小黑山島海域刺參、魁蚶和紫貽貝生境適宜性分析

唐柳青, 王其翔,劉洪軍,張智鵬,劉騁躍,周 健,*

1 中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院,青島 266003 2 山東省海洋生物研究院,青島 266104

小黑山島海域刺參、魁蚶和紫貽貝生境適宜性分析

唐柳青1, 王其翔2,劉洪軍2,張智鵬1,劉騁躍1,周 健2,*

1 中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院,青島 266003 2 山東省海洋生物研究院,青島 266104

以小黑山島臨近海域?yàn)檠芯繉ο?利用生境適宜性指數(shù)(habitat suitability index,HSI)模型選劃適宜刺參(Stichopusjaponicas)、魁蚶(Scapharcabroughtonii)和紫貽貝(Mytilusedulis)增殖修復(fù)的區(qū)域。分別針對每個(gè)修復(fù)物種篩選出7個(gè)生境評價(jià)因子,結(jié)合專家賦值法和層次分析法確定每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重,利用GIS空間分析模塊將現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行插值、重分類和柵格計(jì)算,繪制研究區(qū)域目標(biāo)種群生境適宜性地圖。結(jié)果表明：對于刺參和紫貽貝,研究區(qū)域均適宜其生長繁殖,同一物種,相同季節(jié)在空間上無站位差異,但各季節(jié)的生境適宜性分區(qū)變化明顯；對于魁蚶來說,東北部海域較適宜增殖,其次為西部海域,四季均以較適宜生境為主,僅冬季出現(xiàn)基本適宜生境。水溫是造成季節(jié)差異的主要因素,底質(zhì)類型則是引起生境站位差異的重要原因?？蔀楹罄m(xù)的生物多樣性保育和生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)資料參考。

生境適宜性指數(shù); 刺參(Stichopusjaponicas); 魁蚶(Scapharcabroughtonii); 紫貽貝(Mytilusedulis); 小黑山島

受人類環(huán)境破壞行為加大的影響,許多生物賴以生存的棲息地遭到大面積破壞,導(dǎo)致自然生物種群出現(xiàn)不同程度的衰退,迫切需要加強(qiáng)對生物生境的保護(hù)。生境適宜性指數(shù)(habitat suitability index, HSI)模型最早是由美國地理調(diào)查局國家濕地研究中心魚類與野生生物署于20世紀(jì)80年代初提出[1],作為一種評價(jià)野生生物生境適宜程度的指數(shù),被廣泛應(yīng)用于陸生野生生物的生境評價(jià)中。近年來,HSI模型被引入到生態(tài)需水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、河流多樣性保護(hù)和生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域,用于預(yù)測和模擬水生生物的分布特征,評價(jià)人為活動(dòng)造成的棲息環(huán)境變化對水生生物的影響,受到了生物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的高度重視[2]。隨著HSI模型的不斷發(fā)展,人們在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上融入了遙感系統(tǒng)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù),尤其是依托GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、分析和圖形化顯示能力,生境適宜性分析的研究范圍不斷擴(kuò)大,精度不斷提高,分析也更加全面[3-4]。Vincezi[3]等利用溶解氧(DO)、鹽度、水深和葉綠素a等生境因子對地中海馬尼拉蛤(Tapesphilippinarum)生境進(jìn)行研究,為管理者提供了不同地點(diǎn)的馬尼拉蛤潛在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。王家樵[5]等應(yīng)用基于GIS軟件的HSI模型對印度洋大眼金槍魚的生境分布進(jìn)行研究,從而探討了其適宜棲息的海域范圍。生態(tài)位理論指出物種僅能在其特定生境條件范圍內(nèi)才能生存繁衍[6],而環(huán)境質(zhì)量并不是一成不變的,隨著時(shí)間和地理因素的變遷也會(huì)影響物種的生存[7]。生境適宜性(HSI)評價(jià)的核心內(nèi)容就是確定物種所處環(huán)境的變量對物種地理空間分布的影響。

小黑山島臨近海域水質(zhì)狀況良好,各種理化因子季節(jié)變化明顯,該海域鹽度年均值為30.62,溶解氧年均值為9.10mg/L,四季海水溫度變化幅度較大。潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主,促進(jìn)該海域海洋生物的攝食,適宜海洋生物的生長[8]。歷史資料顯示,該海域生物資源量豐富,自然生長的貝類,例如刺參、扇貝、鮑魚、海膽等海珍品享譽(yù)海內(nèi)外[9]。然而,小黑山島海域近年來由于水域環(huán)境污染,該海域生態(tài)環(huán)境受損程度加劇,刺參、魁蚶和紫貽貝等種群資源量日趨減少。本研究通過構(gòu)建基于GIS的HSI模型,對刺參、魁蚶和紫貽貝的生境適宜性進(jìn)行分析,確定修復(fù)物種適宜增殖修復(fù)的區(qū)域,以期為該海域生境修復(fù)和資源恢復(fù)決策制定提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

小黑山島(圖1)位于山東省煙臺長島縣(37°57′55″—37°58′44″N,120°38′21″—120°39′10″E)地處渤海海峽,島陸面積為1.29km2。常年平均水溫為12.3℃[10],最高水溫出現(xiàn)在8月,達(dá)23.8℃,最低水溫出現(xiàn)在1月,為1.4℃。葉綠素含量較其他海域偏高,潮間帶底質(zhì)主要有巖礁、礫石和粗砂底質(zhì)3種類型,海底地形自西向東、自南向北逐漸傾斜。

圖1 小黑山島及監(jiān)測站位Fig.1 The Xiaoheishan Island and monitoring station

本研究在環(huán)小黑山島周邊海域布設(shè)10個(gè)調(diào)查站位,并以每個(gè)站位點(diǎn)為基準(zhǔn)向周邊延伸500m,劃定分析研究范圍,整個(gè)研究區(qū)域面積約為6.43km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)來源于2013年的6月、8月、11月及2014年3月進(jìn)行4個(gè)季度的航次調(diào)查。按照海洋調(diào)查規(guī)范獲得該海域水文要素(溫度、鹽度、深度、透明度等)、化學(xué)要素(pH、DO等)、沉積物(粒級含量、粒組系數(shù))等生境參數(shù)。應(yīng)用反距離插值法將調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù),并進(jìn)行空間分析。

1.3 研究方法

1.3.1 生境評價(jià)因子篩選

為確保生境適宜性分析評估結(jié)果的科學(xué)有效性,查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]中對刺參、魁蚶和紫貽貝生活史及其生態(tài)習(xí)性的研究報(bào)道,綜合資料收集并結(jié)合咨詢專家意見的方式從影響刺參、魁蚶和紫貽貝3個(gè)物種的生存、繁殖等諸多因素中分別篩選出7個(gè)相對重要的環(huán)境因子作為HSI模型的評價(jià)因子(表1)。

表1 3個(gè)物種評價(jià)因子篩選

1.3.2 構(gòu)建評價(jià)因子適宜性函數(shù)

依據(jù)生物在不同生境條件下生存繁育狀態(tài),將生境劃分為4個(gè)等級[14-15](即適宜生境、較適宜生境、基本適宜生境和不適宜生境,在HSI模型中用分段函數(shù)進(jìn)行表述,并在GIS中應(yīng)用重分類進(jìn)行賦值。其中,適宜生境指在該條件下攝食旺盛、活動(dòng)力強(qiáng),生物生理狀態(tài)達(dá)到最佳,各生境要素的適宜性指數(shù)(Suitability Index,SI)賦值為4；較適宜生境即能夠滿足生物生長發(fā)育的攝食所需,維持正常生長存活,生理活動(dòng)相對正常,SI賦值為3；基本適宜生境為在該條件下生物能夠耐受環(huán)境壓力,生物能夠生存,SI賦值2；不適宜生境不能提供生物生存所必需的條件,生物無法存活,SI賦值為0。對已篩選出的生境評價(jià)因子逐個(gè)構(gòu)建生境適宜性函數(shù),匯總形成生境適宜性等級劃分表(表2—表4)。

刺參是典型的海洋沉積食性生物,田傳遠(yuǎn)[16]等研究表明刺參喜棲息在含泥量不超過10%的砂泥底質(zhì),于東祥[17]等也通過對刺參自然分布調(diào)查結(jié)果顯示,底質(zhì)含泥量在10%以下,有刺參分布,而含泥量高于30%的底質(zhì)無刺參分布。王學(xué)廣[18]等指出刺參為狹溫性動(dòng)物,最適生長水溫僅為15—18℃,當(dāng)水溫<5℃,停止攝食；陳勇[19]等則通過設(shè)置6個(gè)溫度梯度研究了水溫對刺參生長的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溫>20℃時(shí),刺參停止攝食。水深的選擇是對刺參進(jìn)行增殖的重要因素,通常刺參大多生活在3—15m水域,成體有向深水區(qū)域移動(dòng)的現(xiàn)象[19-20]。當(dāng)鹽度為27—31.5時(shí)刺參生長速度最快,當(dāng)鹽度>34或<25時(shí),活動(dòng)減弱[18,21-22]。張群樂[22]等指出刺參對海水pH適應(yīng)范圍較廣,當(dāng)pH值<6或>9,刺參會(huì)停止攝食,活動(dòng)減弱。于東祥[24]研究指出養(yǎng)殖水體中溶解氧需≥5.0mg/L方可維持刺參的正常生長,當(dāng)溶解氧≤3.6mg/L,刺參幼體出現(xiàn)死亡,當(dāng)溶解氧<1.0mg/L,大批刺參出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。此外,也有部分研究[17]指出有機(jī)碳含量對刺參的生長也有著一定的影響。

表2 刺參生境適宜性等級劃分表

粒徑>63mm含量：%

表3 魁蚶生境適宜性等級劃分表

粒徑>63mm含量：%

表4 紫貽貝生境適宜性等級劃分表

水流流速[30]參照櫛孔扇貝；.水深[25]參照菲律賓蛤蜊；鹽度[32-33]、pH[32]參照厚殼貽貝

魁蚶營埋棲生活,底質(zhì)類型對其生長非常重要,在細(xì)砂含量80%以上軟泥底質(zhì)環(huán)境中分布密度較大[25]。張玉璽[11]等、謝忠明[26]等均指出魁蚶為冷水性貝類,適應(yīng)的水溫范圍為5—25℃,最適宜水溫為14—20℃,而當(dāng)水溫<5℃或>25℃時(shí),魁蚶會(huì)停止生長,出現(xiàn)大量死亡。魁蚶主要棲息于深度為3—50m的海區(qū)[26,28],尤喜好10—20m水深區(qū)域,在>50m海區(qū)幾乎沒有魁蚶分布?？滥苣褪艿柠}度范圍為27—45,最適宜鹽度為30—32[26-27]?？肋m宜生活在風(fēng)浪不大,相對平靜穩(wěn)定水域,水流流速25—35cm/s為宜,>50cm/s則會(huì)影響魁蚶的正常生長[25]。張煥[29]等指出魁蚶稚貝最適宜pH值為8.0—8.5,當(dāng)pH值>9.2或pH值<5.5時(shí),魁蚶稚貝活動(dòng)能力減弱,附著能力降低。水體中餌料生物濃度對魁蚶生長也非常重要,相關(guān)研究指出葉綠素a濃度>2.0μg/L時(shí),適宜魁蚶的生長,當(dāng)葉綠素a濃度<0.5μg/L時(shí),則會(huì)抑制魁蚶的生長[25]。

目前,已有諸多文獻(xiàn)對影響貝類生長的生境因子進(jìn)行了報(bào)道,但對紫貽貝這一物種的研究相對較少。本文中紫貽貝生境適宜性等級劃分表(表4)中的部分內(nèi)容,參照與其生態(tài)習(xí)性相近的貝類相關(guān)資料確定。貽貝喜水流較大且通暢的海況,匡世煥等[30]通過對櫛孔扇貝研究表明,其攝食率隨著流速的加快而提高,當(dāng)水流流速<300ml/min時(shí),攝食率降低,當(dāng)流速為470ml/min時(shí),攝食率達(dá)到最大值。紫貽貝屬寒溫帶物種,對低溫適應(yīng)能力較強(qiáng),王如才[25],包永波[31]等指出紫貽貝適宜生長水溫5—23℃,最適水溫10—20℃,而當(dāng)水溫<5℃或>28℃時(shí),貽貝停止攝食并出現(xiàn)死亡。紫貽貝適宜生長鹽度一般是25—30,當(dāng)鹽度過高或過低都會(huì)造成攝食活動(dòng)下降,同時(shí)會(huì)迫使貝類體內(nèi)滲透壓發(fā)生改變[32-33]。潘魯青[32]等指出貝類適宜在pH為7—9范圍生長,當(dāng)pH≤7或≥8.7時(shí),攝食明顯降低。葉綠素是浮游植物生物量的一個(gè)重要體現(xiàn),結(jié)合包永波[31]和陳清滿[34]對紫貽貝相關(guān)研究表明紫貽貝以濾食海水中顆粒物質(zhì)為食,當(dāng)餌料濃度為1.0—2.0μg/L,適宜紫貽貝生長,當(dāng)餌料濃度<0.5μg/L, 抑制貝類的生長。王如才[25]等指出,由于海水表層浮游植物等餌料資源比較豐富,貽貝多聚集分布自潮間帶至3m水深區(qū)域。Chen[35]等研究發(fā)現(xiàn)溶解氧<4.5mg/L時(shí)扇貝存活率降低。

1.3.3 權(quán)重確定

在專家對評價(jià)因子賦值的基礎(chǔ)上,應(yīng)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)[36-37]建立層次結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)各生態(tài)因子之間關(guān)系,建立遞階層次結(jié)構(gòu),隨后對同一層次的各生境因子重要性大小進(jìn)行兩兩比較(采用1—9比例標(biāo)度),分別構(gòu)建刺參、魁蚶和紫貽貝的兩兩比較判斷矩陣,并通過一致性檢驗(yàn)(即CR<0.1),檢驗(yàn)結(jié)果(CR值)依次為0.0384； 0.0104； 0.0249。最終確定影響每個(gè)生境因子的權(quán)重值(表5)。

表5 刺參、魁蚶和紫貽貝評價(jià)因子權(quán)重值

1.3.4 適宜性函數(shù)分析

評價(jià)因子的適宜性等級劃分及權(quán)重值確定后,將其應(yīng)用到生境適宜性模型中計(jì)算HSI值,并對整個(gè)研究區(qū)域的生境適宜性做出綜合分析?；诔朔ㄔ淼倪B乘法(CPM)和幾何平均法(GMM)曾是生境評價(jià)(柵格計(jì)算環(huán)節(jié))最常用的方法,但Layher[38]和龔彩霞[39]等人均指出這種算法不能很好地模擬生物體與各因子之間的綜合復(fù)雜的關(guān)系。近年來,越來越多的加權(quán)評價(jià)模型應(yīng)用到適宜性分析中[40-41]。本研究中的HSI值計(jì)算公式如下：

其中,SIi代表特定因子的適宜性值；Wi代表相應(yīng)特定的環(huán)境因子(i)的權(quán)重值大??；i=1…7代表的是在以上公式中所輸入的7個(gè)影響因子。

1.3.5 繪制HSI分布圖

為使分析結(jié)果更清晰直觀,依據(jù)HSI計(jì)算得分,將生境適宜性劃分為4個(gè)等級,并用相對應(yīng)顏色標(biāo)明,最終輸出生境適宜性分析圖。其中0—1為不適宜生境(紅色)；1—2為基本適宜生境(橙色)；2—3為較適宜生境(藍(lán)色)；3—4為適宜生境(綠色)。

2 結(jié)果

2.1 刺參

刺參的生境適宜性在季節(jié)方面存在顯著不同,而調(diào)查站位間并未出現(xiàn)差異。該研究區(qū)域在春秋兩季全部屬于適宜生境,非常適宜刺參的生長；在夏季,研究區(qū)均為較適宜生境；冬季則屬于基本適宜生境,刺參僅能勉強(qiáng)存活(圖2—圖5)。

圖2 小黑山島區(qū)域刺參生境適宜性(春季)Fig.2 Map of habitat suitable area of Stichopus japonicas (spring)

圖3 小黑山島區(qū)域刺參生境適宜性(夏季)Fig.3 Map of habitat suitable area of Stichopus japonicas (summer)

圖4 小黑山島區(qū)域刺參生境適宜性(秋季)Fig.4 Map of habitat suitable area of Stichopus japonicas (autumn)

圖5 小黑山島區(qū)域刺參生境適宜性(冬季)Fig.5 Map of habitat suitable area of Stichopus japonicas (winter)

2.2 魁蚶

在本研究區(qū)域內(nèi),魁蚶四季均以較適宜生境為主,除S7站位鄰近海域在冬季出現(xiàn)基本適宜生境外,其他季節(jié)均無基本適宜生境和不適宜生境出現(xiàn)(圖6—圖9)。

圖6 小黑山島區(qū)域魁蚶生境適宜性(春季)Fig.6 Map of habitat suitable area of Scapharca broughtonii (spring)

圖7 小黑山島區(qū)域魁蚶生境適宜性(夏季)Fig.7 Map of habitat suitable area of Scapharca broughtonii (summer)

圖8 小黑山島區(qū)域魁蚶生境適宜性(秋季)Fig.8 Map of habitat suitable area of Scapharca broughtonii (autumn)

圖9 小黑山島區(qū)域魁蚶生境適宜性(冬季)Fig.9 Map of habitat suitable area of Scapharca broughtonii (winter)

大部分研究區(qū)域在春季屬于較適宜生境(約5.61km2),僅有S3、S6站位周邊區(qū)域?qū)龠m宜生境(約0.82 km2)；夏季適宜生境出現(xiàn)在小黑山島東北部海域(約為0.49 km2),其他周邊海域均屬于較適宜生境(約5.94 km2)；秋季適宜生境面積比其他3個(gè)季節(jié)稍大(約2.09km2),較適宜生境出現(xiàn)在S4、S5和S6站位及S3站位周邊區(qū)域；冬季除S7站位及其周邊區(qū)域?qū)倩具m宜生境(約0.38km2)外,其他區(qū)域則屬較適宜生境范圍(約6.05 km2)?？赖?個(gè)季節(jié)生境適宜性分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

2.3 紫貽貝

與刺參的生境適宜性分析結(jié)果類似,紫貽貝的生境適宜性除在季節(jié)上表現(xiàn)出不同外,在調(diào)查站位間并不存在差異。紫貽貝在春、夏和秋3個(gè)季節(jié),研究區(qū)域均屬于適宜生境；而冬季所研究海域則屬于較適宜生境(圖10—圖13)。

圖10 小黑山島區(qū)域紫貽貝生境適宜性(春季)Fig.10 Map of habitat suitable area of Mytilus edulis (spring)

圖11 小黑山島區(qū)域紫貽貝生境適宜性(夏季)Fig.11 Map of habitat suitable area of Mytilus edulis (summer)

圖12 小黑山島區(qū)域紫貽貝生境適宜性(秋季)Fig.12 Map of habitat suitable area of Mytilus edulis (autumn)

圖13 小黑山島區(qū)域紫貽貝生境適宜性(冬季)Fig.13 Map of habitat suitable area of Mytilus edulis (winter)

3 討論

隨著人類對漁業(yè)資源需求的日益增長,物種生物多樣性受到嚴(yán)重威脅,對其進(jìn)行種群修復(fù)已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO,2007)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示,全球已有94個(gè)國家實(shí)施種群增殖修復(fù)項(xiàng)目,專家們也明確指出確定增殖物種的修復(fù)區(qū)域是決定修復(fù)成效的關(guān)鍵因素[42-43],但仍有許多海洋生物資源的增殖修復(fù)并未達(dá)到預(yù)期效果[44]。值得注意的是,在實(shí)證分析中許多HSI模型往往將年度調(diào)查數(shù)據(jù)的均值作為模型的輸入變量,忽略了生境因子季節(jié)差異性等因素的影響。然而,在同一區(qū)域內(nèi),部分生境因子(如底質(zhì)類型)可以認(rèn)為是恒定的,而其他生境因子(如鹽度、溶解氧和葉綠素a)則呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異[3,45]。綜上,季節(jié)尺度的生境適宜性分析缺失可能是導(dǎo)致預(yù)期修復(fù)效果難以確保的重要因素之一。本研究以煙臺長島縣小黑山島臨近海域?yàn)檠芯繉ο?分別對刺參、魁蚶和紫貽貝的生境適宜性進(jìn)行了季節(jié)性探討,通過對比分析分別選劃出3個(gè)研究物種的適宜修復(fù)區(qū)域,以期為確定更加有效的生境修復(fù)方案奠定基礎(chǔ)。

如圖2—圖5所示,小黑山島臨近海域常年較適宜刺參的生長,尤其是春季和秋季,而水溫是造成刺參生境適宜性差異的主要原因。刺參為狹溫性海洋底棲生物,夏眠和冬眠是刺參生活史中重要的階段。當(dāng)外界溫度升高(高于20℃)或降低(低于5℃)到一定的界限時(shí),刺參就會(huì)遷移到海水較深海域進(jìn)行夏眠或冬眠[46]。根據(jù)對研究區(qū)域監(jiān)測顯示,小黑山島海域在春秋季節(jié)水溫變化范圍為12.9℃—14.3℃,鹽度30.26—30.48,pH8.14—8.23,DO高于4mg/L,有機(jī)碳0.12%—0.31%,各生境因子均適宜刺參的生長。夏季水溫在23—24.7℃之間(高于20℃,得分為0分),在此期間刺參會(huì)遷移到深海區(qū)域進(jìn)行夏眠,其生長速度延緩。冬季(4.8—5℃)(水溫≤5℃,得分為0分),刺參進(jìn)行冬眠,停止攝食。程濟(jì)生指出,由于黃海海域冷水團(tuán)的存在,山東半島的巖礁海域?yàn)楹Ｑ笊镔Y源天然的增殖修復(fù)場所[47]。此外,劉夢俠等[48]借助ArcGIS 9.3空間分析模塊,對山東省近海底播增殖區(qū)域和主要增養(yǎng)殖種類進(jìn)行了評估,指出膠東半島煙臺、威海榮成、乳山等區(qū)域均適宜刺參的增養(yǎng)殖。小黑山島海域地處渤海海峽,位于廟島群島西南部海域,研究表明該海域均適宜刺參生長增殖,與劉夢俠等指出的刺參適宜底播增殖區(qū)域劃定結(jié)論相符。

表6 魁蚶4個(gè)季節(jié)的生境適宜性分析結(jié)果

魁蚶是營底棲生活的貝類,喜泥質(zhì)或泥沙質(zhì)海底,其分布區(qū)主要取決于海區(qū)的底質(zhì)、水溫、鹽度和水深等環(huán)境因子的影響[11]。其中底質(zhì)(含砂率)類型對其潛沙、水平移動(dòng)、存活和生長至關(guān)重要[49],粒徑越大,抵制流水沖刷的能力就越強(qiáng)。根據(jù)資料顯示,本研究海域底質(zhì)類型(含砂率)穩(wěn)定,水流流速和鹽度等因子受季節(jié)影響不大,但東部海域含砂率相對較高,更適宜魁蚶的生長。周珊珊[50]通過設(shè)置6種不同底質(zhì)組合實(shí)驗(yàn),觀察魁蚶稚貝分布情況,證實(shí)了魁蚶稚貝對較大粒徑中砂(0.25mm<粒徑<0.50mm)的選擇偏好性。此外,綜合葉綠素a和水溫等因素影響,研究區(qū)域在4個(gè)季節(jié)均以較適宜生境為主,春季、夏季和秋季的東部研究海域則為適宜生境。Park[51]等研究發(fā)現(xiàn)冬季或早春水溫的升高可以促進(jìn)Scapharcasubcrenata(Lischke, 1869)的產(chǎn)卵和孵化,而魁蚶在水溫低于8℃時(shí)停止生長,水溫超過25℃則出現(xiàn)大量死亡[52]。小黑山島研究區(qū)域四季水溫變化明顯,受水溫和葉綠素a(>2.0μg/L)等綜合影響,春季S3和S6站位適宜性得分為4分,夏季S3站位周邊海域出現(xiàn)適宜生境；秋季綜合水深(6—9.3m)和葉綠素a影響,S4,S5,S6站位均為適宜生境。冬季S7站位臨近海域受水溫(5℃)和水深(6m)影響為基本適宜生境(0.38km2),其他海域均為較適宜生境。

紫貽貝以濾食顆粒物質(zhì)為食,適宜生活在風(fēng)浪小,潮流暢通的淺海區(qū)域,葉綠素a和溶解氧(DO)對紫貽貝的生存繁育有很大影響[34]。據(jù)調(diào)查資料顯示,小黑山島區(qū)域的葉綠素a含量平均為0.98mg/m3[8],餌料充足,溶氧含量變化范圍在7.71—12.26mg/L之間,基本能夠滿足紫貽貝生長所需。由圖10—圖13可知,本研究區(qū)域在春、夏和秋季均為紫貽貝生長的適宜生境,冬季則屬較適宜生境。此外,水溫對紫貽貝生存也存在一定的影響,在適宜溫度范圍內(nèi),攝食率隨溫度升高而增加,當(dāng)溫度升到最大值時(shí),攝食率不再升高反而下降[31,53],這也是造成季節(jié)性差異的主要原因。由于配子發(fā)育被視為溫度依賴性和能量需求的過程,因此配子發(fā)育和產(chǎn)卵周期都會(huì)受到生長海域中營養(yǎng)條件和溫度變化的影響[54-56]。Rinaldi等[57]基于長達(dá)1周年葉綠素a和溫度數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)測資料,通過能量代謝估算,指出Ganzirriz 灣適宜紫貽貝移位增殖,而Faro灣更適宜原位增殖修復(fù)。小黑山島冬季各站位水溫均小于5℃(得分為0分),不適宜紫貽貝的生存,而在其他季節(jié)水溫在7—14℃或14—23℃范圍內(nèi),得分為3分和4分,相對適宜紫貽貝生長。

對每一物種,從10個(gè)調(diào)查站位中選擇HSI值季節(jié)變化最大和最小的站位進(jìn)行敏感性分析,分別對7個(gè)環(huán)境因子的實(shí)測值增減10%,計(jì)算這兩個(gè)站位各季節(jié)HSI值的變化,進(jìn)而得出HSI模型敏感性指數(shù)(Coefficients of Sensitivity，CS)變動(dòng)范圍。結(jié)果顯示,對于刺參來說,鹽度值發(fā)生變化后,其CS值變化幅度最大(0.812—1.571)；對于魁蚶來說,底質(zhì)類型變化引起的CS值變化幅度最大,并出現(xiàn)最高值2.859；對于紫貽貝來說,水溫發(fā)生變化后,其CS值變化幅度最大(0—2.589)。此外,表2—表4是本研究劃定生境適宜等級的依據(jù),在HSI模型中用分段函數(shù)進(jìn)行表述,并在GIS中應(yīng)用重分類進(jìn)行賦值,這就經(jīng)一步降低了不同生境因子實(shí)測值變化所帶來的敏感性差異。

Pastres等[58]將GIS空間分析模塊和3維水動(dòng)力模型相結(jié)合,構(gòu)建了涵蓋14個(gè)狀態(tài)變量、52個(gè)環(huán)境參數(shù)的復(fù)合營養(yǎng)模型,并以此對菲律賓蛤蜊(Tapesphilippinarum)在Venice湖的生境適宜性和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量進(jìn)行了分析估算。Longdill等[59]綜合社會(huì)和環(huán)境因素的考量,篩選出14個(gè)模型輸入變量,確定了翡翠貽貝(Pernacanaliculus)在Plenty灣的適宜增殖區(qū)域。然而,Kliskey等[60]和J?rgensen[61]均指出HSI模型輸入變量需要兼顧低成本、可操作性。本研究基于小黑山島鄰近海域的可獲得數(shù)據(jù)資料,去除了Pastres等[58]和Longdill等[59]構(gòu)建模型中一些高費(fèi)用及難以量化的參數(shù)(如氧化還原電位、功能區(qū)劃分等),簡化形成了包含底質(zhì)類型、水溫、鹽度、溶解氧、pH、水深及葉綠a(或水流流速,或有機(jī)碳)等7個(gè)參數(shù)的HSI模型。

綜上,對于刺參和紫貽貝,本研究區(qū)域均適宜其生長繁殖,同一物種,相同季節(jié)在空間上無站位差異,但各季節(jié)的生境適宜性分區(qū)變化明顯；對于魁蚶來說,東北部海域較為適宜增殖,其次為西部海域,四季均以較適宜生境為主,除冬季出現(xiàn)基本適宜生境外,其他季節(jié)均無基本適宜生境和不適宜生境出現(xiàn)。因此,在本研究區(qū)域開展刺參、魁蚶和紫貽貝3個(gè)物種的資源修復(fù)具有一定的可行性,為后續(xù)的生物多樣性維護(hù)和生境修復(fù)決策制定提供了基礎(chǔ)資料參考。HSI模型在預(yù)測方面具有一定優(yōu)勢,但該模型并不完善,且有一定局限性[62]。其一,本研究中生境適宜性評價(jià)雖是分季節(jié)進(jìn)行的分析,但由于現(xiàn)有資料的不足,本模型所選用的評價(jià)指標(biāo)并未納入物種適宜因子在生活史差異上的考量,制約了評價(jià)結(jié)果的精確性；其二,該模型并未對疾病、捕食競爭以及其他的自然因素或人為干擾造成的影響進(jìn)行檢測,一旦這些影響因素變成可利用因素,生境適宜性分析也將更加完善?？梢灶A(yù)見的是,隨著生境數(shù)據(jù)越來越易于獲取和空間分析軟件(GIS)的日益完善,HSI模型對物種分析范圍將不斷擴(kuò)大,分析精度也將進(jìn)一步提高。

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Habitat suitability ofStichopusjaponicas,ScapharcabroughtoniiandMytilusedulisin the shallow waters of Xiaoheishan Isalnd

TANG Liuqing1, WANG Qixiang2, LIU Hongjun2, ZHANG Zhipeng1, LIU Chengyue1, ZHOU Jian2,*

1OceanUniversityofChinaCollegeofMarineLife,Qingdao266003,China2MarineBiologyInstituteofShandongProvince,Qingdao266104,China

Xiaoheishan Island is located in Bohai Strait and affiliated with Miaodao Archipelago, which lies in Shandong province. The paper identifies the potential area for sustainable restoration ofStichopusjaponicas,ScapharcabroughtoniiandMytilusedulisin the shallow waters of Xiaoheishan Island using a habitat suitability index model (HSI). Seven screened environmental factors were involved in the HSI model for each species respectively. In summary, the following 9 factors: water temperature, salinity, water depth, pH, sediment composition, dissolved oxygen, organic carbon, current velocity and Chlorophyll a were analyzed in this study. Specific factor piecewise functions have been used to transform environmental factor values into normalized quality indexes (0, 2, 3 and 4). The weight of the each factor was judged with the expert knowledge and the analytic hierarchy process (AHP) method. Thus, the habitat suitable analysis maps were obtained after data interpolate, reclassification and raster calculation with the aid of GIS spatial analysis module. In addition, the analysis of habitat suitability was conducted for four seasons in this paper in order to get more detailed information. First, the results suggest that the entire area was suitable for restoration of S.japonicasand M.edulis, along with no spatial differences but obvious seasonal changes for the 2 species. For S.broughtonii, it is noteworthy that the study area was defined as the suboptimal habitat by the reason of aestivation. Moreover, the northeast region was detected as the optimal site for S.broughtoniipropagation, followed by the western part. Meanwhile, the suboptimal habitat accounted for the majority of study area throughout the year with the marginal habitat only appeared in winter. Water temperature was the main factor causing seasonal variation, while sediments composition was remained as the key reason for the differences in habitat sites. Overall, the results indicated the great feasibility for the long-term survival and successful restoration ofS.japonicas, S.broughtoniiandM.edulis. This study could provide supports and suggestions for subsequent research of biological diversity protection and ecological restoration.

habitat suitability index;Stichopusjaponicas;Scapharcabroughtonii;Mytilusedulis; Xiaoheishan Island

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41206102, 41476091)；國家海洋公益專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201305009)

2015-07-29;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201507291588

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: zhoujian.park@163.com

唐柳青, 王其翔,劉洪軍,張智鵬,劉騁躍,周健.小黑山島海域刺參、魁蚶和紫貽貝生境適宜性分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(2):668-682.

Tang L Q, Wang Q X, Liu H J, Zhang Z P, Liu C Y, Zhou J.Habitat suitability ofStichopusjaponicas,ScapharcabroughtoniiandMytilusedulisin the shallow waters of Xiaoheishan Isalnd.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):668-682.