西北太平洋柔魚資源豐度的空間尺度分析

楊銘霞，陳新軍、2、3，馮永玖、2、3

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

西北太平洋柔魚Ommastrephes bartramii是一年生的短周期大洋性洄游種類［1-2］，是中國魷釣船的主要捕撈對象。柔魚漁場的分布與黑潮、親潮勢力強(qiáng)弱及其分布密切相關(guān)，柔魚在夏秋季北上期間，一般分布在表層水溫較高的黑潮前鋒附近以及等溫線分布密集的暖冷水交匯區(qū)［3］。柔魚常常以群體的形式，分布在某種特定的空間或時間上，它們具有高度的空間和時間異質(zhì)性［4］。

傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)通常把研究對象作為獨(dú)立存在的隨機(jī)變量，不考慮與影響因素之間的空間相關(guān)性，因此存在很大的局限性。而地統(tǒng)計學(xué)避免了經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)中忽視空間位置和方向的缺陷，提供了一個有效地分析和解釋空間數(shù)據(jù)的方法［5］。地統(tǒng)計學(xué)以變異函數(shù)為工具，研究那些在空間分布上既具有結(jié)構(gòu)性又有隨機(jī)性，或有空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象［6-8］。而尺度問題是所有生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)，正逐漸被越來越多的生態(tài)學(xué)家認(rèn)識［9］。本研究中主要采用地統(tǒng)計學(xué)方法對西北太平洋柔魚資源豐度空間分布的尺度進(jìn)行探討，并結(jié)合柔魚群體自身的種群結(jié)構(gòu)特征以及西北太平洋的海洋環(huán)境因素，分析引起這些差異的原因，旨在為更好地研究西北太平洋柔魚資源豐度的空間分布提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2011年西北太平洋柔魚生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自上海海洋大學(xué)魷釣技術(shù)組，其內(nèi)容主要包括作業(yè)時間、作業(yè)海區(qū)經(jīng)緯度以及單船產(chǎn)量等。

1.2 方法

1.2.1 數(shù) 據(jù) 處 理 取 樣 范 圍 為150° ～160°E、38° ～48°N，以西北太平洋柔魚盛漁期的8月份為例進(jìn)行研究。將8月柔魚單船日產(chǎn)量(CPUE)數(shù)據(jù)分別按經(jīng)緯度10'×10'、20'×20'、30'×30'、40'×40'、50'×50'、60'×60'、70'×70'、80'×80'、90'×90'、100'×100'、110'×110'和120'×120'以上等12 個空間尺度進(jìn)行劃分，形成不同大小的柵格數(shù)據(jù)(圖1)，對每一統(tǒng)計單位的站點(diǎn)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值。

1.2.2 地統(tǒng)計學(xué)方法 本研究中借助ArcGis 9.0地統(tǒng)計模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。對于數(shù)據(jù)序列Z(xi)，i=1，2，…，n，樣本的半變異函數(shù)r(h)用下式計算:

圖1 不同尺度下取樣站點(diǎn)數(shù)據(jù)分布示意圖Fig.1 The illustration of sampling data in different spatial scales

式中:N(h)為被h 分割的數(shù)據(jù)對(xi，xi+h)的對數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)分別為xi和xi+h 處樣本的測量值;h 為分隔兩樣點(diǎn)的距離(小于最大間距)。半變異函數(shù)曲線通常用球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型進(jìn)行擬合，篩選出最優(yōu)模型(圖2)。其中C0為塊金值，其大小反映變量的隨機(jī)程度;C+C0為基臺值，其大小反映變量變化幅度的大小，C 為偏基臺值;C0/(C+C0)的值可用來判斷系統(tǒng)內(nèi)變量的自相關(guān)程度，＜25%時為強(qiáng)空間自相關(guān)性，25% ～75%時為中等自相關(guān)性，＞75%為弱自相關(guān)性［10］;a 為變程，表示以a 為半徑的領(lǐng)域內(nèi)任何其他Z(xi)和Z(xi+h)間存在的空間自相關(guān)性，或者Z(xi)和Z(xi+h)相互有影響。

圖2 球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型示意圖Fig.2 Diagrams of Spherical model，Exponential model and Gaussian model

2 結(jié)果與分析

2.1 柔魚CPUE 的空間分布特征

8月柔魚作業(yè)區(qū)域主要集中在154° ～158°E、39° ～44°N，累計作業(yè)次數(shù)達(dá)到3 360次，累計總產(chǎn)量為9 062.56 t。作業(yè)漁船分布極為密集(圖3)。8月份CPUE 為1 ～10 t/d，約占總作業(yè)次數(shù)的77.38%;CPUE 達(dá)10 t/d 以上的作業(yè)次數(shù)約占總數(shù)的1.87%;總平均CPUE 為2.70 t/d。

圖3 西北太平洋柔魚CPUE 空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of CPUE for flying squid Ommastrephes bartramii in the northwest Pacific Ocean

2.2 相關(guān)變量分析

隨著分布尺度的遞增，最優(yōu)模型的選擇以及各個參數(shù)在某種程度上顯現(xiàn)出部分規(guī)律性(表1)。從表1可見:當(dāng)尺度≥80'×80'時，均以高斯模型擬合的最好;從方向角分布來看，當(dāng)尺度＜80'×80'時，隨著尺度的增大，方向角從WN-ES 方向逐漸向N-S 偏轉(zhuǎn)，當(dāng)尺度＞80'×80'時則呈現(xiàn)無規(guī)律性，說明隨機(jī)性比較大。同樣，從各尺度下的變程趨勢也不難發(fā)現(xiàn)(圖4)，隨著尺度的遞增，變程逐漸增大，而當(dāng)尺度＞80'×80'時則無又規(guī)律可言。

從圖5可見:塊金值與基臺值的走勢基本保持一致，當(dāng)尺度為40'×40'、60'×60'、90'×90'時分別出現(xiàn)了高峰，說明在這3 個尺度下塊金值與基臺值變化幅度相對較大，由隨機(jī)性引起的可能性也較大。根據(jù)以上結(jié)果可初步推斷，當(dāng)尺度＞80'×80'時，變量由隨機(jī)性產(chǎn)生的可能性過大，可能不太適合用來研究西北太平洋柔魚的空間異質(zhì)性。

表1 西北太平洋柔魚各尺度下有關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters for various scales in flying squid Ommastrephes bartramii in the northwest Pacific Ocean

圖4 西北太平洋柔魚變程隨尺度的變化Fig.4 Variation trend of ranges for each scale in flying squid O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean

圖5 西北太平洋柔魚塊金值和基臺值隨尺度的變化Fig.5 Values of Nugget and Sill for various scales in flying squid O.bartramii in the Northwest Pacific Ocean

2.3 空間自相關(guān)程度

從圖6可見:空間的自相關(guān)性大體上處于中等水平，在各尺度下不存在強(qiáng)空間自相關(guān)性。其中當(dāng)經(jīng)緯度尺度為80'×80'和90'×90'時，呈現(xiàn)弱空間自相關(guān)性;當(dāng)經(jīng)緯度尺度為40'×40'時，空間自相關(guān)性最強(qiáng)，達(dá)69.4%(1-塊金值/基臺值)。

圖6 西北太平洋柔魚塊金值與基臺值之比隨尺度的變化Fig.6 Ratio of Nugget to Sill for various scales in flying squid O.bartramii in the northwest Pacific Ocean

3 討論

3.1 漁場分布及其與環(huán)境的關(guān)系

本研究中只采用了2011年8月的漁獲量數(shù)據(jù)，從該月CPUE 空間分布來看，作業(yè)船只主要集中在154° ～158°E、39° ～44°N 海域，該海域是中國魷釣漁船傳統(tǒng)的重要作業(yè)漁場。8月產(chǎn)量占全年總漁獲量的28.8%，平均CPUE 為2.70 t/d，高于全年平均CPUE(1.93 t/d)。8月黑潮暖流與親潮寒流相遇，受黑潮強(qiáng)勢力影響，在154° ～158°E、39° ～44°N 海域形成流隔漁場。在150° ～160°E 海域，表溫為13 ～21 ℃，總體上與往年同期適宜表溫范圍基本一致［11-15］。柔魚高密度分布海域的表溫為18 ～20 ℃，與1998年、2003—2006年等暖水年相比［16-19］，最適表溫偏高1 ℃左右;與2001年、2009年等黑潮大彎曲及1996年、2000年、2001年親潮勢力強(qiáng)勁的冷水年相比［20-21］，最低適宜溫度高出3 ～5 ℃。8—10月為盛漁期，由于黑潮勢力較強(qiáng)，漁汛延長，產(chǎn)量較高。

3.2 多尺度效應(yīng)

為了提高海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)的檢索和操作效率，本研究中將龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行網(wǎng)格化［22］，劃分為10'×10'、20'×20'、…、120'×120'共12 個等級的空間分辨率。將10'×10'、20'×20'、30'×30'視為小尺度，40'×40' ～70'×70'視為中尺度，80'×80'以上視為大尺度。根據(jù)魯學(xué)軍等［23］提出的“空間分辨率圓錐”，在各分辨率下反映區(qū)域地理系統(tǒng)內(nèi)部組織構(gòu)造單元之間包含與被包含的空間關(guān)系將不同，所發(fā)生的地理事件的規(guī)模和性質(zhì)也將不同。

柔魚群體地理空間分布的研究，可反映種群內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理。小尺度空間分辨率下，塊金值和基臺值的變化幅度保持相對穩(wěn)定，說明小空間分辨率內(nèi)柔魚群體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，沒有太大差異。這反映了柔魚在索餌期間群體分布的空間格局為聚集型，這種現(xiàn)象在張寒野等［24］的研究結(jié)果中也有發(fā)生。研究其空間分布格局或許能解釋柔魚在各生長時期內(nèi)不同的行為表現(xiàn)，如為了減輕生長空間的壓力和降低種內(nèi)競爭，柔魚進(jìn)行大范圍洄游以及多季節(jié)產(chǎn)卵等［25］。

柔魚的生長除了與其自身群體結(jié)構(gòu)及其同類有關(guān)之外，還受到周圍海洋環(huán)境的影響。中尺度空間分辨率下，塊金值和基臺值出現(xiàn)了大幅度的波動，而變程的變化率保持穩(wěn)定，這說明在一定的空間分辨率下柔魚群體受到某種特定環(huán)境因素的影響，隨著分辨率的遞增，空間自相關(guān)性的半徑范圍呈線性增大，但不影響其空間自相關(guān)性。據(jù)日本學(xué)者對柔魚冬-春生群體和秋生群體洄游模式的推定［26-27］，本研究中8月西北太平洋柔魚很有可能為冬-春生群體，此群體從產(chǎn)卵場洄游至索餌場，也是黑潮與親潮的交匯區(qū)，此間柔魚的主要移動路線與黑潮暖水系以及親潮分支關(guān)系密切。

隨著空間尺度的增大，塊金值和基臺值在90'×90'尺度下出現(xiàn)一個高峰，變量的隨機(jī)性及變化幅度較大，之后則趨于穩(wěn)定，可能進(jìn)入了另一個地理事件。但從空間相關(guān)性來看，大尺度空間分辨率下，變程上下波動，空間自相關(guān)性范圍時大時小，從某種程度上說明了柔魚群體的空間分布受多因素的交互影響。而由圖6可見，大尺度下柔魚群體的空間自相關(guān)性明顯比中小尺度的弱。這可能是因為大范圍內(nèi)柔魚群體受海洋大環(huán)境的影響，因而減弱了其自身結(jié)構(gòu)特征。

陳新軍等［28］對西北太平洋150° ～165°E 海域柔魚日產(chǎn)量與時間、空間、表溫、表溫距平均值等環(huán)境因子進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析，認(rèn)為8—9月在38° ～44°N 海域100 m 水層內(nèi)形成明顯的溫躍層，200 m 以下水溫幾乎無變化，夜間柔魚主要在溫躍層附近或者在溫躍層與海面之間游泳，與柔魚空間自相關(guān)體現(xiàn)的聚集性剛好相吻合，因此溫躍層也是影響柔魚空間分布的一個重要環(huán)境因子。柔魚具有晝夜垂直移動習(xí)性，在索餌海域夜間主要游泳層在水深40 m 以上，而白天主要游泳層為水深150 ～300 m［3］。由于受到數(shù)據(jù)資料的限制，沒有將夜間和白天捕獲的柔魚分開，不能獲得不同水層的數(shù)據(jù)資料，因此，對柔魚資源三維空間格局分布的研究工作受到了限制。

本研究中借鑒了地統(tǒng)計學(xué)方法，引入了空間尺度分析的思想，探討了2011年8月西北太平洋柔魚群體的空間分布以及自相關(guān)性特征。初步分析了在各個尺度下柔魚資源分布產(chǎn)生的效應(yīng)，并結(jié)合柔魚群體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及海洋環(huán)境因素進(jìn)行了解釋。對柔魚資源的不同尺度空間格局進(jìn)行研究，既可減少單一尺度下對研究結(jié)果造成的誤差，又可減少用大尺度研究時忽略局部環(huán)境特點(diǎn)或用小尺度研究時脫離了大環(huán)境背景所造成的誤差。在今后的研究中，可考慮用三維時空分布格局和專家模型［29］來研究西北太平洋柔魚群體的空間分布特征。

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