基于區(qū)間比較的適宜漁獲環(huán)境條件的確定方法

馮 波，王 云，李忠爐，侯 剛

（1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，廣東湛江 524088；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東湛江 524025；3.廣東省南海深遠(yuǎn)海漁業(yè)管理與捕撈工程技術(shù)研究中心，廣東湛江 524088）

目前漁業(yè)海洋學(xué)研究中，對于適宜漁獲環(huán)境條件的確定沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。常見的方法有空間疊加法［1-2］、累計(jì)產(chǎn)量法［3-4］、作業(yè)頻次法［5-6］、K-S檢驗(yàn)法［6-7］、廣義加性模型法［8-9］。其中空間疊加法是依照漁獲落點(diǎn)的空間分布與環(huán)境要素等值線關(guān)系來判斷，屬于空間層面的定性分析，適漁環(huán)境區(qū)間的確定仍依賴于統(tǒng)計(jì)學(xué)推斷；K-S檢驗(yàn)法可以確定哪個環(huán)境要素有重要影響，擇出區(qū)間的理論未得到證明；漁獲頻次法和累計(jì)產(chǎn)量法依據(jù)某環(huán)境區(qū)間內(nèi)的作業(yè)頻次占總作業(yè)次數(shù)百分比或其產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分比，所占百分比的數(shù)值由人為的主觀經(jīng)驗(yàn)認(rèn)定，沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)；而目前常見的廣義加性模型法判斷環(huán)境要素的適宜漁獲區(qū)間，主要是根據(jù)環(huán)境參數(shù)作用下的CPUE自然樣條平滑曲線變化趨勢以及數(shù)據(jù)點(diǎn)密度來判斷，也沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的定量驗(yàn)證。確定適宜漁獲環(huán)境區(qū)間是開展?jié)O場預(yù)報(bào)的前提，需要引起足夠重視。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上［10］，提出了確定適宜漁獲環(huán)境條件的通用性標(biāo)準(zhǔn)以及一種基于區(qū)間比較的遍歷搜索算法，以其為類似的漁場學(xué)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

以南沙鳶烏賊（Sthenoteuthisoualaniensis）燈光罩網(wǎng)日產(chǎn)量數(shù)據(jù)及相關(guān)聯(lián)的海表溫、溫躍層數(shù)據(jù)為例，說明本研究方法的應(yīng)用特點(diǎn)。收集了2013年上半年與2014年上半年赴南沙生產(chǎn)燈光罩網(wǎng)船的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)中包含每日作業(yè)的經(jīng)緯度和鳶烏賊產(chǎn)量，數(shù)據(jù)記錄共計(jì)743條，滿足統(tǒng)計(jì)分析的要求。海表溫（sea surface temperature，SST）、溫躍層（thermocline）參數(shù)讀取自法國CLS公司的CATSAT系統(tǒng)，使海表溫、溫躍層數(shù)據(jù)在時間和空間上和鳶烏賊生產(chǎn)數(shù)據(jù)一一匹配，時間精確到d，空間精確到′。

1.2 方法

漁業(yè)生產(chǎn)中的適宜漁獲環(huán)境條件是建立在捕撈生產(chǎn)能取得收益的基礎(chǔ)之上的，也即是海洋捕撈的環(huán)境條件必須是能產(chǎn)生效益，才是有意義的。因此，本研究提出了保本產(chǎn)量值的概念，保本產(chǎn)量值y是指某一作業(yè)方式在捕撈某一物種時，達(dá)到保本線的日產(chǎn)量。一般通過生產(chǎn)調(diào)查，很容易計(jì)算出一艘漁船一天的保本產(chǎn)量。首先調(diào)研計(jì)算出y值，這是確定適宜漁獲環(huán)境條件的基本前提。然后進(jìn)行如下運(yùn)算：①分區(qū)。排列某個環(huán)境因子的指標(biāo)值，然后劃分出A和B兩個環(huán)境指標(biāo)區(qū)間，設(shè)定A區(qū)間為適宜環(huán)境區(qū)間。②比較。分別比較A區(qū)間的日產(chǎn)量均值μA和B區(qū)間的日產(chǎn)量均值μB、y的大小，滿足μA95%置信區(qū)間＞y、μA＞μB者保存到記錄表。③搜索與篩選。重復(fù)①②的過程，輸出記錄報(bào)表。④擇區(qū)。本研究設(shè)置了最大μA、最大A區(qū)間累計(jì)產(chǎn)量占比、最大A區(qū)間作業(yè)頻次占比、最大優(yōu)選指數(shù)等4個標(biāo)準(zhǔn)，比較這4個標(biāo)準(zhǔn)擇出區(qū)間的差異，確定最佳的擇出標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)間比較過程如圖1。

圖1 區(qū)間比較流程Fig.1 Interval com parison process

步驟①中A、B區(qū)間的劃分方法：先從小到大排列某個環(huán)境因子的指標(biāo)值，然后逐次劃分A、B區(qū)間。例如，假設(shè)環(huán)境指標(biāo)值排列為1、2、3、4、5。先是分成1個和4個數(shù)值的區(qū)間，劃分出的組合有1，2345；2，1345；3，1245；4，1235；5，1234。然后分成2個和3個數(shù)值，當(dāng)A區(qū)間是2個以上數(shù)值時，要求A區(qū)間是連續(xù)的，B區(qū)間不要求連續(xù)，劃分結(jié)果是：12，345；23，145；34，125；45，123。然后是3個和2個數(shù)值，劃分成兩個區(qū)間：123，45；234，15；345，12。然后是4個和1個數(shù)值，劃分成兩個區(qū)間：1234，5；2345，1。這種排序方式的區(qū)間劃分次數(shù)取決于環(huán)境指標(biāo)數(shù)值個數(shù)n，如上例n是5，區(qū)間劃分次數(shù)是次。

步驟②中在計(jì)算A、B區(qū)間的日產(chǎn)量均值μA、μB時，給出μA、μB差異顯著性檢驗(yàn)的P值，記錄A區(qū)間范圍（被劃入A區(qū)的環(huán)境因子觀測值的范圍）、A區(qū)間寬度（A區(qū)間指標(biāo)值個數(shù)）、A區(qū)間累計(jì)產(chǎn)量占比（劃入A區(qū)間漁獲產(chǎn)量與總產(chǎn)量的比值）、A區(qū)間作業(yè)頻次占比（劃入A區(qū)間作業(yè)次數(shù)與總作業(yè)次數(shù)的比值）。采用1 000次bootstrap放回重復(fù)抽樣，計(jì)算出μA、μB的95%置信區(qū)間，這些參數(shù)將記錄到最終輸出的報(bào)表中。

步驟③是將步驟①中各種可能的區(qū)間劃分組合按次序進(jìn)行了遍歷搜索，滿足μA的95%置信區(qū)間＞y、μA＞μB，且μA、μB具差異顯著性的保存到輸出報(bào)表。

步驟④中的優(yōu)選指數(shù)（optimal selection index，OSI）的計(jì)算公式：

式（1）中，WA是A區(qū)產(chǎn)量占比；FA是A區(qū)作業(yè)頻次占比；WIA是A區(qū)間寬度占比，是指A區(qū)間的環(huán)境指標(biāo)值個數(shù)相對于總體環(huán)境指標(biāo)值個數(shù)的比值。

本研究將比較設(shè)定與不設(shè)定保本產(chǎn)量值，輸出結(jié)果的差別；比較不同擇出標(biāo)準(zhǔn)，選出區(qū)間后的有關(guān)參數(shù)的差異。數(shù)據(jù)運(yùn)算過程在R 4.0.5環(huán)境下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境-產(chǎn)量數(shù)據(jù)組成

海表溫-日產(chǎn)量配對數(shù)據(jù)共有732條，海表溫指標(biāo)值范圍22.6～30.9℃，以0.1℃為間隔，指標(biāo)值個數(shù)有84個，需要區(qū)間劃分次數(shù)為3 569次；溫躍層-日產(chǎn)量配對數(shù)據(jù)共有743條，溫躍層指標(biāo)值范圍15～145 m，以5 m為間隔，指標(biāo)值個數(shù)有27個，需要區(qū)間劃分次數(shù)為377次。鳶烏賊日產(chǎn)量相對這兩個環(huán)境指標(biāo)的分布特征如圖2、3。

圖2 鳶烏賊日產(chǎn)量與海表溫散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of daily yield and sea surface temperature

圖3 鳶烏賊日產(chǎn)量與溫躍層散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of daily yield and thermocline

2.2 是否設(shè)定保本產(chǎn)量值的差異

根據(jù)生產(chǎn)調(diào)研，赴南沙生產(chǎn)捕撈鳶烏賊的漁船都是大型燈光罩網(wǎng)船，各船只的功率、設(shè)備、船員配置情況基本相近。生產(chǎn)成本包括了船舶折舊、設(shè)備維修、網(wǎng)具損耗、燃油、水、伙食、工資以及稅收，經(jīng)測算其每日成本約為11 525元。當(dāng)前鳶烏賊的市場收購價為5元·kg-1，因此鳶烏賊的保本日產(chǎn)量y為2 305 kg。本研究計(jì)算了設(shè)定保本日產(chǎn)量（y=2 305 kg）和不設(shè)定保本日產(chǎn)量（y=0 kg）時，比較A、B區(qū)間搜索到滿足μA的95%置信區(qū)間＞y，且μA＞μB具有差異顯著性條件的海表溫和溫躍層A區(qū)間記錄個數(shù)，如表1。y值的設(shè)定對于篩選A、B區(qū)間比較的輸出結(jié)果有著舉足輕重的影響。

表1 滿足條件記錄個數(shù)Tab.1 Records thatmeet requirements

2.3 不同區(qū)間擇出標(biāo)準(zhǔn)的差異

溫躍層-日產(chǎn)量數(shù)據(jù)和海表溫-日產(chǎn)量數(shù)據(jù)經(jīng)過μA的95%置信區(qū)間＞y、μA＞μB篩選后，仍有多條記錄滿足要求，需要采用擇出標(biāo)準(zhǔn)加以評價。4個擇出標(biāo)準(zhǔn)下，選出A、B區(qū)間的參數(shù)特征如表2、表3。最大μA選出的適宜漁獲區(qū)間最狹窄，數(shù)據(jù)記錄較少，有時無法給出μA置信區(qū)間；最大A區(qū)間累計(jì)產(chǎn)量占比和最大A區(qū)間作業(yè)頻次占比，選出適宜漁獲區(qū)間是一樣的；最大優(yōu)選指數(shù)選出的區(qū)間較最大A區(qū)間累計(jì)產(chǎn)量占比選出的區(qū)間略窄，A區(qū)的產(chǎn)量占比和A區(qū)頻次占比兩個參數(shù)值亦略有下降。4個區(qū)間擇出標(biāo)準(zhǔn)都可以用優(yōu)選指數(shù)衡量比較，本例中最大優(yōu)選指數(shù)選出的海表溫適宜區(qū)間為27.5～29.9℃，溫躍層適宜區(qū)間為35.0～49.9 m。

表2 海表溫?fù)癯鰠^(qū)間的參數(shù)差異Tab.2 Difference of parameters of selected sea surface tem perature intervals

表3 溫躍層擇出區(qū)間的參數(shù)差異Tab.3 Difference of parameters of selected therm ocline intervals

3 討論

3.1 區(qū)間擇出方法

確定適宜漁獲環(huán)境條件最直接的方法是空間疊加法，如晏磊等［1］根據(jù)海表溫等值線與秋刀魚漁獲的分布關(guān)系，得到最佳作業(yè)表溫為10～13℃；楊勝龍等［2］描述了大西洋中部溫躍層特征參數(shù)與黃鰭金槍魚（Thunnusalbacares）單位捕撈努力量漁獲量的空間分布關(guān)系。此方法屬于定性分析，統(tǒng)計(jì)學(xué)上推斷分析較少。利用累計(jì)產(chǎn)量與環(huán)境指標(biāo)的關(guān)系也可以觀察到漁獲主要的環(huán)境指標(biāo)區(qū)間，如徐麗麗［3］觀察東太平洋低緯度海區(qū)大眼金槍魚（T.obesus）的釣獲產(chǎn)量與海表溫的分布關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其高漁獲適宜表溫范圍在25.5～28.4℃；陳芃和陳新軍［4］統(tǒng)計(jì)了各月海表面溫度與秘魯鳀（Engraulisringens）漁場漁獲量、捕撈努力量的關(guān)聯(lián)表，得到了各月適宜漁獲海表溫。頻次分析與統(tǒng)計(jì)累計(jì)產(chǎn)量的效果類似，如劉勇和陳新軍［5］統(tǒng)計(jì)了作業(yè)天數(shù)與海表溫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中西太平洋金槍魚圍網(wǎng)作業(yè)主要集中在28～31℃的海域；紀(jì)世建等［6］統(tǒng)計(jì)南海及臨近海域黃鰭金槍魚高CPUE在各SST區(qū)間的頻次分布情況，發(fā)現(xiàn)77%的高CPUE出現(xiàn)在26.9～29.9℃海域。此類推斷屬于經(jīng)驗(yàn)性的方法，尤其生產(chǎn)初期，在資源量好的情況下，容易陷入只要生產(chǎn)投入多，產(chǎn)出自然也多的偏頗認(rèn)識，忽略了漁業(yè)生物分布與環(huán)境間的關(guān)系，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷積累數(shù)據(jù)加以修正觀點(diǎn)。也有一些學(xué)者利用K-S檢驗(yàn)法尋找適漁區(qū)域，如紀(jì)世建等［6］以D（t）最大值為基點(diǎn)劃出了最適表溫區(qū)間；阮超［7］在確定南極大磷蝦（Euphausiasuperba）中心漁場表溫時也采用相同的取法。K-S檢驗(yàn)是判斷密集無規(guī)律漁獲數(shù)據(jù)與環(huán)境關(guān)系的有效手段，通過觀察累計(jì)分布函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)加權(quán)累計(jì)分布函數(shù)的差異，可直觀地判斷出該環(huán)境因素是否對漁獲有影響，但用于區(qū)間劃分的理論依據(jù)尚未得到充分驗(yàn)證。

廣義加性模型是近年來運(yùn)用較多的判斷適宜環(huán)境區(qū)間方法，如陳良野［8］觀察到大西洋大眼金槍魚CPUE樣條曲線在SST為27.6～28.4℃間時，CPUE逐步增大且漁船作業(yè)次數(shù)最多，遂將之定為最適表溫；也有如唐峰華等［9］將自然樣條平滑實(shí)線的95%置信區(qū)間虛線最狹窄段定義為漁場最適環(huán)境范圍，此種做法，仍存在著主觀的判斷，缺乏統(tǒng)計(jì)學(xué)的定量比較。此外，還有王言豐等［11］采用多元線性回歸方法分析北部灣燈光罩網(wǎng)CPUE與環(huán)境關(guān)系，也需通過觀察標(biāo)準(zhǔn)化CPUE曲線的變化趨勢來判斷適宜環(huán)境區(qū)間，他們還用空間趨勢面插值手段，找到了標(biāo)準(zhǔn)化CPUE的SST、Chl a的高值分布區(qū)，但這些方法仍是基于觀察的角度，定量分析不足。葉泰豪等［10］在分析中西太平洋鰹（Katsuwonuspelamis）中心漁場適宜環(huán)境時，提到了區(qū)間比較的方法，但其擇出的適宜環(huán)境區(qū)間只是眾多可能性之一。本研究進(jìn)一步發(fā)展了葉泰豪等［10］的方法，采用遍歷搜索的方式，找出所有可能的區(qū)間，通過設(shè)定保本產(chǎn)量值和區(qū)間擇出標(biāo)準(zhǔn)加以篩選，找出相對適宜的環(huán)境區(qū)間。

3.2 區(qū)間擇出標(biāo)準(zhǔn)

前述區(qū)間擇出的方法，多數(shù)沒有明確的擇出標(biāo)準(zhǔn)，依賴于主觀的認(rèn)定，是一種經(jīng)驗(yàn)性的判斷方法。即便是累計(jì)產(chǎn)量法，如陳芃和陳新軍［4］文中所述的產(chǎn)量占比在72.89% ～97.93%間變動；或是作業(yè)頻次法，如陳芃和陳新軍［4］文中所述的捕撈努力量占比在72.35% ～98.29%間變動，區(qū)間的界定標(biāo)準(zhǔn)都不固定。面對生產(chǎn)數(shù)據(jù)在季節(jié)上的波動，也有研究者如陳良野［8］將作業(yè)頻率規(guī)定為大于10%，閆敏［12］設(shè)定作業(yè)頻率必須大于5%。當(dāng)前區(qū)間擇出標(biāo)準(zhǔn)的不確定，應(yīng)源于“適宜環(huán)境范圍”定義的模糊性。以海表溫為例，有簡單表達(dá)成“適宜海表溫”、“最適海表溫”、“最佳海表溫”等寬泛的概念，也有精確表達(dá)成“某海域某漁具某魚種漁場適宜（最適）海表溫”這樣狹窄的概念。事實(shí)上“適宜環(huán)境范圍”不能寬泛化，在落實(shí)到生產(chǎn)實(shí)踐時，它必然面對著特定的海域、特定的漁具和特定的漁業(yè)生物。它必須聯(lián)系到生產(chǎn)作業(yè)，而且生產(chǎn)必定要產(chǎn)生效益，否則表達(dá)的概念極易與“某生物適宜棲息水溫”、“某生物喜好水溫”等生態(tài)學(xué)術(shù)語混淆。從生產(chǎn)層面認(rèn)知的“適宜環(huán)境范圍”必須加上“漁獲”、“作業(yè)漁場”等修飾語加以限定，明確其用處。故此本研究引入了保本產(chǎn)量值，作為第一篩選條件，使之在生產(chǎn)上具有意義。當(dāng)然y值也會受到市場收購價影響，出現(xiàn)一定的波動。甚至有時y值過高，會使某物種的某一環(huán)境指標(biāo)沒有在適宜的漁獲區(qū)間出現(xiàn)，根據(jù)木桶定律，這時不宜出海捕撈該物種?，F(xiàn)實(shí)中常常見到環(huán)境條件在生物適應(yīng)上滿足要求，但因市場收購價格過低不能保本，漁民仍會停止出海捕撈的情況。使用y值篩選，可以使這一現(xiàn)象得以解釋。本研究又在y值基礎(chǔ)上比較了4個擇出標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)取μA最大，擇出區(qū)間最狹窄，且產(chǎn)量占比和作業(yè)頻次占比很小，使用價值低；最大A區(qū)間累計(jì)產(chǎn)量占比和最大A區(qū)間作業(yè)頻次占比擇出的區(qū)間往往趨于一致，因?yàn)樽鳂I(yè)頻次高的區(qū)間，累計(jì)產(chǎn)量也高；最大優(yōu)選指數(shù)選出的區(qū)間，累計(jì)產(chǎn)量和作業(yè)頻次占據(jù)份額都略有下降，但它選出了相對窄的區(qū)間內(nèi)日產(chǎn)量均值、A區(qū)產(chǎn)量占比和A區(qū)頻次占比最大的組合。優(yōu)選指數(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以將4個標(biāo)準(zhǔn)放在一起，比較優(yōu)選指數(shù)大小，選出適宜區(qū)間。該指數(shù)也可用于常見方法［1-9］選出的漁獲適宜環(huán)境區(qū)間的效果評價。

4 小結(jié)

本研究從漁業(yè)生產(chǎn)的視角出發(fā)，對“適宜漁獲環(huán)境范圍”進(jìn)一步詮釋，強(qiáng)調(diào)了“漁獲”的生產(chǎn)屬性，由此引入了保本產(chǎn)量值的概念，使之更貼合生產(chǎn)實(shí)際。設(shè)計(jì)了A、B分區(qū)比較、遍歷搜索的算法，對比了4個擇出標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)了最大優(yōu)選指數(shù)是值得推薦的擇區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。本方法應(yīng)用的前提是，先要對各個環(huán)境因素與漁獲量的相關(guān)性進(jìn)行確認(rèn)，可用廣義線性模型、廣義加性模型、K-S檢驗(yàn)等方法找出相關(guān)性密切的環(huán)境因子，也要排除共線性的環(huán)境因子，然后通過大量生產(chǎn)調(diào)研取得同規(guī)格漁船某一捕撈對象的保本產(chǎn)量值，再用本研究推薦的分析方法找出適宜漁獲環(huán)境區(qū)間。在應(yīng)用時，通過驗(yàn)證分析選出關(guān)鍵的2～3個環(huán)境指標(biāo)（環(huán)境指標(biāo)之間獨(dú)立不相關(guān)），將這2～3個指標(biāo)區(qū)間的空間疊加區(qū)域作為預(yù)報(bào)漁場的范圍［13］，并在實(shí)踐中不斷補(bǔ)充數(shù)據(jù)，更新區(qū)間范圍，以提高漁場預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。