经开发了几种描述养殖场感染压力的模型。

在过去约15年中,基于水动力循环的模型已被用作预测鲑鱼虱浮游阶段随水流的漂移的工具。这些模型表明,水流可能将虱子运送到距源场几十公里的地方。除了计算出的运输距离外,这些模型还揭示了虱子密度,并具有很大的空间斑驳性。

在这里,我们提出了一种机械方法,其中既包括流体动力学也包括虱子行为。这种可操作的鲑鱼虱子模型系统促进了一种综合方法,包括对虱子侵染压力进行动态建模,考虑所有环境变量(循环,温度,盐度,风),沿峡湾轴线的局部变化,相邻峡湾之间的区域变化和国家变化整个挪威海岸。

本文–摘自 原始出版物 –描述可操作的鲑鱼虱子模型,并进一步评估监测系统的质量,这对于准确,可靠地评估虱子侵染压力是必要的。我们指的是国家运营监控系统,其中既包括运营中的鲑鱼虱子模型,也包括野生鱼类数据,其中运营中的鲑鱼虱子模型是流体动力学海洋模型和鲑鱼虱子粒子跟踪模型的组合。

研究设置

这项研究涵盖了整个挪威海岸线,包括峡湾,岛屿和海湾,全长超过100,000公里,而没有岛屿的海岸线则长达25,000公里。由于形态(海岸线和测深线)不规则且复杂,因此研究区域如此之大需要大量的精力和复杂的监视工具。

挪威气象学院 –负责挪威水域的业务海洋监测和预报–拥有一套实用的水动力海洋模型,可利用 区域海洋模拟系统 楷模。这些型号之一就是NorKyst800,它是覆盖挪威海岸的最里面的型号,水平分辨率为800米。根据NorKyst800的结果, 海洋研究所 运行鲑鱼虱子模型并每周在线发布结果,显示在过去10天中添加的双足纲总数(虱子的自由游泳幼体期)。

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This picture, taken at the Norwegian Aquaculture Center (Brønnøy, 挪威 ), shows different life stages of 三文鱼 lice, including a mature female with egg strings (top); a mature female without egg strings (center); and an immature louse (bottom). Photo by Thomas Bjørkan [CC BY-SA 3.0 (//creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] (//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bd/Salmonlouse.jpg).
拟足纲的模型分布基于所有活跃养鱼场的无节幼体释放。无节幼体的数量是根据每个成年雌性,生物量(鱼的数量)和温度的报告水平计算得出的,每个农场每周(温度和成年雌性)或每月(生物量)提供。模型结果用于指导系统的自适应现场监测部分,该区域通过对野鳟的虱子计数来确认鲑鱼虱子侵染压力升高的区域。

有关此研究的详细信息,包括背景信息;学习区;水动力海洋模型;水文观测;鲑鱼虱子粒子跟踪模型;从养鱼场释放鲑鱼虱子;观察到野鳟的出没压力;运行监控系统;以及对模型侵染压力的评估,请参考原始出版物。

主要发现

我们将首次提供一个涵盖整个挪威海岸线的水动力海洋模型系统,并针对野鳟和炭黑的观测值对模拟侵染压力的质量进行了测试。通过使用两个互补的数据源(运营模型和野生鱼类数据),我们可以提供一种改进的风险和可持续性评估系统,这是向管理机构提供基于知识的建议的基础。

挪威关于鲑鱼野生鲑鱼的国家虱子监测计划旨在描述在密集鲑鱼养殖所有地区对野生鱼类的侵害压力。这是一项艰巨的任务,表明需要根据对野生鱼虱子侵染率高的地区进行预测进行适应性监测,这可以通过对野生鲑鱼进行二次采样来验证。实施可操作鲑鱼虱子模型可以近乎实时地监测整个挪威海岸的侵染压力。在我们的研究中,我们证明了涵盖整个挪威海岸的全机械方法在技术和质量上都是可行的。保持完全运行的模型在技术上具有挑战性,并且通过IMR和MET 挪威 之间的合作已成为可能。

图1:鲑鱼虱子的全国分布。 2015年,2016年和2017年5月的综合虱子密度(#cop / m2)。

运行中的鲑鱼虱子模型(包括水动力海洋模型和鲑鱼虱子颗粒追踪模型)已经运行了数年,并被证明在整个挪威沿海地区几乎实时地产生鲑鱼虱子侵染压力是可靠的。在质量方面,本文对水文特性(图2)和鲑鱼虱子扩散(图3)在模型和观测值之间进行了很好的比较。以前,鲑鱼虱子模型已针对Hardangerfjord地区的哨兵笼进行了验证,而此处我们已证明该模型在整个海岸上都是有效的。

图2:水文比较:观察到的温度(左图)和盐度(右图)的散点图。观测值和模型值分别作为水平轴和垂直轴给出。颜色编码对应于替代变量的观察值,即左侧面板中的盐度和右侧面板中的温度。颜色代码由插图中的图例显示。
图3:比较模拟虱子和观察到的虱子:在15内相对于模拟虱子密度绘制的年轻阶段的平均平均丰度×2015年(蓝色),2016年(红色)和2017年(黑色)的观测点的15个网格点。将两个变量标准化以进行比较(减去平均值并除以标准偏差),并以对数-对数刻度绘制。

整个沿海地区最新的侵害压力是评估野生鱼对鲑鱼虱子的承载能力的宝贵信息,因此,这是管理鲑鱼产业实现可持续增长的重要措施。该模型系统将与其他模型系统(例如野外观察)结合在一起,包含在知识库中,这是实施新的“交通灯”管理系统所必需的。

由于该模型能够预测高侵染压力的区域,并且通过广泛使用自适应监测(通过二次采样可以验证高侵染压力的区域),因此不会随机选择捕获野生鱼类的位置。如果自己解释野生鱼上鲑鱼虱的观察结果,这将影响该地区的总体评估。另外,现场监视既费时又昂贵,尤其是在挪威这样的国家,因为海岸长,复杂而许多地方偏远。因此,为了评估13个生产区域的侵染压力,观测结果和模型结果必须被认为是相辅相成的,并且必须始终一起使用。

在我们的研究中,我们表明模型结果的质量在监控站上是很好的,并且该模型也非常适合评估监控站之间的侵扰压力。通过合并这两个数据源,可以评估生产区域中的整体侵染压力。现场监控将继续进行,并且将连续进行比较以确保将来也保持质量。

图4:2016年5月23日至6月12日的模拟虱子密度(a)在生产区域4中,显示了五个具有野生鱼类数据的地点的位置。相对强度(b)分为以下几类:<每克0.1虱,每克0.1至0.2虱,每克0.2至0.3虱和>每克0.3虱子,五个地方的虱子阶段(c)分布; Herdlafjorden,Herøyosen,Solund,Sørbøvågen和Maurstadvika。

管理价值

国家运行监控系统的实施使首次有可能近乎实时地评估整个挪威海岸鲑鱼虱子的侵染压力。这样可以快速识别鲑鱼和鳟鱼特别容易受到鲑鱼虱子感染的高风险地区。重要的是要在生产区域内识别鲑鱼虱子的“热点”,并通过观察记录这些地区的鲑鱼虱子强度。能够监视生产区内高风险区域的范围以及该部分的时间演变也至关重要。

总之,当野生鲑鱼成为问题时,政府有可能采取必要措施来减轻高侵扰压力。根据鲑鱼虱风险指数估计其他研究人员开发的鲑鱼虱感染导致的死亡率增加,所有高于0.3虱每克的感染被假定为造成100%的死亡率。如果生产区域内虱子引起的总死亡率超过人口水平的30%,则作为“交通灯系统”的一部分,鲑鱼的产量必须减少。

观点

我们的研究结果证明了对远离源头(即养鱼场)的野生鱼类的模拟侵染压力的质量。因此,可以合理地假设该模型解决了鲑鱼虱子最重要的运输机制,特别是海洋环流和虱子行为。这很重要,因为挪威政府已经决定,鲑鱼虱子导致鲑鱼从河流迁移到公海的过程中致死的死亡率将成为控制可持续增长的指标。我们在此描述的模型系统非常适合于提供侵染压力,该压力可用于计算通过峡湾系统迁移的鲑鱼熏鲑的虱子数量。

该操作模型系统还适用于为养鱼户制定虱子缓解策略。该系统可以确定在生产区域的各个农场进行的处理(包括不同的时间安排)如何影响区域感染的压力。接下来,除了增加和减少产量之外,还可以测试各种模型场景,在这些场景中可以评估农场的不同位置和规模。


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