山東半島南部中國對蝦資源時(shí)空變異特征

張藝騰,婁方瑞,趙國慶,任曉強(qiáng),劉文鵬,邱盛堯

(1.煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;3.煙臺(tái)中集藍(lán)海洋科技有限公司,山東 煙臺(tái) 264003;4.煙臺(tái)市蓬萊區(qū)海洋發(fā)展和漁業(yè)局,山東 煙臺(tái) 265600)

中國對蝦(Fenneropenaeuschinensis),屬節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda),甲殼綱(Crustacea),十足目(Decapoda),對蝦科(Penaeidae),明對蝦屬(Fenneropenaeus),是一種在近海海域常見的底棲性一年生大型經(jīng)濟(jì)蝦類,具有長距離洄游特性,主要分布在我國的渤海、黃海以及朝鮮、韓國西部沿海[1-3]。自1980年以來隨著近海捕撈力量的增強(qiáng)和生態(tài)環(huán)境的破壞,我國沿海中國對蝦資源隨之衰退[4-5]。為更好地保護(hù)對蝦資源,山東省于1986年開始對中國對蝦展開增殖放流,經(jīng)過30余年的努力[2],中國對蝦的資源得到些許改善[6]。增殖放流是養(yǎng)護(hù)海洋生物資源的重要途徑,但是怎樣對漁業(yè)資源進(jìn)行合理的放流依然是如今的難點(diǎn)所在,而明晰放流種的分布特性是合理增殖放流的前提。

針對山東半島南部近岸海域中國對蝦的增殖放流的研究主要集中在回捕率[6]、增殖放流效果評價(jià)[7-9]、增殖放流苗種大小與增殖效果的關(guān)系[10-11]以及增殖放流中國對蝦的生產(chǎn)和分布[12]等,而未曾見中國對蝦資源量年際變化以及空間變動(dòng)的報(bào)道。漁業(yè)資源通常以個(gè)體、種群、群落的形式分布在特定區(qū)域,在空間上具有高度的空間自相關(guān)性[13]。將空間分析方法應(yīng)用到漁業(yè)資源相關(guān)領(lǐng)域,可為分析某特定生物資源分布的空間自相關(guān)性提供新的研究思路[14]。

本文根據(jù)2010—2020年山東半島南部海域中國對蝦資源調(diào)查數(shù)據(jù),采用重心遷移軌跡模型、全局空間自相關(guān)和局部熱點(diǎn)分析等方法,可視化了中國對蝦豐度的分布、漁獲重心的遷移和資源分布的冷熱點(diǎn),分析了山東半島南部近岸海域中國對蝦資源的時(shí)空變異特征,以期了解山東半島南部近岸海域中國對蝦的分布規(guī)律,為今后中國對蝦增殖放流及資源量評估工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源、預(yù)處理及漁場區(qū)域

本文所用中國對蝦數(shù)據(jù)來源于2010—2020年每年8月份在山東半島南部海域進(jìn)行的漁業(yè)資源調(diào)查,調(diào)查海域?yàn)樯綎|半島南部近岸海域,在經(jīng)緯度范圍119°30′E—122°20′E、35°20′N—36°50′N之間,每隔10′經(jīng)緯度設(shè)置一個(gè)調(diào)查站位,共設(shè)置38個(gè)調(diào)查站位(圖1),調(diào)查船功率為145 kW,調(diào)查過程中所采用的網(wǎng)具為單船底拖網(wǎng)(網(wǎng)口1100目,網(wǎng)目尺寸53 mm,網(wǎng)口周長57 m,囊網(wǎng)網(wǎng)目20 mm),拖網(wǎng)網(wǎng)口高度3.9 m,網(wǎng)口寬度7.6 m。在進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析時(shí),以調(diào)查站點(diǎn)為中心,將經(jīng)緯度10′×10′定義為單位漁區(qū),并做中國對蝦冷熱點(diǎn)分布圖。

圖1 山東半島南部漁業(yè)資源調(diào)查站位

1.2 漁獲數(shù)據(jù)處理

對漁獲量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,按照站位計(jì)算中國對蝦的單位捕撈努力量(Catch Per Unit Effort,CPUE)(g/h),并用其表征中國對蝦資源密度。本文假設(shè)CPUE與資源密度成正比[9],計(jì)算公式為:

(1)

式中,C為漁船每網(wǎng)次的漁獲量(t),T為拖網(wǎng)時(shí)間(h)。

1.3 重心遷移軌跡模型

(2)

1.4 空間自相關(guān)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

1.4.1 全局空間自相關(guān) 全局空間自相關(guān)是對地理屬性要素值在整個(gè)區(qū)域的空間特征描述,用來度量整個(gè)研究區(qū)域上空間對象之間的關(guān)聯(lián)程度,以表明空間對象之間是否存在顯著的空間分布模式,通常采用全局Moran′sI指數(shù)、全局Gear′sC和全局 Getis-OrdG等統(tǒng)計(jì)量來進(jìn)行分析[17]。本文采用全局Moran′sI指數(shù)來度量中國對蝦資源密度在空間上的全局自相關(guān)程度,并利用標(biāo)準(zhǔn)化Z值檢驗(yàn)全局Moran′sI指數(shù)的顯著水平,計(jì)算公式如下[18]:

(3)

(4)

式中,n為研究單元總個(gè)數(shù);xi、xj分別為第i、j個(gè)研究區(qū)域中國對蝦的資源密度;wij為i、j區(qū)域的空間權(quán)重系數(shù),反映第i、j區(qū)域在空間上的關(guān)系,并定義為若區(qū)域相鄰則wij=1,否則wij=0;x為產(chǎn)量均值;E(I)、VAR(I)分別表示Moran′sI的期望值和方差。全局Moran′sI指數(shù)取值范圍為[-1,1],定義為Moran′sI>0(P<0.05),表示存在空間正相關(guān),即產(chǎn)量高值(或低值)在空間上顯著聚集;Moran′sI=0或接近0,表示相鄰區(qū)域不存在空間自相關(guān)性,產(chǎn)量隨機(jī)分布;Moran′sI<0(P<0.05),表示空間負(fù)相關(guān),即相鄰區(qū)域的產(chǎn)量不具相關(guān)性。在顯著性為0.05水平下,|Zscore|>1.96,則表明全局Moran’sI指數(shù)顯著。

1.4.2 局部空間自相關(guān) 全局空間自相關(guān)描述了整個(gè)研究區(qū)域?qū)傩苑植嫉淖韵嚓P(guān)程度,但不能有效表達(dá)研究區(qū)域內(nèi)不同空間單元與鄰近區(qū)域在空間上的自相關(guān)水平。局部空間自相關(guān)——Getis-OrdGi*方法(冷點(diǎn)、熱點(diǎn)分析方法)能夠揭示局部區(qū)域?qū)傩缘目臻g集聚特征,識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的高值(熱點(diǎn))和低值(冷點(diǎn))的空間聚類,以計(jì)算中國對蝦資源密度的高值(或低值)在空間上聚類的位置,Getis-OrdGi*計(jì)算公式如下[19]:

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 中國對蝦資源空間分布

從空間分布來看,中國對蝦在靠近陸地海域中的出現(xiàn)頻率以及資源密度遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離陸地的海域,主要分布在研究海域25米等深線附近(圖2)。2010—2020年間,中國對蝦在鰲山灣、乳山灣、五壘島灣、靖海灣附近出現(xiàn)頻率較高,2020年中國對蝦出現(xiàn)頻率最高,但CPUE值低于十年的均值,整體看中國對蝦CPUE值在時(shí)間和空間尺度上表現(xiàn)出較大的隨機(jī)性(圖2)。

圖2 山東半島南部中國對蝦資源時(shí)空分布

2010—2020年中國對蝦CPUE值總體上呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(圖3),但是均保持在較低水平,均值為24.88±8.01 g/h,最高值和最低值分別出現(xiàn)在2013年和2011年,為35.53±8.60 g/h和8.69±2.95 g/h。調(diào)查年間,中國對蝦的出現(xiàn)頻率維持在較低水平,均值為30.86%,除2020年為57.89%外其他調(diào)查年份頻率均小于50%,變化范圍為21.05%～57.89%(圖3)。

圖3 2010—2020年山東半島南部中國對蝦CPUE和出現(xiàn)頻率年際變化

2.2 中國對蝦CPUE分布重心的時(shí)空變化

如圖4所示,通過重心遷移軌跡模型得到中國對蝦CPUE分布重心的年際變化。2010年重心位于5號站位附近;2010—2012年持續(xù)向西南方向移動(dòng)至膠州灣與丁字灣之間海域附近;2013年回遷,向東偏移4海里;2014年向東北方向遷移至13和14號站位之間;2014—2016年同2010—2012年趨勢相似,持續(xù)向西南方遷移至20號站位附近;2016—2019重心遷移軌跡和2013—2016年相似,先向東北方向遷移到13號站位附近后回遷至膠州灣附近;2019—2020年向東北方向遷移至11號站位附近。總體上來看,中國對蝦CPUE分布重心相對較為集中且集中在山東半島南部調(diào)查海域范圍中部,且均分布在25 m等深線附近,分布范圍為36.00°N—36.63°N,120.50°E—120.93°E,經(jīng)度和緯度分別呈現(xiàn)東西、南北來回往返的趨勢。

利用Bootstrap法得到2010—2020年中國對蝦CPUE分布重心95%的經(jīng)緯度置信區(qū)間(表1),結(jié)果表明不同年份重心的置信區(qū)間都有重疊,且除2010年外其他年份重心都置于置信區(qū)間內(nèi),因此在山東半島南部近岸海域,中國對蝦的重心年際分布差異不顯著(P>0.05)。

圖4 山東半島南部中國對蝦資源分布重心年際變化

表1 2010—2020年山東半島南部海域中國對蝦CPUE重心的置信區(qū)間(95%)

2.3 常規(guī)統(tǒng)計(jì)及全局空間自相關(guān)性

資源密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,所有年份偏度大于0,表明中國對蝦資源密度頻數(shù)分布均呈正偏;2010年和2014年的正偏分布較顯著。峰度值除2013年、2018年、2019年和2020年外,均大于3,因此其他年份資源密度頻數(shù)分布呈尖峰分布,表明年際間中國對蝦分布以低密度區(qū)域?yàn)橹?高密度區(qū)域較少;2010年和2014年分峰度值較大,呈高狹峰,表明此兩年高密度區(qū)域較之其他年份少。各年份的Moran’sI指數(shù)除2020年外均為負(fù)值,且除2020年外Z值均小于1.65,因此2010—2019年中國對蝦資源密度顯著地表現(xiàn)出隨機(jī)分布模式,并不存在全局空間自相關(guān)性;2020年的Moran′sI指數(shù)大于0,Z>1.96且P<0.01,因此2020年中國對蝦資源密度表現(xiàn)出一定的空間自相關(guān)性,但是Moran′sI指數(shù)小于0.1,因此空間自相關(guān)性較弱。

2.4 中國對蝦局部空間自相關(guān)性

對2010—2020年山東半島南部海域中國對蝦空間格局熱點(diǎn)演化情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明,中國對蝦資源冷熱點(diǎn)格局具有顯著的時(shí)空差異性(圖5)。從時(shí)間上來看,所有年份中,Z得分為1.65～1.65時(shí)所占比例均為最大,因此中國對蝦資源的隨機(jī)分布區(qū)在所有年份中均占絕對優(yōu)勢,表明其局部自相關(guān)性較低,中國對蝦資源以低值區(qū)域?yàn)橹?高值區(qū)域較少,其結(jié)果與常規(guī)統(tǒng)計(jì)及全局空間自相關(guān)分析的結(jié)果相符合。從空間上來看,2010年、2014年、2015年、2017年和2020年熱點(diǎn)漁區(qū)主要分布在調(diào)查海域的東北方,2011年和2016年熱點(diǎn)漁區(qū)分布在西南方,2012年、2013年、2018年和2019年的熱點(diǎn)漁區(qū)分布在中間海域,且除2011年和2020年外,均不存在冷點(diǎn)區(qū),且2011年和2020年的冷熱點(diǎn)分布近乎相反?？傮w上來看,冷熱點(diǎn)的時(shí)空分布均存在一定的隨機(jī)性,表明山東半島南部近岸海域中國對蝦的局部空間自相關(guān)性較低。

圖5 2010—2020年山東半島南部中國對蝦CPUE空間熱點(diǎn)分析

3 討 論

3.1 中國對蝦資源密度的年際變化

人類活動(dòng)和氣候變化會(huì)影響漁業(yè)資源的空間分布[21]。中國對蝦的出現(xiàn)頻率在2013—2016年呈現(xiàn)波動(dòng)式下降趨勢,自2017年黃渤海海域禁漁期延長一個(gè)月之后,中國對蝦的出現(xiàn)頻率出現(xiàn)回升,2020年達(dá)到最大值,表明禁漁期延長對中國對蝦起到了較好的養(yǎng)護(hù)作用。中國對蝦的資源密度整體上的波動(dòng)變化并未呈現(xiàn)出明顯的年間變動(dòng)趨勢,說明中國對蝦的資源密度受到多種因素影響。左濤等[22]對萊州灣中國對蝦的資源調(diào)查表明,中國對蝦資源密度年際變化受人類捕撈活動(dòng)的影響較大,捕撈強(qiáng)度越大,當(dāng)年對蝦的資源密度越低。李小恕等[23]、牛明香等[24]研究表明,漁業(yè)資源密度變化與氣候變化之間的相互作用十分復(fù)雜,中國對蝦資源密度的年際變化規(guī)律特征還需進(jìn)行多方面的綜合研究討論。

3.2 中國對蝦的分布重心及空間聚集性

中國對蝦的分布重心皆位于25～30 m等深線附近,基本趨勢是以經(jīng)緯度為重心呈東西、南北往復(fù)變動(dòng),這種隨機(jī)遷移的特征可能是由中國對蝦的生活習(xí)性以及海水溫度、人類捕撈活動(dòng)引起的。在自然海區(qū)中,對蝦在六月份開始逐漸變?yōu)樽形r,之后開始出現(xiàn)溯河的現(xiàn)象[21],由于對蝦生長的個(gè)體差異,變?yōu)樽形r后的洄游行為也會(huì)影響中國對蝦的空間聚集性。中國對蝦多棲息在沙質(zhì)海底,食性廣,幼體和成體階段的發(fā)育過程中對食物有著不同的需求,且在不同的生活階段的攝食強(qiáng)度有著明顯的變化[25],八月調(diào)查期間是中國對蝦的雌雄個(gè)體在體長和體重上表現(xiàn)出明顯差異的時(shí)期[26],中國對蝦的生長迅速、攝食強(qiáng)度較高、對餌料的依賴性強(qiáng),尋找食物行為相對激烈,在此期間餌料分布會(huì)影響中國對蝦的聚集,中國對蝦會(huì)在餌料豐富的海區(qū)內(nèi)發(fā)生聚集。

人類的捕撈活動(dòng)影響中國對蝦的聚集,調(diào)查期間通過對每個(gè)調(diào)查站位的觀察發(fā)現(xiàn),從事捕撈的漁船大多在近岸海域作業(yè),中國對蝦會(huì)躲避捕撈而進(jìn)行集體避害,造成其分布的隨機(jī)性。海水溫度對漁業(yè)生物群落活動(dòng)有最直接的影響[27-29],環(huán)境溫度的改變會(huì)導(dǎo)致餌料數(shù)量和質(zhì)量的變化,從而引起中國對蝦資源的移動(dòng);還會(huì)導(dǎo)致中國對蝦的生長速度加快、性成熟提前,這會(huì)致使其棲息地和產(chǎn)卵時(shí)間發(fā)生改變,其聚集性也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。本文對中國對蝦的資源分布重心以及空間聚集性與水溫和人類活動(dòng)之間的關(guān)系還需進(jìn)行研究討論。

3.3 空間自相關(guān)分析

研究認(rèn)為,中國對蝦除2020年邊線有較弱的全局空間自相關(guān)性外,基本不存在空間自相關(guān)性。而一般認(rèn)為魚類資源本身就具有高度的空間自相關(guān)性[14]。本文推測導(dǎo)致這種結(jié)果出現(xiàn)的原因有兩點(diǎn):一是由于過度捕撈導(dǎo)致中國對蝦的資源現(xiàn)存量過低,無法形成漁汛;二是山東半島南部海域中國對蝦的增殖放流雖然對其起到了一定的養(yǎng)護(hù)作用,但目前捕撈的對蝦資源過度依賴增殖放流。

2011年和2020年冷熱點(diǎn)漁區(qū)最明顯,但聚集性不高,空間依賴性較弱[30],其他年份沒有冷點(diǎn)分布,分布較離散。由于中國近海的海水污染以及漁業(yè)資源的過度捕撈,近海資源向著多樣化低值化小型化轉(zhuǎn)換,其他小型甲殼類和軟體類動(dòng)物的優(yōu)勢度更加明顯[31-32],以至于中國對蝦不能形成漁汛,不足以形成大規(guī)模有規(guī)律行的群體移動(dòng),沒有相關(guān)的移動(dòng)規(guī)律可循,相反2010—2020年中國對蝦資源的分布更趨于分散格局,空間自相關(guān)性較弱。

另外,中國對蝦的自然資源本就極度匱乏,其自然群體為較弱世代,目前海洋中的中國對蝦資源幾乎都來自于增殖放流[33]。因此中國對蝦空間自相關(guān)性低也可能是近幾年山東半島南部海域增殖放流的中國對蝦苗種存活率較低導(dǎo)致的。放流海區(qū)的水化學(xué)條件、風(fēng)力、水溫,放流地點(diǎn)的水質(zhì)、水污染程度及敵害捕食關(guān)系(底棲類肉食性的斑尾復(fù)蝦虎魚(Synechogobiusommaturus)[11])和競爭關(guān)系(口蝦蛄(Mantisshrimp)、三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)和日本蟳(Charybdisjaponica)[11])都會(huì)影響到增殖放流的效果。對蝦資源也會(huì)受到多種因子包括其生長、水溫、鹽度等共同作用[34],在后續(xù)的調(diào)查研究中應(yīng)結(jié)合相關(guān)環(huán)境因子,明晰中國對蝦自相關(guān)性極弱的原因,為該資源的資源調(diào)查以及增殖放流工作的科學(xué)展開提供參考依據(jù)。