南极磷虾(Euphausia superba)是南极海域中生物量最多的甲壳类动物，具有块状集群和不同虾群分布水层多变的特点，在南大洋生态系统中占有重要地位^[1-2]。随着捕捞技术的革新，捕捞参与国为高效开发南极磷虾资源，将中层拖网作为主要作业渔具^[3-5]。

中层拖网作业状态包括网位状态、网身状态、拖网整体状态等，在水动力作用下会产生相应变化^[6-8]。拖网网位代表网具的空间位置，常以上纲中点作为参考点，是瞄准捕捞的基础^[9-10]。拖网网身作为导鱼区，其状态的优劣直接影响捕捞对象与网衣的接触情况，进而影响拖网选择性和渔获品质^[11-13]。拖网整体状态是拖网系统的直观表现，通过对网具整体状态的监控，可在网具受损等大型事故发生前进行规避与调整^[14]。因此，网位及网身状态是决定拖网捕捞效率的关键因素，而拖网整体状态是实现安全作业的重要参考。影响拖网状态的因素包括捕捞操作、海洋环境和渔获量等^[15-20]。捕捞操作常被认为是影响网具状态的最主要因素，苏志鹏等^[9]和韩曦^[21]指出，调整曳纲长度是改变拖网网位最有效的方法。CHO等^[22]发现，韩国沿海底拖网网口高度随着拖速的增加或曳纲长度的增加而降低。WEINBERG等^[23]提出，两侧曳纲长度不等会造成拖网左右不对称，网口有效水平扩张降低，捕捞效率下降。21世纪初，部分学者探讨了单一环境变量与拖网捕捞效率间的关系，但并未从网具状态方面着手^[24-26]。QUEIROLO等^[17]指出，智利甲壳类底拖网的网口水平扩张与风速呈正相关关系，与浪高呈负相关关系。此外，渔获量也会通过改变网囊受力而影响着拖网状态。BROADHURST等^[20]根据底拖网模型试验发现，随着渔获量增多，网囊的菱形网目闭合明显，网囊末端深度大于网口中心深度。

使用海上实测方法研究以南极磷虾拖网为代表的大洋性拖网网具状态，无需简化网具，可获得真实工作下的拖网数据，但在状态研究的进程中，除拖网网位和捕捞操作数据外，其他拖网部位和影响因子并未受到足够的关注。为此，作者于2018年7月至8月期间赴南极南乔治亚岛水域进行海上实测，通过测量拖网不同部位深度，以各部位间深度差表示拖网作业状态，运用广义加性模型(generalized additive models, GAM)分析捕捞操作和环境变量对上纲深度和上纲与第3~4节网身连接处深度差造成的影响，使用单因素方差分析(One-way ANOVA)探讨渔获量对上纲与网囊口上部中点深度差的影响，旨在确定作业过程中拖网状态变化的情况，以期对拖网最优作业状态的选取起到参考作用。

1 材料与方法 1.1 渔船与渔具

实验依靠辽宁远洋渔业有限公司专业磷虾拖网船“福荣海”(参数见表 1)于南乔治亚岛东北部(35°50′W~36°00′W，53°75′S~54°25′S)作业期间进行(实验站点见图 1)。

实验网具为185.4 m×128.5 m(上纲41.8 m)十片式中层拖网，网线材料为高强度聚乙烯(PE，34 tex), 见图 2。网袖长度18 m，网目尺寸240 mm。网身全长79.5 m，共11段，1~5节网目尺寸范围75 ~150 mm，6~11节网目尺寸范围100 ~120 mm，力纲使用钢丝绳。网囊长度30 m，网目尺寸从80 mm减小到65 mm，力纲使用超高分子量聚乙烯纤维材料(Dyneema)。内衬网材料为尼龙，网身内衬网从网身第6段开始附加，网目尺寸从30 mm减小到20 mm。网囊内衬网网目尺寸15 mm。网口处配备直径360 mm浮子18个，直径450 mm浮子76个，提供25.9 kN浮力，网囊附加360 mm浮子14个，提供2.2 kN浮力。下纲附加内径25 mm铁链，370 kg(空气中质量，下同)，两侧下端网袖各装配900 kg沉铁，网具附加质量2 170 kg。网具整体浮沉比1.2左右。配备1副15 m²曲面网板，网板总质量9.6 t。

1.2 数据采集

因磷虾拖网尺寸巨大，难以全面观测，本研究采用拖网不同部位的深度差代表网具作业状态。拖网不同部位深度数据采集点沿网背中线分布，分别设置在上纲中点、第3~4节网身连接处和网囊口上部中点(图 3，测量点以下简称上纲、网身1、网囊)，将上纲中点作为拖网网位参考点，上纲与网身1的深度差代表局部网身状态，上纲与网囊深度差代表拖网整体状态。

使用自计式温深仪TDR-2050进行拖网不同部位深度测量。捕捞操作数据包括拖速、曳纲长度和渔船航向。使用船用定位系统GP-25采集拖速与航向数据，拖速为渔船对地速度。曳纲长度采用船用曳纲控制系统数据。海洋环境数据包括：风向风速、150 m和200 m水层深度的流向流速、浪高。风向风速与流向流速分别使用船用风向风速仪DIC-AI-SI和船用潮流计CI-60G进行数据采集。浪高无专业仪器测量，由超过15年捕捞经验的驾驶人员目测估计^[17]。渔获量通过倾倒进鱼槽的磷虾体积进行估算，得出相应湿质量。

1.3 数据分析

采用GAM模型对上纲深度和上纲与网身1深度差进行分析^[28-29]。在构建模型之前，对自变量间的相关性进行检验(数据共线性)，通过矩阵条件数(conditional number of matrix)，剔除重复影响因变量的因子。使用单因素方差分析检验渔获量对上纲与网囊深度差的影响。

完整GAM模型表达式如下：

式中：D_s为拖网上纲深度，m；D_l为上纲与网身1的深度差，m；X_warp为曳纲投放长度，m；X_ts为渔船拖速，kn；X_td为渔船拖曳方向，(°)；X_ws为风速，kn；X_wd为风向，(°)；X_fs-150和X_fs-200分别为150 m和200 m水层的流速，kn；X_fd-150和X_fd-200分别为150 m和200 m水层的流向；X_wh为海浪高度，是模型的类别变量，m；函数s()是模型中因变量的一维平滑函数；ε表示残差，E(ε)=0，ε=σ²，符合正态分布。

模型构建后得到拖网上纲深度和不同部位深度差的95%置信区间，并采用赤池信息准则(akaike information criterion，AIC)进行向后逐步剔除因子方法回归检验。根据模型结果P值评估各自变量对因变量是否存在显著性影响(P < 0.05)。根据估计自由度(estimated degrees of freedom, EDF)和模型结果判定自变量与因变量是否属于线性关系(EDF=1，自变量与因变量属于线性关系)。使用R 3.5.1软件进行GAM模型的构建及相关检验。

2 结果

第一次实验采集25网次有效数据，分析捕捞操作与海洋环境对上纲深度及上纲与网身1深度差的影响；第二次实验采集54网次有效数据，分析起网前2 min拖网各部位深度不发生剧烈变化时，渔获量对上纲与网囊深度差的影响。

实验期间，拖曳区域水深小于500 m。上纲深度145.82~302.27 m，网身1深度150.61~310.15 m，网囊深度89.10~301.83 m。曳纲投放长度350.9~631.0 m。拖速区间为2.0~3.5 kn，航向主要为西北方向。风速变化区间为2~8 kn，主要为西北风。各水层流速均小于1 kn。浪高集中在2 m及以上(表 2)。自变量间共线性较弱(矩阵条件数32.275 33 < 1 000)，所有自变量均不予剔除。

2.1 上纲深度模型结果

通过AIC检验发现，包含所有影响因子的模型AIC值最小(996.17)，模型解释率最高(82.1%)。曳纲长度、拖速、风速和150 m水层流速显著影响上纲深度(P < 0.05)。上纲深度仅与曳纲长度和水层流速(150 m和200 m)呈线性关系(EDF=1), 见表 3。

由图 4可知：上纲深度与曳纲长度和150 m水层流速呈明显的正相关关系，与拖速呈负相关关系；随风速的增加，上纲深度先减小后增大；上纲深度与200 m水层流速和浪高无显著相关关系。

2.2 上纲与网身1深度差模型结果

通过AIC检验发现，包含所有影响因子的模型AIC值最小(293.62)，模型解释率为73.6%。拖速、200 m水层流速和2 m浪高对上纲与网身1深度差影响显著(P < 0.05)。上纲与网身1深度差仅与150 m水层流速呈线性关系(EDF=1)。见表 4。

由图 5可知：上纲与网身1深度差具有随拖速和200 m水层流速的增加先增大后减小的趋势，拖速2.6 kn、200 m流速0.3 kn时深度差达到最大；2 m浪高时，上纲与网身1深度差最小。

2.3 渔获量对上纲与网囊深度差影响分析

单因子方差检验结果表明，渔获量仅对上纲与网囊深度差影响极显著(表 5，P < 0.001)。由图 6可知，随渔获量增加网身的深度变化逐渐减小。当渔获量从5 t增加至17 t时，上纲与网囊深度差变化较快；当渔获量增至32 t时，深度差变化减缓；当渔获量达到40 t时，深度差变化趋于平稳。

3 讨论 3.1 捕捞操作和海洋环境对上纲深度影响

上纲中点作为拖网网位参考点，操作人员会根据捕捞对象的种群密度和所处水层，调整捕捞操作，改变上纲深度，实现瞄准捕捞。本实验结果表明，曳纲长度、拖速、风速和150 m水层流速显著影响(P < 0.05)拖网上纲深度。捕捞操作对上纲深度的影响，与苏志鹏等^[9]研究相符，上纲深度随着曳纲长度的增加而增加，随拖速的增加而减小。船只在生产时会受到风与海浪的影响^[30]，但风与海浪对拖网的影响是不同的。上纲随风速的增加先上浮后逐渐下降，产生这一现象的原因是：风速较低时，渔船往往顺风拖曳；风速增大(风速大于4 kn)后，为保证作业安全，渔船会顶风作业。研究拖网状态时，需要考虑网具的对水速度(相对速度)^[24]。当渔船顺风作业时，网具的相对速度降低，网身下沉，顶风作业时则相反。POLITIS等^[31]表示，海浪会造成拖网渔船周期性纵向摇晃，而纵摇产生的船尾瞬时速度与拖曳速度平方成正比。基于上述观点，我们提出假设，当浪高较大时(大于2 m)，增加了渔船的纵向运动(纵摇)，导致网具相对速度增加，拖网上纲深度减小。参考WEINBERG等^[16]的底拖网研究发现，网具横向扩张随流速的增加而增加。在不改变曳纲长度的情况下，以150 m水层为代表的拖网上方水流速度增加，导致网口横向扩张增加，垂直扩张减小，使上纲中点深度降低。

3.2 捕捞操作和海洋环境对上纲与网身1深度差的影响

拖网网身作为导鱼区，通过在网身附加内衬网，可防止磷虾穿过网目逃逸。“福荣海”使用的磷虾拖网，第1~5段网身没有添加内衬网。保持良好的拖网状态，是降低磷虾直接碰触网片，减少磷虾逃逸的主要手段^{[11, 31]}。因此，笔者将上纲与网身1深度差作为局部网身状态进行研究。

拖速、200 m水层流速和2 m浪高是影响上纲与网身1深度差的显著因子。在“福荣海”常规作业拖速区间(2.5~3.2 kn)内，上纲与网身1深度差随拖速增加持续降低。产生这一现象的原因可归结为拖网网口处受力发生变化，随着拖速的增加，浮子纲与网身网衣垂直向下的分力增大，浮力不变，上纲下沉^[32]。受剪裁斜率影响，网身1的圆周小于网口圆周，下沉程度较上纲不明显，因此上纲与网身1深度差随拖速增加而减小。上纲与网身1深度差随200 m水层流速的增加，先增大后减小。分析现有数据发现：200 m水层流速较小(X_fs-200 < 0.4 kn)时，流向与渔船航向的夹角较小，减小了网具的相对拖速，上纲与网身1深度差增大；200 m水层流速大于0.4 kn时则相反。如已讨论部分，浪高会造成网具相对速度增加，从而使上纲与网身1深度差减小。

3.3 渔获量对上纲-网囊深度差的影响

PICHOT等^[34]利用PIV技术(particle image velocimetry)发现网囊前段存在低流速区域，可使鱼类逗留。磷虾作为浮游动物，游泳速度弱^[13]，无法在低流速区域停留，被动堆积于网囊末端。随着拖曳时间延长，渔获量增多，网囊内堆积情况加剧，贴近网壁的磷虾个体极易受损死亡^[32]。

受南极磷虾块状分布的影响，若假设磷虾以均匀等比例的方式进网，会造成较大误差。因此，本研究在不添加其他影响因子的情况下，运用单因素方差分析探讨渔获量对拖网整体状态的变化。方差检验结果表明，渔获量对上纲与网囊深度差影响极显著(P < 0.01)，但对上纲(网位)深度影响不显著。如图 6所示，上纲与网囊深度差随渔获量的增多而增大。基于实验与起网后的网囊体积观察结果，做出有关福荣海南极磷虾拖网的推断：当渔获量小于10 t时，渔获体积小于网囊包围体积的1/5，网囊形状主要依靠水流产生，装配在网囊上的浮子(浮力2.2 kN)减弱了渔获对网具的影响，深度差增长缓慢，拖网整体状态近似于椭圆锥体^[18]。当渔获量为10~30 t时，渔获体积逐渐接近网囊包围体积，浮子作用效果不变，深度差快速增加；当渔获量大于30 t时，渔获完全充满网囊，深度差达到临界值，渔获受损严重。网囊网目闭合，网线张力增大，防止网囊过度下沉，此时，拖网整体状态演变成椭圆台与部分圆环的组合。

3.4 捕捞建议

根据以上结果与相关研究，提出以下推论作为捕捞参考：(1)网位重要性大于网身状态，即确保南极磷虾进网量。放网期间，首要参考的环境因素为风速与浪高，在保证安全的情况下，可适当加快曳纲投放速度，降低拖速，使拖网快速到达预定水层。中层拖网稳定后，结合网具所处水层的流速，可适当提高或降低拖速。(2)结合自身网具规格，适当调整拖曳时间，参考拖网深度差(即上纲中点与网囊口上部中点)，在渔获接近网囊包围体积时进行起网，保证产量的同时可提高渔获品质。

感谢辽宁远洋渔业有限公司“福荣海”轮的杨德军船长、吴卫政委、董永强水手长及各位船员在实验过程中给予的大力配合与帮助；感谢南极海洋生物资源开发利用项目相关科学观察员在获取数据过程中付出的辛勤劳动与努力；感谢课题组在数据处理与论文撰写过程中给予的帮助与建议。