中街山列島海域曼氏無針烏賊棲息地偏向性研究

吳 天，梁 君，周永東，劉姝含，胡揚(yáng)杰，趙 瑞，徐開達(dá)

（浙江海洋大學(xué)海洋與漁業(yè)研究所，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316021）

曼氏無針烏賊Sepiella maindroni俗稱墨魚，是分布廣泛的淺海種類，隸屬軟體動(dòng)物門Mollusca、頭足綱Cephalopoda、烏賊目Sepiida、烏賊科Sepiidae、無針烏賊屬Sepiella，主要分布在日本海、馬來群島海域和印度洋東海岸，在我國(guó)東海和黃海均有分布，其中心分布區(qū)在浙江近海和閩東海域。歷史上東海區(qū)曼氏無針烏賊最高年產(chǎn)超過7×104t，曾與大黃魚Larimichthys crocea、小黃魚Larimichthys polyactis、帶魚Trichiurus lepturus并稱為我國(guó)四大海產(chǎn)[1-3]。但是20 世紀(jì)80 年代以來，由于過度捕撈和對(duì)資源的不合理利用，加之全球變暖造成棲息地退化，使得曼氏無針烏賊資源出現(xiàn)嚴(yán)重衰退現(xiàn)象，資源變動(dòng)較大[4]。中街山列島海域位于舟山漁場(chǎng)的中心區(qū)域，受沿岸水與外洋水的影響，水體交換快、餌料充足，是我國(guó)主要經(jīng)濟(jì)魚類生長(zhǎng)、索餌、繁殖的重要場(chǎng)所，歷史上素有“魚倉(cāng)”之美譽(yù)，曾是曼氏無針烏賊的重要產(chǎn)卵場(chǎng)之一[5]。

棲息地是指生物個(gè)體和種群居住的場(chǎng)所，是由生物出現(xiàn)在環(huán)境中的空間范圍和環(huán)境條件綜合構(gòu)成，棲息地的選擇是指生物為了達(dá)到生存目的而尋找相對(duì)適宜棲息地的過程[6]。棲息地的研究一直以來都是動(dòng)物生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)，當(dāng)棲息地質(zhì)量下降時(shí)，會(huì)影響物種的數(shù)量，甚至導(dǎo)致物種滅絕[7]。在漁業(yè)資源研究中，棲息地的研究?jī)?nèi)容主要是生物棲息環(huán)境的變化對(duì)生物活動(dòng)的影響，生物對(duì)棲息地的選擇是受多種環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，單因子分析并不能很好地解釋生物對(duì)棲息地的選擇機(jī)制，而廣義可加模型（GAM）能夠直接處理響應(yīng)變量與解釋變量之間的非線性關(guān)系，通過非參數(shù)的方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[8-9]。本研究基于2018-2021 年中街山列島海域漁業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過GAM 構(gòu)建非參數(shù)的擬合模型，探究中街山列島海域曼氏無針烏賊資源分布與環(huán)境因子之間的關(guān)系，了解曼氏無針烏賊的棲息地選擇機(jī)制，旨在為曼氏無針烏賊的種群保護(hù)及產(chǎn)卵場(chǎng)生物多樣性保護(hù)提供理論基礎(chǔ)，為浙江漁場(chǎng)修復(fù)振興計(jì)劃的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和站位布設(shè)

于2018-2021 年春季（4 月）和秋季（10 月）在中街山列島海域進(jìn)行了8 個(gè)航次的底拖網(wǎng)漁業(yè)資源調(diào)查，調(diào)查范圍如圖1 所示。本研究中站位設(shè)置采取區(qū)域隨機(jī)分布的原則，沿潮流主軸（西北-東南）共設(shè)置了16 個(gè)站位。

圖1 調(diào)查站位示意圖Fig.1 Sketch of survey station

1.2 采樣方法和樣品處理

調(diào)查船為58.8 kW 單拖漁船，拖速為2 kn，拖曳時(shí)間為30 min，調(diào)查網(wǎng)具網(wǎng)口周長(zhǎng)25 m，囊網(wǎng)網(wǎng)目尺寸3.0 cm。在每一次調(diào)查時(shí)，使用溫鹽深測(cè)定儀（CTD）同步采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并在各站位采集水樣。共測(cè)定水深、表層海水水溫、表層海水鹽度、底層海水水溫、底層海水鹽度、葉綠素a、溶解氧、懸浮物、無機(jī)氮和活性磷酸鹽10 類環(huán)境數(shù)據(jù)。樣品采集、處理和分析等均按照《海洋漁業(yè)資源調(diào)查規(guī)范》[10]的規(guī)定執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理和方法分析

1.3.1 資源密度和生物量估算

曼氏無針烏賊的資源密度估算和生物量估算按照以下公式[11]計(jì)算：

式中：D 為現(xiàn)存資源密度，ind.·km-2；C 為每小時(shí)取樣面積內(nèi)的漁獲量，kg；q 為網(wǎng)具漁獲率，由于曼氏無針烏賊屬于沿岸暖水底棲種，q 取0.5；A 為網(wǎng)具每小時(shí)掃海面積，km2；B 為生物量，kg·km-2；為個(gè)體平均質(zhì)量，kg·ind-2。

1.3.2 環(huán)境因子的相關(guān)性分析

在建模中，需要對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，克服共線性較高的解釋變量對(duì)參數(shù)預(yù)估準(zhǔn)確性的干擾，當(dāng)2 個(gè)環(huán)境因子間存在共線關(guān)系時(shí)，保留1 個(gè)變量作為解釋變量[12]。本研究采用Pearson 相關(guān)性分析對(duì)于環(huán)境因子之間可能存在共線性關(guān)系的環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并通過方差膨脹因子（variance inflation factors,VIF）對(duì)所有候選變量進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3.3 廣義可加模型（GAM）分析

本研究以曼氏無針烏賊資源分布為響應(yīng)變量，其中季節(jié)作為分類變量，各環(huán)境因子為解釋變量。由于曼氏無針烏賊的零值站位出現(xiàn)的次數(shù)較多，假設(shè)曼氏無針烏賊分布模式為二項(xiàng)分布，GAM 模型選擇logistic 為鏈接函數(shù)模擬中街山列島海域曼氏無針烏賊資源分布同環(huán)境因子的關(guān)系[12-13]。GAM 的表達(dá)式為：

式中：P 為曼氏無針烏賊出現(xiàn)的概率；α 表示截距項(xiàng)；Si 表示樣條平滑函數(shù)；xi表示第i 個(gè)解釋變量；ε 表示誤差項(xiàng)。

GAM 模型是在加性模型基礎(chǔ)上提出的非參數(shù)擬合模型，能夠直接處理響應(yīng)變量與多個(gè)解釋變量之間的非線性關(guān)系。在模型的擬合過程中，首先確定曼氏無針烏賊資源分布與單一環(huán)境因子的關(guān)系，通過逐步回歸法將篩選后環(huán)境因子加入模型中，然后利用赤池信息準(zhǔn)則（akaike information criterion,AIC）逐步檢驗(yàn)加入不同環(huán)境因子后的模型擬合度，通過F 檢驗(yàn)來評(píng)估各因子的顯著性，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻總€(gè)環(huán)境因子的重要性，最終遴選出最優(yōu)模型[13-14]。

數(shù)據(jù)通過Excel 軟件計(jì)算和整理，曼氏無針烏賊資源分布圖采用ArcGIS 10.2 軟件繪制，Pearson 相關(guān)性分析和VIF 檢驗(yàn)通過SPSS 23.0 實(shí)現(xiàn)，GAM 模型構(gòu)建與檢驗(yàn)及可視化分析通過R 4.2.0 實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 曼氏無針烏賊時(shí)空分布特征

曼氏無針烏賊資源空間分布季節(jié)變化明顯。春季，曼氏無針烏賊主要分布于島礁外側(cè)，東北部居多（圖2）。秋季，曼氏無針烏賊主要分布于島礁內(nèi)的東南和西南方向（圖3）。時(shí)間因子月份對(duì)曼氏無針烏賊出現(xiàn)概率有明顯影響，2018-2021 年曼氏無針烏賊的出現(xiàn)概率秋季明顯高于春季。但春季曼氏無針烏賊的體質(zhì)量高于秋季（圖4）。

圖2 2018-2021 春季曼氏無針烏賊尾數(shù)密度和生物量空間分布圖Fig.2 2018-2021 spring distribution of S.maindroni tail density and biomass

圖3 2018-2021 秋季曼氏無針烏賊尾數(shù)密度和生物量空間分布圖Fig.3 2018-2021 autumn distribution of S.maindroni tail density and biomass

圖4 2018-2021 曼氏無針烏賊尾數(shù)密度和生物量對(duì)照?qǐng)D（a.尾數(shù)密度;b.生物量）Fig.4 2018-2021 S.maindroni comparison of tail density and biomass（a.tail density;b.biomass）

2.2 關(guān)鍵環(huán)境因子識(shí)別

對(duì)于海洋生物，考慮的主要環(huán)境因子有溫度、鹽度、海表高度和葉綠素a等[5]。依據(jù)Pearson 相關(guān)性分析以及可視化結(jié)果（圖5）顯示，春季表層水溫和底層水溫、表層水溫和底層鹽度、底層水溫和底層鹽度、底層鹽度和活性磷酸鹽、葉綠素a和活性磷酸鹽存在顯著相關(guān)（P＜0.05），秋季表層水溫、表層鹽度、底層水溫、底層鹽度之間均存在顯著相關(guān)，無機(jī)氮和活性磷酸鹽之間存在顯著相關(guān)，同時(shí)對(duì)各解釋變量進(jìn)行多重線性檢驗(yàn)，方差膨脹系數(shù)閾值設(shè)定為4，去掉相關(guān)性和方差膨脹系數(shù)均高于閾值的變量，因此本文選取水深、表層水溫、表層鹽度、懸浮物、葉綠素a、溶解氧和無機(jī)氮作為春季曼氏無針烏賊棲息地模型構(gòu)建的解釋變量；水深、懸浮物、底層水溫、葉綠素a、溶解氧和活性磷酸鹽作為秋季曼氏無針烏賊棲息地模型構(gòu)建的解釋變量。

圖5 春季和秋季不同環(huán)境因子相關(guān)性分析熱圖（a 為春季；b 為秋季）Fig.5 Correlation analysis of different environmental factors in spring and autumn（a.spring;b.autumn）

2.3 GAM 模型構(gòu)建

在GAM 模型中加入篩選后的環(huán)境因子，依據(jù)AIC 最小原則構(gòu)建曼氏無針烏賊棲息地選擇的最優(yōu)模型。結(jié)果如下：

春季曼氏無針烏賊棲息地選擇的最優(yōu)模型：

秋季曼氏無針烏賊棲息地選擇的最優(yōu)模型：

式中：P為曼氏無針烏賊出現(xiàn)的概率；Depth 為水深，m；Chl-a為葉綠素a，μg·L-1；DO 為溶解氧，mg·L-1；ε 為相應(yīng)的GAM 模型截距（表1）。

春季（GAM1）模型最佳預(yù)測(cè)變量組合為Depth+Chl-a（表1），模型累計(jì)偏差解釋率為70.35%，水深和葉綠素a 對(duì)曼氏無針烏賊的出現(xiàn)概率具有顯著影響（P＜0.05），其貢獻(xiàn)率分別為23.94%和46.41%（表2）。秋季（GAM2）模型最佳預(yù)測(cè)變量為DO（表1），模型累計(jì)偏差解釋率為24.93%（表2）。

表1 GAM 模型變量篩選及影響因子的參數(shù)分析Tab.1 Variable screening process for GAM and parameters analysis

表2 模型擬合結(jié)果及各因子參數(shù)Tab.2 Result from models fitting and parameters of each factor

模型結(jié)果顯示春季（GAM1）水深、葉綠素a 是影響曼氏無針烏賊棲息地選擇的主要因素。春季曼氏無針烏賊主要出現(xiàn)的水深范圍在25～35 m 之間，呈先上升后下降的趨勢(shì)，30 m 時(shí)曼氏無針烏賊出現(xiàn)的概率最高（圖6a）。葉綠素a 在0.5～1 μg·L-1時(shí)曼氏無針烏賊出現(xiàn)概率為上升趨勢(shì)，當(dāng)葉綠素a 超過1 μg·L-1時(shí)曼氏無針烏賊出現(xiàn)的概率開始下降（圖6b）。秋季，影響曼氏無針烏賊出現(xiàn)概率的單一環(huán)境因子為溶解氧，范圍在5.6～6.2 mg·L-1之間，呈先上升后下降的趨勢(shì)（圖6c）。

圖6 GAM1 和GAM2 環(huán)境因子對(duì)曼氏無針烏賊分布的影響Fig.6 Effects of GAM1 and GAM2 of environmental factors on the S.maindroni

3 討論

3.1 曼氏無針烏賊的時(shí)空分布變化

中街山列島海域海洋性氣候明顯，春季在季風(fēng)的影響下，東海表層水進(jìn)入浙江近岸，與陸地徑流（長(zhǎng)江、錢塘江）交匯，形成鋒區(qū)，漁場(chǎng)近岸水溫較高，向東部水溫逐步遞減，近岸水與外側(cè)水鹽度差距較大。秋季季風(fēng)轉(zhuǎn)換，偏北風(fēng)頻率的增加，漁場(chǎng)內(nèi)受冷暖水團(tuán)交匯影響較強(qiáng)，由近岸往東水溫逐步升高，鹽度自西向東逐步增大[15]。曼氏無針烏賊屬沿岸暖水底棲種，生命周期僅有1a，春季由外海低溫高鹽的越冬場(chǎng)游向近岸島礁附近高溫低鹽的產(chǎn)卵場(chǎng)繁殖產(chǎn)卵，秋季隨季風(fēng)轉(zhuǎn)換，開始向外海高鹽海域移動(dòng)，進(jìn)行索餌、越冬洄游[16-19]。研究結(jié)果顯示，春季（4 月）曼氏無針烏賊主要分布于島礁外側(cè)的東北部，秋季（10 月）曼氏無針烏賊主要分布于島礁內(nèi)部偏南方向，這與倪正雅等[17]和李成林等[20]的研究結(jié)果相一致。故不同季節(jié)曼氏無針烏賊的時(shí)空分布與海水溫度、海水鹽度和洄游路徑有關(guān)。

本研究中，秋季曼氏無針烏賊的尾數(shù)密度明顯大于春季，但春季的生物量卻遠(yuǎn)高于秋季。春季為曼氏無針烏賊的繁殖期，主要為個(gè)體較大的曼氏無針烏賊產(chǎn)卵親體，而秋季為曼氏無針烏賊的補(bǔ)充群體，故春季烏賊的體質(zhì)量要高于秋季。而造成尾數(shù)密度秋季大于春季的原因可能與增殖放流和海洋保護(hù)區(qū)的資源養(yǎng)護(hù)作用有關(guān)。從2013 年開始，在中街山列島海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)施了大規(guī)模曼氏無針烏賊增殖放流，累計(jì)放流受精卵達(dá)7 835×104ind.，一定程度上增加了曼氏無針烏賊的補(bǔ)充群體[21]。中街山列島國(guó)家級(jí)海洋特別保護(hù)區(qū)的設(shè)立有利于海洋生物的資源保護(hù)和修復(fù)，烏賊增殖礁的投放，也有利于自然海域曼氏無針烏賊受精卵的附著，提高了曼氏無針烏賊的附卵量，增加補(bǔ)充群體[22]。

3.2 棲息地選擇的關(guān)鍵影響因子

不同生活史階段對(duì)于生境的需求也有所不同，模型擬合結(jié)果顯示春季曼氏無針烏賊的分布受水深和葉綠素a2 個(gè)關(guān)鍵因子的影響，秋季曼氏無針烏賊的分布受單一因子溶解氧的影響。

曼氏無針烏賊主要分布于近海淺水海域，其產(chǎn)卵場(chǎng)位于島礁周圍50 m 范圍內(nèi)，在繁殖期時(shí)從60～80 m的越冬場(chǎng)游向10～40 m 的產(chǎn)卵場(chǎng)作生殖洄游[3]。李星頡等[23]的研究表明，中街山列島海域曼氏無針烏賊的附卵水深范圍在10～20 m。本研究通過GAM 模型顯示春季曼氏無針烏賊會(huì)選擇水深范圍在25～35 m 的海域作為產(chǎn)卵場(chǎng)和育幼場(chǎng)，在水深為30 m 時(shí)，曼氏無針烏賊的資源密度達(dá)到最高值，原因可能是本研究基于二項(xiàng)分布的GAM 模型來表達(dá)曼氏無針烏賊的出現(xiàn)概率，從已知數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)整體分布特點(diǎn)，推斷曼氏無針烏賊出現(xiàn)理論分布區(qū)，而前人研究以產(chǎn)卵附著基（柳珊瑚）上受精卵的附著率為調(diào)查內(nèi)容，故本研究與前人研究結(jié)果略有差異。

葉綠素a的濃度值反映了海域初級(jí)生產(chǎn)者的現(xiàn)存量，能直接反映海區(qū)的肥癟程度，是養(yǎng)育生物資源的直接指標(biāo)，也能間接反映海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的高低[24-26]。葉綠素a作為浮游植物豐富度的重要指標(biāo)，能為浮游生物提供有利的生長(zhǎng)條件[27]。葉綠素a濃度與頭足類的漁場(chǎng)分布有一定關(guān)聯(lián)性，如劍尖槍烏賊Uroteuthis edulis、神戶烏賊Sepia kobiensis、金烏賊Sepia esculenta、長(zhǎng)蛸Octopus variabilis等漁場(chǎng)分布均受到葉綠素a濃度值的影響[28]。根據(jù)GAM 模型分析的結(jié)果，葉綠素a對(duì)曼氏無針烏賊的分布影響較大，隨著葉綠素a濃度的增加曼氏無針烏賊的資源密度也呈上升趨勢(shì)，浮游生物的增多，可以為烏賊提供充足的餌料[29]。成體曼氏無針烏賊主要以小型魚類、甲殼動(dòng)物和少量軟體動(dòng)物為主，幼烏賊主要以浮游動(dòng)物，如箭蟲、橈足類等，特別是夜光藻可作為烏賊漁汛的直觀指標(biāo)[23,30]。

海水中充裕的溶解氧是維持海洋異養(yǎng)生物生命活動(dòng)、避免水體有機(jī)物發(fā)生厭氧分解而散發(fā)臭味的必要條件，故海水中溶解氧被作為保障海洋生物生存的水化學(xué)指標(biāo)和水體的感官指標(biāo)[31]。李星頡等[23]對(duì)中街山列島海域曼氏無針烏賊產(chǎn)卵區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示4-6 月自然海域曼氏無針烏賊產(chǎn)卵場(chǎng)的溶解氧為7.0～8.8 mg·L-1。蔣霞敏等[32]和劉振勇等[33]的研究表明曼氏無針烏賊室內(nèi)孵化期的溶解氧為4.3～4.8 mg·L-1，在養(yǎng)殖過程中溶解氧應(yīng)維持在5.0 mg·L-1以上。頭足類的所有活動(dòng)均需要消耗氧氣，且曼氏無針烏賊的耗氧率與水溫成正比例關(guān)系，個(gè)體體重成反比例關(guān)系，在低溶解氧的狀態(tài)下，會(huì)造成曼氏無針烏賊生長(zhǎng)緩慢，使其新陳代謝率降低，影響個(gè)體活動(dòng)[34-35]。本研究結(jié)果顯示，春季中街山列島海域平均溶解氧為7.0 mg·L-1，這與李星頡等[23]的研究結(jié)果一致。模型擬合結(jié)果顯示秋季曼氏無針烏賊偏向棲息于溶解氧濃度在5.5～6.5 mg·L-1之間的海域，同春季相比產(chǎn)卵區(qū)溶氧含量有所降低，蔣國(guó)昌等[36]的研究結(jié)果表明，東海區(qū)海水氧含量季節(jié)變化明顯，春季含量最高，秋季含量最低。故季節(jié)變化同產(chǎn)卵區(qū)溶解氧濃度變化有明顯關(guān)系。此外，近年來曼氏無針烏賊小型化明顯，人工養(yǎng)殖的曼氏無針烏賊個(gè)體普遍偏小，生長(zhǎng)速度快，壽命周期為4 個(gè)月左右，且人工養(yǎng)殖環(huán)境中溶氧可調(diào)控，故自然海域和養(yǎng)殖環(huán)境下曼氏無針烏賊所需溶氧有所不同[37]。

在構(gòu)建曼氏無針烏賊棲息偏向性模型時(shí)，除水深、水溫、鹽度、葉綠素a、溶解氧等環(huán)境因子外，餌料生物與捕食者、天然附著基柳珊瑚與海藻、底質(zhì)類型、流速等均可對(duì)曼氏無針烏賊棲息地的選擇產(chǎn)生影響。因此，今后還需考慮生物與非生物因素共同影響下曼氏無針烏賊棲息地的選擇，以期進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)能力，全面客觀地分析曼氏無針烏賊棲息地選擇偏好與分布特征。