中西太平洋鰹魚空間聚類特征及其與ENSO的關(guān)系?

蔣明峰, 陳新軍,2,3,4, 許子安, 林泓羽, 呂澤華,2,3,4, 雷 林,2,3,4, 賀海平, 賈海濱, 汪金濤 ,2,3,4??

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306; 2. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306;3. 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306; 4. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306;5. 大洋世家(浙江)股份公司, 浙江 舟山 310009)

鰹魚(Katsuwonuspelamis)屬鯖科(Scombrida)鰹屬(Katsuwonus),為大洋性中上層洄游性魚類,廣泛分布于全球熱帶、亞熱帶海域[1]。2018年,全球鰹魚總產(chǎn)量達(dá)320萬t,僅次于秘魯鳀(Engraulisringens)和阿拉斯加狹鱈(Theragrachalcogramma),是世界上最重要的經(jīng)濟(jì)魚類之一[2]。中西太平洋海域是鰹魚漁業(yè)的主要作業(yè)漁場(chǎng),近年來,其鰹魚平均產(chǎn)量超過150萬t,占世界總產(chǎn)量的40%以上,而其中70%以上的產(chǎn)量來自于圍網(wǎng)漁業(yè)[3]。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與作業(yè)海域

中西太平洋海域鰹魚圍網(wǎng)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于中西太平洋漁業(yè)委員會(huì)(Western and central Pacific fisheries commission,WCPFC),數(shù)據(jù)涵蓋作業(yè)時(shí)間(年、月)、作業(yè)地點(diǎn)(經(jīng)度、緯度)、投網(wǎng)次數(shù)和漁獲量(t)等,研究海域?yàn)?30°E—140°W、20°N—20°S。漁業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間分辨率均為5°×5°,研究時(shí)間為2008—2018年。

1.2 分析方法

1.2.1 CPUE的計(jì)算 本研究以捕撈努力量漁獲量(Catch per unit effort, CPUE)代表鰹魚的資源豐度,定義投網(wǎng)次數(shù)為捕撈努力量,以5°×5°為一個(gè)漁區(qū),分別計(jì)算不同圍網(wǎng)操作方式下各漁區(qū)各年、季的CPUE,并分析其時(shí)空差異。CPUE計(jì)算公式如下:

(1)

式中:ECPUEij為漁區(qū)i中操作方式j(luò)的單位捕撈努力量漁獲量(t/網(wǎng));cij為漁區(qū)i中操作方式j(luò)的總漁獲量(t),nij為漁區(qū)i中操作方式j(luò)的總捕撈努力量(投網(wǎng)次數(shù))。

1.2.2 漁場(chǎng)重心聚類分析 利用漁場(chǎng)重心法,計(jì)算各季度不同鰹魚魚群漁場(chǎng)重心。其計(jì)算公式如下[7]:

(2)

(3)

式中:ci為漁區(qū)i的總漁獲量;Xm為季度m漁場(chǎng)重心的經(jīng)度;Ym為季度m漁場(chǎng)重心的緯度;Xi為漁區(qū)i的經(jīng)度;Yi為漁區(qū)i的緯度;a為漁區(qū)總數(shù)。

分別對(duì)兩種鰹魚魚群2008—2018年各季度漁場(chǎng)重心進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,計(jì)算漁場(chǎng)重心間的歐氏距離。受FADs休漁制度的影響,2010—2016年第三季度產(chǎn)量均明顯低于其余各季度,不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,故在隨附魚群聚類分析中排除這7個(gè)季度。根據(jù)計(jì)算后的歐氏距離,將各季度漁場(chǎng)重心按離差平方和法進(jìn)行聚類[8],比較分析其季間變化,漁場(chǎng)重心標(biāo)準(zhǔn)化及歐氏距離計(jì)算公式如下[9]:

(4)

(5)

(6)

式中:Zlon,m為季度m漁場(chǎng)重心經(jīng)度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分;Zlat,m為季度m漁場(chǎng)重心緯度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)分;Slon為經(jīng)度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;Slat為緯度坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;Dmn為季度m和季度n漁場(chǎng)重心的歐氏距離。

1.2.4 資源豐度評(píng)價(jià) 根據(jù)漁獲量比重的經(jīng)向分布及各國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的地理位置將研究海域劃分為三部分,利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究各海域在各代表時(shí)間區(qū)間的資源豐度差異[10],以此指代不同ENSO模態(tài)下資源豐度的變化情況。以5°為經(jīng)度區(qū)間,分別選取各海域兩種魚群聚類所有代表性季度中每一經(jīng)度區(qū)間最大CPUE值構(gòu)成最優(yōu)向量并作為母序列,計(jì)算各聚類子序列與母序列的灰色關(guān)聯(lián)度,以灰色關(guān)聯(lián)度的大小作為資源豐度好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其計(jì)算公式如下:

(7)

(8)

式中:ξa(k)為氣候模態(tài)a下第k個(gè)經(jīng)度區(qū)間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù);x0(k)為母序列;xa(k)為子序列;ρ為分辨系數(shù);本研究取值0.5,ra為氣候模態(tài)a下該研究海域的灰色關(guān)聯(lián)度。

本研究中聚類分析部分由R 4.0.3軟件中的“NbClust”包[11]及“factoextra”包[12]完成,灰色關(guān)聯(lián)分析由Excel 2019軟件完成,圖片制作由origin2019b軟件及R 4.0.3 軟件中的“ggtree”包[13]完成。

2 結(jié)果

2.1 漁場(chǎng)重心聚類分析及其與ENSO的關(guān)系

以空間距離4為閾值可將自由魚群的季間漁場(chǎng)重心分為4簇(見圖1(a)和圖2(a)),各重心間歐氏距離介于0.045～5.344之間。對(duì)比分析聚類結(jié)果與ONI的關(guān)系(見圖3(a))可知,簇1中有7個(gè)季度處于拉尼娜時(shí)期,占54%,其余各季度均處于拉尼娜時(shí)期前后;簇2中有8個(gè)季度處于拉尼娜時(shí)期,占58%,3個(gè)季度處于厄爾尼諾時(shí)期,占21%;簇3中各季度均處于厄爾尼諾時(shí)期;簇4中有10個(gè)季度處于正常氣候條件下,占77%,其余3個(gè)季度均發(fā)生了厄爾尼諾事件。

(圖中數(shù)字標(biāo)簽為“年份/季度”格式。The numeric labels in the figures are in the format of “year/quarter”.)

以空間距離4為閾值可將隨附魚群的季間漁場(chǎng)重心分為3簇(見圖1(b)和圖2(b)),各重心間歐氏距離介于0.101～4.743之間。對(duì)比分析聚類結(jié)果與ENSO事件的關(guān)系(見圖3(b))可知,簇1中各季度均在拉尼娜時(shí)期;簇2中7個(gè)季度發(fā)生了厄爾尼諾事件,占70%;簇3中有12個(gè)季度處于正常氣候條件下,占75%。

綜上所述,自由魚群聚類中,簇1、簇2涵蓋了研究范圍內(nèi)93%的拉尼娜季度,二者之間的區(qū)別在于簇1中各因子多屬第1、2季度,漁場(chǎng)重心位于2°S以北(見圖4),而簇2中各因子多屬第3、4季度,漁場(chǎng)重心位于2°S以南,簇3中漁場(chǎng)重心位于2°S以南,175°E以東海域,涵蓋了44%的厄爾尼諾季度;隨附魚群聚類中,簇1中漁場(chǎng)重心多位于2°S以南,165°E以西海域,涵蓋了研究范圍內(nèi)73%的拉尼娜季度,而簇2中漁場(chǎng)重心則位于2°S以南,170°E以東海域,涵蓋了78%的厄爾尼諾季度。因此,以自由魚群的簇1、2代指拉尼娜時(shí)期,簇3代指厄爾尼諾時(shí)期,簇4代指正常氣候時(shí)期;以隨附魚群的簇1代指拉尼娜時(shí)期,簇2代指厄爾尼諾時(shí)期,簇3則代指正常氣候時(shí)期。

2.2 不同氣候模態(tài)下漁場(chǎng)的空間分布特征

分別選取各聚類中與氣候事件對(duì)應(yīng)的季度作為代表時(shí)間區(qū)間(見表1),計(jì)算各代表時(shí)間區(qū)間漁獲量比重的平均值,并分析其經(jīng)度上的差異。

表1 各簇代表時(shí)間區(qū)間

由圖5可知,自由魚群和隨附魚群高產(chǎn)漁場(chǎng)的空間分布存在較強(qiáng)的規(guī)律性,自由魚群聚類中,拉尼娜事件發(fā)生于第1、2季度時(shí),高產(chǎn)漁場(chǎng)集中在140°E—160°E海域,160°E以東漁獲量比重呈下降趨勢(shì);拉尼娜事件發(fā)生于第3、4季度時(shí),漁獲量高值區(qū)略向東移,集中在145°E—165°E海域,165°E以東漁獲量比重呈下降趨勢(shì);厄爾尼諾事件及正常氣候條件下各季度漁獲量高值區(qū)分布較廣,但各區(qū)間內(nèi)占比相對(duì)較低,厄爾尼諾時(shí)期主要漁場(chǎng)位于175°E—155°W海域,正常氣候條件下,主要漁場(chǎng)位于155°E—180°海域。

不同氣候模態(tài)下,隨附魚群漁獲量在經(jīng)度上的分布相比自由魚群更穩(wěn)定,不存在明顯的高值區(qū)。拉尼娜時(shí)期主要漁場(chǎng)為140°E—180°海域,厄爾尼諾時(shí)期主要漁場(chǎng)為165°E—165°W海域,正常氣候條件下,主要漁場(chǎng)則位于160°E—180°海域。

2.3 資源豐度評(píng)價(jià)

根據(jù)漁獲量的空間分布及各沿海國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的地理位置將研究海域分為3部分,分別為165°E以西海域、165°E—180°海域及180°以東海域?；疑P(guān)聯(lián)分析表明(見表2),對(duì)自由魚群而言, 165°E以西海域資源豐度在拉尼娜事件發(fā)生于第1、2季度時(shí)最高, 165°E—180°海域資源豐度在拉尼娜事件發(fā)生于第3,4季度時(shí)最高, 180°以東海域資源豐度在厄爾尼諾時(shí)期最高。對(duì)隨附魚群而言, 165°E以西海域及165°E—180°海域資源豐度均在拉尼娜時(shí)期最高, 180°以東海域最高資源豐度則出現(xiàn)于厄爾尼諾時(shí)期。

3 討論與分析

ENSO作為氣候系統(tǒng)中最強(qiáng)的年際氣候信號(hào)之一,對(duì)鰹魚的空間分布起著舉足輕重的作用[14]。不同ENSO模態(tài)下,中西太平洋的水溫、餌料生物豐度、海流等環(huán)境因素都會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致鰹魚的適宜棲息地出現(xiàn)變動(dòng)。西太平洋暖池是維系ENSO循環(huán)的紐帶,其邊界29 ℃等溫線可作為表征鰹魚漁場(chǎng)經(jīng)向分布特征的指標(biāo)[15-16],拉尼娜時(shí)期,暖池面積縮小,29 ℃等溫線邊界西移,適宜棲息地面積縮小,鰹魚魚群向西遷徙,導(dǎo)致捕撈努力量向海域西部聚集,出現(xiàn)了漁獲量集中的現(xiàn)象;厄爾尼諾時(shí)期則相反,隨著暖池的擴(kuò)散,29 ℃等溫線邊界東移,適宜棲息地面積增大,鰹魚資源的分布更廣泛,漁獲量分布也相對(duì)均勻[17-18]。

本研究認(rèn)為,季尺度上的漁場(chǎng)重心聚類可有效表征中西太平洋鰹魚在不同ENSO模態(tài)下的空間特征,且不同模態(tài)下漁場(chǎng)重心的空間分布存在顯著差異。沈建華等[19]研究發(fā)現(xiàn),鰹魚漁場(chǎng)重心在拉尼娜時(shí)期偏向西北,而在拉尼娜時(shí)期偏向東南,這與本研究中自由魚群漁場(chǎng)重心的分布規(guī)律基本相符。拉尼娜時(shí)期,自由魚群漁場(chǎng)重心總體偏向中西太平洋西北部及西部海域,其聚類以2°S為界被分為南、北2簇,而隨附魚群漁場(chǎng)重心則主要位于2°S以南,溫躍層上界深度的變化可能是產(chǎn)生這種差異的原因。Schaefer和Fuller[20]研究發(fā)現(xiàn),鰹魚自由魚群80.5%的時(shí)間都活動(dòng)于溫躍層之上,因此溫躍層上界深度較淺的海域捕撈自由魚群的成功率更高;而隨附魚群會(huì)更頻繁地進(jìn)入溫躍層索餌,其漁獲率與溫躍層深度關(guān)聯(lián)較弱[21]。拉尼娜時(shí)期,鰹魚魚群向中西太平洋西部遷移,溫躍層呈西弱東強(qiáng)的趨勢(shì),其上界深度較厄爾尼諾時(shí)期及正常氣候時(shí)期更深,且存在明顯的年內(nèi)變化[22],上半年間,赤道北部海域溫躍層上界深度相對(duì)較淺,南部海域則通常較深,而在下半年,赤道南部溫躍層上界深度逐漸降低,這為捕撈自由魚群的成功率提供了保障,導(dǎo)致漁場(chǎng)重心向南偏移。王學(xué)昉等[23]認(rèn)為,正常氣候條件下,自由魚群與隨附魚群的空間分布特征不存在顯著差異,這在本研究中得到了印證,正常氣候條件下,兩種魚群的季間漁場(chǎng)重心都集中于2°S以北,160°E—175°E的中西太平洋中部海域,且其高產(chǎn)漁場(chǎng)也都處于165°E—180°海域。

不同ENSO模態(tài)下,自由魚群和隨附魚群的洄游模式存在差異。拉尼娜時(shí)期,相比自由魚群,隨附魚群主要漁場(chǎng)西移幅度較小,厄爾尼諾時(shí)期其東移幅度較小。導(dǎo)致這種差異的原因是多樣的。一方面,餌料生物豐度是影響鰹魚空間分布的重要因素[24],中西太平洋海域生產(chǎn)力較低,餌料生物分布呈斑塊狀,因此鰹魚會(huì)為尋找適宜的索餌場(chǎng)而進(jìn)行長(zhǎng)距離洄游[25-26]。DFADs的大規(guī)模使用改變了鰹魚與海洋環(huán)境因子之間的關(guān)系,從而為其提供了一種替代大尺度洄游的新生活史策略[27]。Castro 等[28]研究發(fā)現(xiàn),天然流木等漂浮物往往會(huì)停留在餌料豐富的鋒區(qū)與渦旋中,因此鰹魚等熱帶金槍魚在進(jìn)化過程中將漂浮物與攝食活動(dòng)相關(guān)聯(lián),表現(xiàn)出對(duì)漂浮物的隨附性與趨向性。有研究認(rèn)為,DFADs作為天然漂浮物的替代物,起到了“生態(tài)陷阱”的作用,從而對(duì)鰹魚的攝食模式產(chǎn)生影響,聚集在DFADs等漂浮物附近的鰹魚群體會(huì)以其為參考點(diǎn)在周圍海域索餌[29]。Hidayat等[30]研究發(fā)現(xiàn),自由魚群漁場(chǎng)葉綠素濃度通常高于隨附魚群漁場(chǎng),表明隨附魚群對(duì)海洋環(huán)境中餌料豐度的變化不如自由魚群敏感。自由魚群往往聚集于暖池和冷舌交匯處形成的高營(yíng)養(yǎng)鹽輻合鋒區(qū)索餌,而該鋒區(qū)的經(jīng)向移動(dòng)與拉尼娜及厄爾尼諾事件的發(fā)生存在同步性[31];隨附魚群受餌料豐度影響較小,故在異常氣候條件下,其經(jīng)向移動(dòng)范圍較自由魚群更小,漁場(chǎng)分布相對(duì)穩(wěn)定。另一方面,流木等天然漂浮物多出現(xiàn)在靠近陸地的海區(qū),并隨海流流動(dòng),天然流木漁場(chǎng)往往集中于170°E以西的中西太平洋中部海域[32],從而在一定程度上影響了隨附魚群的分布。

DFADs的廣泛應(yīng)用極大提高了圍網(wǎng)漁業(yè)的捕撈效率和產(chǎn)量,但同時(shí)也衍生了兼捕黃鰭金槍魚(Thunnusalbacores)和大目金槍魚(Thunnusobesus)幼魚的問題。為此,WCPFC自2008年起采取了針對(duì)隨附魚群的FADs禁漁期管理措施,禁漁時(shí)間由最初的2個(gè)月延長(zhǎng)至現(xiàn)在的3～4個(gè)月,在此期間,禁止對(duì)隨附魚群進(jìn)行捕撈,以達(dá)到養(yǎng)護(hù)黃鰭金槍魚和大目金槍魚資源的目的[33-34]。資源狀況良好的鰹魚漁業(yè)也受到該政策的影響,2008年以來,中西太平洋海域針對(duì)隨附魚群的投網(wǎng)次數(shù)逐漸降低,其比重維持在30%～40%(見圖6),而其漁獲量比重從先前的60%以上降至目前的40%～50%。因此,了解不同魚群在不同氣候模態(tài)下的時(shí)空分布特征有助于提高捕撈效率,為企業(yè)入漁提供參考。

4 結(jié)語

本研究利用聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)分析方法在季尺度上研究了鰹魚不同魚群的分布特征差異及其與ENSO的關(guān)系。鰹魚漁場(chǎng)的空間分布除受ENSO現(xiàn)象影響外,還受到鰹魚自身洄游特征及FADs禁漁期等管理措施的影響,同時(shí),出于數(shù)據(jù)的局限性,本研究所用的5°×5°空間分辨率稍顯粗糙,未來應(yīng)綜合考慮上述因素,在數(shù)據(jù)收集精細(xì)化的基礎(chǔ)上利用更小空間分辨率進(jìn)行分析,以期更精確地了解鰹魚漁場(chǎng)的變動(dòng)趨勢(shì),為資源的有效管理和可持續(xù)利用提供依據(jù)。