基于水溫垂直結(jié)構(gòu)的西北太平洋柔魚(yú)棲息地模型構(gòu)建＊

陳新軍，陳 峰，高 峰，雷 林

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院；2.上海海洋大學(xué)大洋生物資源開(kāi)發(fā)和利用上海市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306）

柔魚(yú)（Ommastrephes bartramii）作為1種大洋性種類(lèi)，廣泛分布在太平洋的亞熱帶和溫帶海域，資源極為豐富［1］。該資源于1970年代初期首先由日本漁船開(kāi)發(fā)，此后韓國(guó)、中國(guó)（包括臺(tái)灣?。┑葒?guó)家和地區(qū)對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)性開(kāi)發(fā)利用。其中西北太平洋柔魚(yú)冬春生產(chǎn)卵群體是中國(guó)大陸魷釣漁船傳統(tǒng)的捕撈對(duì)象，作業(yè)時(shí)間從每年的6月持續(xù)至11月，8～10月為漁汛旺期，該漁場(chǎng)的漁獲量約占其年產(chǎn)量的70%～80%［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)北太平洋柔魚(yú)種群結(jié)構(gòu)［3］、年齡生產(chǎn)［4－6］、繁殖［7－9］、洄游方式［10－11］、柔魚(yú)及漁場(chǎng)分布與海洋環(huán)境關(guān)系［12－20］等方面做了大量的研究。由于柔魚(yú)對(duì)海洋環(huán)境變化較敏感，并且具有晝夜垂直洄游的習(xí)性［10］，因此，柔魚(yú)中心漁場(chǎng)的形成不僅僅受到海洋表溫（Sea Surface Temperature，SST）、鋒面、海流等海洋環(huán)境要素的影響，同時(shí)還受到水溫垂直結(jié)構(gòu)的影響［21］。

棲息地指數(shù)模型（Habitat Suitability Index，HSI）最早由美國(guó)地理調(diào)查局國(guó)家濕地研究中心魚(yú)類(lèi)與野生生物署于1980年提出，被用來(lái)描述野生動(dòng)物對(duì)周?chē)鷹⒌丨h(huán)境適應(yīng)程度［22］。近年來(lái)?xiàng)⒌乩碚摵头椒ū恢饾u應(yīng)用于漁業(yè)資源、漁場(chǎng)的研究中［23－25］。Song和Zhou［23］利用不同水層溫度梯度建立棲息地模型分析印度洋大眼金槍魚(yú)分布；馮波等［26］利用分位數(shù)回歸方法建立基于各水層水溫差和溶解氧差的印度洋大眼金槍魚(yú)棲息地模型；郭愛(ài)等［27］利用水溫垂直結(jié)構(gòu)研究了中西太平洋鰹魚(yú)的棲息地環(huán)境；Chen等［28］根據(jù)海洋表層環(huán)境因子建立了西北太平洋柔魚(yú)棲息地模型，沒(méi)有涉及到深層水溫；Tian等在其研究中已考慮到了深層水溫對(duì)西北太平洋柔魚(yú)漁場(chǎng)的影響［24］，但并沒(méi)有涉及到各水層水溫梯度對(duì)柔魚(yú)漁場(chǎng)的影響。因此，本文主要根據(jù)1998－2005年西北太平洋柔魚(yú)生產(chǎn)資料，以及各水層溫度、水溫垂直梯度建立基于水溫垂直結(jié)構(gòu)的棲息地模型，分析探討不同方法所建立的棲息地模型與漁場(chǎng)分布關(guān)系，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，為實(shí)際漁業(yè)生產(chǎn)和管理提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù) 采用1998—2005年8～10月中國(guó)大陸西北太平洋柔魚(yú)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要作業(yè)海域?yàn)?50°E～165°E，38°N～46°N，數(shù)據(jù)字段包括日期、船名、經(jīng)度、緯度、產(chǎn)量、作業(yè)次數(shù)。其時(shí)間分辨率為天，將0.5（°）×0.5（°）表示為1個(gè)漁區(qū)，統(tǒng)計(jì)1個(gè)漁區(qū)內(nèi)作業(yè)次數(shù)（單位：d）和產(chǎn)量（單位：t）。

（2）海洋環(huán)境數(shù)據(jù) 表層水溫（SST）和深層水溫?cái)?shù)據(jù)（50、200和300 m水溫），均來(lái)自哥倫比亞環(huán)境數(shù)據(jù)（CARTON－GIESE Simple Ocean Data Assimilation，http：／／iridl.ldeo.columbia.edu／SOURCES／.CARTON－GIESE／SODA／），時(shí)間跨度為1998—2005年，月份為8～10月，空間分辨率為0.5（°）×0.5（°）。

1.2 分析方法

（1）以SST、各水層溫度和0～50 m、200～300 m溫度梯度［29］為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)1998—2004年8～10月0.5（°）×0.5（°）漁區(qū)內(nèi)產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)。

（2）作業(yè)漁船的分布（即作業(yè)次數(shù)）反映了魚(yú)類(lèi)偏好或者捕撈幾率的分布［30］，因此，作業(yè)次數(shù)可用來(lái)表征柔魚(yú)中心漁場(chǎng)的分布。假定最高作業(yè)次數(shù)為漁業(yè)資源豐度較高的海域，指定其棲息地指數(shù)HSI為1；作業(yè)次數(shù)為0時(shí)，則認(rèn)為是魚(yú)類(lèi)資源豐度較低的海域，指定其HSI為0［31］。棲息地指數(shù)大于0.6的海域，認(rèn)為是魚(yú)類(lèi)資源較為適宜的棲息海域［28］。通過(guò)上述對(duì)柔魚(yú)漁場(chǎng)與各水層水溫的分析，獲得漁場(chǎng)適宜的水溫指標(biāo)。以作業(yè)次數(shù)為基礎(chǔ)建立各水層水溫的適應(yīng)性指數(shù)（Suitability Index，SI），利用下列公式計(jì)算單因素適應(yīng)性指數(shù)：

式中：SIi為單因素適應(yīng)性指數(shù)；Neti為i漁區(qū)作業(yè)次數(shù)；Netmax為各漁區(qū)中的最高作業(yè)次數(shù)。

（3）利用一元非線性回歸法建立SST、50 m水溫（T50）、200 m水溫（T200）、300 m水溫（T300）、0～50 m溫度梯度（G0－50）和200～300 m溫度梯度（G200－300）與SI之間的關(guān)系模型。通過(guò)此模型將SST、T50、T200、T300、G0－50和G200－300與SI離散變量關(guān)系轉(zhuǎn)化為連續(xù)隨機(jī)變量關(guān)系。

（4）利用目前較為普遍的算術(shù)平均法（Arithmetic Mean Model，AMM）［32］和幾何平均法（Geometric Mean Model，GMM）［33］建立棲息地指數(shù)模型。

式中，SIi為第i個(gè)環(huán)境變量的適應(yīng)性指數(shù)；n為模型中的參數(shù)個(gè)數(shù)。

利用式（2）和式（3）不同海洋環(huán)境因子的組合，獲得綜合棲息地指數(shù)。根據(jù)綜合棲息地指數(shù)與1998—2004年8～10月作業(yè)次數(shù)和產(chǎn)量的關(guān)系，選擇其中HSI大于0.6以上，作業(yè)次數(shù)和產(chǎn)量比重最高的海洋環(huán)境因子組合作為最優(yōu)模型的環(huán)境因子。

（5）以CPUE（單位：t／d）指標(biāo)作為柔魚(yú)資源豐度，計(jì)算公式如下：

式中：CPUE為漁區(qū)i的柔魚(yú)資源豐度（t／d）；Ci為漁區(qū)i的產(chǎn)量（單位：t）；Fi為漁區(qū)i的作用次數(shù)（單位：d）。

1.3 HSI模型的驗(yàn)證

利用2005年8～10月生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，以驗(yàn)證基于水溫垂直結(jié)構(gòu)的棲息地指數(shù)模型（HSI），探討以此模型來(lái)預(yù)測(cè)柔魚(yú)中心漁場(chǎng)和潛在漁場(chǎng)的可行性。

2 結(jié)果

2.1 漁場(chǎng)與各水層溫度分布

8月，作業(yè)次數(shù)主要分布在SST、T50、T200、T300、G0－50和G200－300分別為17～21℃、7～10℃、3～6℃、3～5℃、0.15～0.35℃／m和－0.01～0.01℃／m的海區(qū)，分別占總作業(yè)次數(shù)的75.6、43.5、77.2、85.8、86.1和90.0%（見(jiàn)圖1）；9月，作業(yè)次數(shù)主要分布在SST、T50、T200、T300、G0－50和G200－300分別為16～19℃、7～10℃、3～5℃、3～5℃、0.12～0.32℃／m和－0.01～0.015℃／m海區(qū)，分別占總作業(yè)次數(shù)的79.9、41.5、70.9、98.7、70.7和94.7%（見(jiàn)圖2）；10月，作業(yè)次數(shù)主要分布在SST、T50、T200、T300、G0－50和G200－300分別為14～16℃、10～13℃、4～6℃、4～5℃、0.04～0.16℃／m和－0.008～0.008℃／m海區(qū)，分別占總作業(yè)次數(shù)的66.3%、64.1%、78.7%、85.8%、82.5%和92.3%（見(jiàn)圖3）。同時(shí)，分別建立了基于SST、T50、T200、T300、G0－50和G200－300的適應(yīng)性指數(shù)模型（見(jiàn)表1），各模型統(tǒng)計(jì)顯著（P＜0.01）。

圖3 10月柔魚(yú)漁場(chǎng)的各水層水溫適應(yīng)性指數(shù)曲線Fig.3 The suitability index curves of Ommastrephes bartramii for different water temperature in October

表1 單因素因子的適應(yīng)性指數(shù)方程Table 1 The suitability index equations based on single factors

2.2 HSI模型分析

根據(jù)不同環(huán)境因子組合獲得的綜合棲息地指數(shù)與HSI＞0.6時(shí)作業(yè)次數(shù)和產(chǎn)量比重如表2。相同環(huán)境因子條件下，AMM模型中，產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重達(dá)到70%以上；而GMM模型中，產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重達(dá)到60%以上，可見(jiàn)AMM建立的棲息地指數(shù)模型明顯優(yōu)于GMM。利用SST、G0－50、T200和T3004個(gè)因子和利用SST、T300和T3003個(gè)因子建立的棲息地指數(shù)大于0.6時(shí)，作業(yè)次數(shù)和產(chǎn)量在各模型中均比例較高；但綜合考慮到0～50 m內(nèi)水溫變動(dòng)較為劇烈，因此，選取SST、0～50 m水溫梯度、200 m水溫和300 m水溫建立棲息地指數(shù)模型。

表2 1998—2004年8～10月棲息地指數(shù)在0.6以上情況下作業(yè)產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)所占的比重Table 2 The percentages of catch and fishing effort of Ommastrephes bartramii during August to October from 1998 to 2004 on the basis of values above 0.6 estimated from the AMM and GMM model

根據(jù)SST、0～50 m水溫梯度、200 m和300 m水溫分別計(jì)算8～10月適應(yīng)性指數(shù)，然后利用AMM和GMM方法獲得柔魚(yú)綜合棲息地指數(shù)HSI（見(jiàn)圖4）。HSI＞0.6時(shí)，AMM的產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重分別占83.4%和80.9%，CPUE均2.1 t／d以上；GMM的產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重分別占73.5%和69.6%，CPUE均2.3 t／d以上。HSI＜0.4，AMM的產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重分別占4.2%和3.9%，CPUE為1.5～2.3 t／d；GMM的產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重分別占10.1%和9.6%，CPUE為1.4～2.4 t／d。分析表明，AMM和GMM均能預(yù)測(cè)柔魚(yú)中心漁場(chǎng)，預(yù)測(cè)精度達(dá)到70%，但AMM的產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重稍高于GMM，AMM模型稍優(yōu)于GMM。

圖4 1998—2004年8～10月柔魚(yú)產(chǎn)量（a）、作業(yè)次數(shù)（b），CPUE（c）與HSI關(guān)系Fig.4 The relationship between catch（a），fishing effort（b），CPUE（c）of Ommastrephes bartramii and HSI during August to October from 1998 to 2004

2.3 HSI模型驗(yàn)證

根據(jù)AMM建立HSI模型，利用2005年8～10月進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，分別計(jì)算各月的HSI值，并與實(shí)際作業(yè)次數(shù)進(jìn)行比較（見(jiàn)圖5和表3）。分析表明，8～10月HSI＞0.6海域總的捕撈產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重分別為85.6%和82.5%，CPUE為3.2～4.2 t／d。

8月，HSI＞0.6分布在150°E～155°E、40°N～43°N，155°E～157°E、42°N～43°N，157°E～160°E、38°N～44°N和161°E～164°E、38°N～41°N帶狀海區(qū)，作業(yè)漁場(chǎng)主要分布在150°E～157°E、40°N～44°N海區(qū)，中心漁場(chǎng)HSI＞0.6（見(jiàn)圖5a）；9月，HSI＞0.6主要分布在151°E～157°E、41°N～45°N和158°E～165°E、40°N～44°N兩海區(qū)，而柔魚(yú)漁場(chǎng)主要分布在152°E～157°E、42°N～44°N海區(qū)，中心漁場(chǎng)HSI＞0.6（圖5b）；10月HSI＞0.6主要分布在153°E～158°E、41°N～46°N和160°E～165°E、40°N～45°N海區(qū)，柔魚(yú)漁場(chǎng)主要分布在152°E～157°E、41°N～45°N海區(qū)，中心漁場(chǎng)HSI＞0.6（見(jiàn)圖5c）。

表3 基于HSI的2005年8～10月產(chǎn)量、作業(yè)次數(shù)和CPUE統(tǒng)計(jì)分布Table 3 The catch，fishing effort and CPUE of Ommastrephes bartramii from August to October in 2005 on the basis of values estimated from the HSI model

圖5 2005年8～10月柔魚(yú)漁場(chǎng)與基于AMM的HSI分布Fig.5 The relation of fishing ground distribution of Ommastrephes bartramii to HSI based on AMM from August to October in 2005

3 結(jié)論與分析

（1）漁場(chǎng)與水溫垂直結(jié)構(gòu)關(guān)系。柔魚(yú)作為一種短生命周期的種類(lèi)，其資源變動(dòng)、漁場(chǎng)分布對(duì)海洋環(huán)境變化較敏感［34］。SST作為一種找柔魚(yú)中心漁場(chǎng)的重要指標(biāo)，對(duì)柔魚(yú)漁場(chǎng)的變動(dòng)起著最重要的作用。8～10月柔魚(yú)漁場(chǎng)主要分布在黑潮前鋒附近及表溫等溫線密集的冷暖水交匯區(qū)，深層冷暖水交匯處暖水一側(cè)或暖水舌突出處［35］。適宜的水溫結(jié)構(gòu)有利于柔魚(yú)的集群以及漁場(chǎng)的形成（圖1～3）。如2009年，深層（100m）冷水入侵傳統(tǒng)漁場(chǎng)（42°N～46°N，150°E～165°E），使得柔魚(yú)旺汛期作業(yè)漁場(chǎng)水溫比往年偏低，魷釣產(chǎn)量大幅下降且漁獲率較低［36］。由此可見(jiàn)，表溫和深層水溫均影響柔魚(yú)資源及漁場(chǎng)分布。因此，有必要在建模的過(guò)程中引入深層水溫作為單因子，建立水溫垂直結(jié)構(gòu)的棲息地指數(shù)模型，研究其與漁場(chǎng)分布的關(guān)系。同時(shí)研究中也發(fā)現(xiàn)，50 m以內(nèi)受到混合層影響，水溫變動(dòng)較大，分布偏度較大。因此，在建模過(guò)程引入了0～50 m水溫梯度變量，模型預(yù)測(cè)較好，進(jìn)一步體現(xiàn)出0～50 m水溫梯度的重要性。

（2）HSI模型的討論。把作業(yè)次數(shù)作為捕撈努力量，是擬合適應(yīng)性指數(shù)（SI）的較好指標(biāo)。Tian等［24］曾利用基于CPUE的HSI預(yù)測(cè)柔魚(yú)的最適棲息海域，由于受到作業(yè)漁船、作業(yè)技術(shù)以及其他海洋環(huán)境因素的影響，其預(yù)測(cè)效果稍低于基于捕撈努力量的HSI模型。適應(yīng)性指數(shù)（SI）表明，柔魚(yú)漁業(yè)捕撈努力量即作業(yè)次數(shù)與各層水溫、水溫梯度存在著正態(tài)分布關(guān)系（P＜0.05），這一關(guān)系也在其它魚(yú)類(lèi)資源中得到證實(shí)［37－38］。

AMM和GMM表明，HSI大于0.6時(shí)，8～10月產(chǎn)量和作業(yè)次數(shù)比重均達(dá)到80%，隨著HSI增大，產(chǎn)量與作業(yè)次數(shù)比重不斷增大（見(jiàn)圖4a，b）。CPUE均在2.1 t／d以上，波動(dòng)較小，但HSI低于0.4時(shí)，AMM的CPUE為1.5～2.3 t／d，而GMM的CPUE為1.4～2.4 t／d，波動(dòng)明顯較大（見(jiàn)圖4c）。綜合分析認(rèn)為，在預(yù)測(cè)西北太平洋柔魚(yú)中心漁場(chǎng)時(shí)，AMM稍優(yōu)于GMM，并且AMM在2005年8～10月作業(yè)漁場(chǎng)預(yù)測(cè)分析中得到了一定的驗(yàn)證。陳新軍等［25］利用表溫及表溫梯度建立的棲息地模型預(yù)測(cè)漁汛期漁場(chǎng)預(yù)測(cè)精度也達(dá)到80%以上（HSI＞0.6）。然而柔魚(yú)漁場(chǎng)不僅僅受到水溫的影響，同時(shí)也受到海流、葉綠素濃度、海面高度等影響，因此，在以后的分析中需要進(jìn)一步考慮多環(huán)境因子（如表層水溫，葉綠素和Argo深層環(huán)境因子等）對(duì)柔魚(yú)漁場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)中心漁場(chǎng)。

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