上海海洋大学学报  2021, Vol. 30 Issue (5): 847-855    PDF    
浙江近岸海域春夏季剑尖枪乌贼栖息地分布变化规律
陈峰1,2, 李楠1, 方舟1,3,4,5,6, 梁君2, 张洪亮2, 周永东2, 蒋日进2     
1. 上海海洋大学 海洋科学学院, 上海 201306;
2. 浙江省海洋水产研究所, 浙江 舟山 316021;
3. 大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室, 上海 201306;
4. 国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306;
5. 农业农村部大洋渔业开发重点实验室, 上海 201306;
6. 农业农村部大洋渔业资源环境科学观测实验站, 上海 201306
摘要:根据2014-2016年春夏季浙江沿岸海域拖网调查捕获的剑尖枪乌贼样本数据,结合提升回归树方法(boosted regression tree,BRT),确定不同的环境因子权重,利用算术平均法(arithmetic mean model,AMM)和几何平均法(geometric mean model,GMM)构建基于多因子的栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)模型进行分析。结果显示,春季剑尖枪乌贼栖息海域海表面温度(sea surface temperature,SST)、海表面盐度(sea surface salinity,SSS)、叶绿素a质量浓度(chlorophyll-a,Chl.a)和表层溶解氧质量浓度(dissolved oxygen,DO)的适宜范围分别为22~24℃、34~36、0.5~1.5 mg/m3和8~10 mg/L; 而夏季对应的环境因子适宜范围分别为23~24℃、31~34、0.5~1.5 mg/m3和7~11 mg/L,季节差异较小; 提升回归树分析结果表明,SST为环境因子中最重要的因子,其次分别为DO、Chl.a和SSS。剑尖枪乌贼栖息地适宜性指数的时空分布:春季HSI相对较低,且适宜栖息地主要出现在偏南部海域(27°N~29°N); 夏季的HSI相对较高,且在北部海域也发现较高的HSI值(30°N~31°N)。2种算法相比而言,GMM方法有着更低的赤池信息准则值(Akaike information criterion,AIC),因此更为适宜浙江沿岸剑尖枪乌贼的栖息地研究。浙江沿岸的剑尖枪乌贼最适栖息地的分布与海洋环境的变化以及海流等因素有着密切的关系。
关键词浙江沿岸海域    剑尖枪乌贼    栖息地适宜性    算术平均法    几何平均法    

剑尖枪乌贼(Uroteuthis edulis)属枪形目(Teuthoidea)枪乌贼科(Loliginidae)尾枪乌贼属(Uroteuthis),为典型的近海暖温性的浅海种[1],广泛分布于太平洋西部沿岸海域[2-4],其中以东海的资源量最为丰富[5]。该种为洄游性种类,洄游范围通常在东海大陆架海域内[5],目前主要由日本和中国开发利用[6]。近年来相关的资源调查发现,东海海域剑尖枪乌贼资源已经逐渐取代曼氏无针乌贼(Sepiella maindroni),成为该海域新的优势种之一[7]。作为重要的经济性头足类,了解剑尖枪乌贼的栖息地分布特征有助于人们更好地利用该资源,合理进行渔业生产安排。目前栖息地适宜性指数(habitat suitability index, HSI)已被广泛应用于渔业资源评估和渔场渔情预报中[8]。HSI模型的建立可以由一个或者多个环境因子构成,而多环境因子相对能够得到更为准确和全面的结果[8]。在以往的研究中,各环境因子的权重往往由人为设定,具有较大的主观性,各环境因子的实际贡献情况仍不清楚[9]。高峰等[10]采用提升回归树(boosting regression tree,BRT)方法,以海表面温度(sea surface temperature, SST)为主要环境因子,构建了东、黄海鲐鱼(Scomber japonices)渔场预报模型。张云雷等[11]在针对海州湾皮氏叫姑鱼(Johnius belangerii)的栖息地适宜性研究中利用了BRT来量化每个因子的贡献率,取得了较好的结果。因此,本研究根据2014—2016年在浙江沿岸的拖网调查数据,首先依据BRT模型计算出各环境因子的贡献率,采用不同方法建立HSI模型,探讨剑尖枪乌贼栖息地适宜性指数,为合理开发利用和管理该资源提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 调查海域及调查船基本情况

调查海域主要分布于浙江近岸东海海域(27°N~31°N,120°E~124°E),调查时间为2014—2016年3—8月,其中,3—5月为春季,6—8月为夏季。调查设站点分布情况如图 1。调查船为“浙普渔43055”,采用定制的单船底层有翼单囊拖网,网具主尺寸网口周长为58 m,网口宽度为28 m,囊网网目尺寸为25 mm。为了保证调查的可靠性和网具的可操作性,所有调查均在白天进行[12]

图 1 浙江近岸渔业资源调查站点示意图 Fig. 1 Sampling stations of fisheries resource survey along the coast of Zhejiang Province
1.2 调查数据及环境因子选取

(1) 单位时间渔获率计算。所获得的渔获物首先进行分类,打包装箱运回实验室,然后挑选出剑尖枪乌贼,统计其体质量和尾数。为确保数据的可分析和对比性,本研究采用单位时间的渔获尾数(尾/h)量化剑尖枪乌贼资源丰度[11]

(2) 环境因子的筛选。调查期间,在放网处(水深0~10 m)均使用日本川铁JFE便携水质分析仪(AAQ-RINKO)采集实时海洋环境数据。目标物种剑尖枪乌贼是中上层渔业物种,与表层环境因子关系密切,因此选取SST、海表面盐度(sea surface salinity,SSS)、叶绿素a质量浓度(chlorophyll-a,Chl.a)和表层溶解氧质量浓度(dissolved oxygen,DO)等4个因子为主要环境因子。

1.3 栖息地指数模型的建立

建立栖息地指数模型第一步需要计算单因子适宜性指数(suitability index,SI),采用单位面积的渔获尾数(尾/km2)进行计算。然后利用平滑函数拟合环境因子与SI的关系,其取值范围为0~1:当SI为1时,表示在某个环境因子下出现的最高单位面积渔获尾数;当SI为0时,表示某个环境因子下的单位面积渔获尾数为0。一般认为,当SI大于0.7时,所对应的环境因子是最适宜的栖息环境数值[11]。SI计算公式如下:

    (1)

式中:ISI为单因子适宜性指数SI;为经平滑回归后的单位面积渔获尾数, 尾/km2maxmin为调查中实际单位面积渔获尾数的最大值和最小值, 尾/km2

HSI往往由多个SI综合计算得出,采用常用的算术平均法(arithmetic mean model,AMM)和几何平均法(geometric mean model,GMM)计算HSI。具体计算如下[13-14]方法:

    (2)
    (3)

式中:IHSI为栖息地适宜性指数; ISI-i为环境因子i的SI值; wi为环境因子i所赋予的权重; n为环境因子的个数。

各因子的权重wi主要根据BRT模型进行计算,该模型主要通过组合大量简单的决策树进行优化,决策树学习的过程主要运用逐步迭代法调试其中的3项参数:装袋分数(bagging fraction)、学习率(learning rate,lr)和树的复杂度(tree complexity,tc),最终根据预测过程和预测偏差来决定参数[15-17],具体运算方法参考文献[10]。

1.4 模型验证与HSI分布规律

HSI模型的预测性能采用交叉验证(cross-validation)法进行评估。数据进行随机选取,其中,70%用于建模,30%进行检验,并重复进行100次[11, 18]。使用赤池信息准则(Akaike information criterion,AIC)对基于2种算法(AMM和GMM)的HSI模型进行性能评估。

上述分析使用Excel 2016和R gui 3.2.3软件进行分析,其中BRT使用“gbm”包。

2 结果 2.1 各环境因子的适宜性曲线

春季剑尖枪乌贼的栖息SST范围为12~24 ℃,SSS为25~35,约80%站点的Chl.a小于4 mg/m3,DO为8~14 mg/L(图 2)。根据适宜性指数范围(SI>0.7)来看,春季剑尖枪乌贼的适宜SST范围在大于20.5 ℃的范围内,主要集中在22~24 ℃;SSS的最适宜范围较小,主要集中在34~36;Chl.a的最适宜范围在3.9 mg/m3以内,而DO的最适宜范围为8~10 mg/L(图 2)。

虚线为SI对应0.7的标注。 Dotted line represents SI equals 0.7. 图 2 浙江沿岸海域春季剑尖枪乌贼对环境因子的适应性指数曲线 Fig. 2 Suitability index curves of environmental factors for Uroteuthis edulis during spring along the coast of Zhejiang Province

夏季剑尖枪乌贼的栖息SST范围为22~30 ℃,SSS范围为22~34,Chl.a仍主要分布在 < 4 mg/m3, DO范围为6~14 mg/L(图 3)。适宜性指数范围(SI>0.7): 剑尖枪乌贼的适宜SST范围在主要集中在23~24 ℃;SSS的最适宜范围较小,主要集中在31~34;Chl.a的最适宜范围基本为1~2 mg/m3; DO的最适宜范围为7~11 mg/L。见图 3

虚线为SI对应0.7的标注。 Dotted line represents SI equals 0.7. 图 3 浙江沿岸海域夏季剑尖枪乌贼对环境因子的适应性指数曲线 Fig. 3 Suitability index curves of environmental factors for Uroteuthis edulis during summer along the coast of Zhejiang Province
2.2 基于BRT的各环境变量权重

选择不同的学习率(lr)和复杂度(tc)进行模拟分析。依据预测过程和预测偏差结果,本研究选择lr为0.001和tc为4作为模型的参数进行后续分析。根据上述参数所得到的BRT结果可以发现:春季相对贡献率最高的环境因子为SST(占总体的63.23%),其次为DO(占总体的31.77%),剩余的为Chl.a和SSS(分别为4.43%和0.57%),见图 4a;夏季相对贡献率最高的环境因子仍为SST(占总体的69.51%),其次仍为DO(占总体的24.67%),剩余的为Chl.a和SSS(分别为5.16%和0.64%),见图 4b

图 4 基于BRT结果的不同环境因子的相对贡献率 Fig. 4 Relative contribution of different environmental factors based on the BRT
2.3 剑尖枪乌贼的栖息地适宜性指数的时空分布

根据上述环境因子贡献率,利用AMM和GMM方法建立栖息地模型。栖息地季节性分布(图 5):春季HSI相对较低,利用不同方法计算的HSI低于0.3的比例分别为76.39%(AMM)和83.33%(GMM);夏季的HSI相对较高,夏季HSI超过0.3的比例分别为100%(AMM)和79.66%(GMM)。

图 5 不同方法计算不同季节栖息地适宜指数比例 Fig. 5 Habitat suitability index for different seasons based on different methods

不同季节栖息地适宜性指数分布情况(图 6):春季各个海域栖息地适宜性指数较高(HSI≥0.7)的比例相对较低,AMM法计算的结果仅在27°N~27.5°N有出现极少范围HSI≥0.7,其他海域均无出现较高的栖息地适宜性指数分布,而GMM法的计算结果则全为0,代表各海域均不存在最适栖息地,而实际调查中捕获的渔获量也较少,均 < 5尾/h;夏季的适宜栖息地海域范围相对较大,基于AMM法计算的结果认为,HSI≥0.7主要分布范围为28°N~31°N, 122°E~124°E海域,并靠近沿岸,而基于GMM法计算的结果HSI≥0.7的分布范围相对较小,主要分布范围为30°N~30.5°N, 123°E~123.5°E海域;所对应的实际调查在偏北海域,即在29°N以北海域相对较高(表 1)。总体来说,最适栖息地范围呈现出夏季高、春季低的特点。对比不同的计算方法来看,AMM法计算的最适栖息地范围明显大于GMM法,而在基于GMM的计算结果中,许多海域均出现了不存在最适宜栖息地的情况(即没有HSI≥0.7的海域存在),见图 6

图 6 不同方法计算不同季节剑尖枪乌贼栖息地适宜指数(HSI)分布图 Fig. 6 Distribution of HSI for Uroteuthis edulis in different seasons based on different methods
2.4 模型的比较验证

根据AMM与GMM模型的交叉验证比较结果发现,无论哪个季节,用GMM法建立的模型相较于用AMM法所建模型的AIC值更低(春季:AICAMM=56.236,AICGMM=54.189;夏季:AICAMM=57.387,AICGMM=56.781),因此GMM法更为适宜浙江沿岸剑尖枪乌贼的栖息地研究。

3 讨论 3.1 剑尖枪乌贼栖息地的影响因素

浙江沿岸头足类资源以经济型枪乌贼类为主,剑尖枪乌贼为其中重要种类之一[19-20]。对于中上层渔业物种来说,表层水温是影响其生活史各个阶段的主要影响因素[21]。目前已有针对大量的渔业物种进行研究,均发现表层水温是最主要的影响因子,因此均以表层水温为主要环境因子构建栖息地模型[13-14, 22-23]。本研究根据BRT模型分析发现,对浙江沿岸海域剑尖枪乌贼栖息地影响最大的环境因素为海表面温度,其次为表层溶解氧,两者贡献率达到95%,而剩余的表层盐度和叶绿素a质量浓度贡献率仅为5%。剑尖枪乌贼的栖息环境主要受到黑潮主干及其分支等海流的影响,因此栖息海域温度相对较高,属于暖水性物种[5]。相关研究认为,浙江沿岸海域剑尖枪乌贼在不同的季节对海洋环境的变化有着不同的适应性,春季CPUE较高的海域表层水温范围为22~24 ℃[24],夏季则为24~28 ℃[25],本研究中SST适宜性指数的峰值正好印证了该研究结果(图 23)。值得注意的是,表层溶解氧在几种环境因子中的影响占比超过了30%(图 4)。目前由于实测数据的缺乏,溶解氧对渔业物种分布的影响研究较少。陈峰等[26]针对浙江北部沿岸长蛸(Octopus minor)的分布与环境间的关系来看,认为长蛸的适宜溶解氧范围为4~7 mg/L,6~7 mg/L最适宜。而本研究中,剑尖枪乌贼的最适宜溶解氧范围为7~11 mg/L,范围更大,这可能与表层溶解氧相对较高有关。头足类的所有活动均需要消耗大量氧气,溶解氧含量不适宜,都会直接影响到个体的活动[27],因此在后续研究中应该对该环境因子加以关注。同时,浙江沿岸海域有着较高的初级生产力,因此叶绿素a质量浓度对剑尖枪乌贼的影响并不大,同时剑尖枪乌贼对栖息环境的盐度要求较高,主要集中栖息于盐度为33.5~34.6的环境中[28],因此本研究虽然盐度的范围较大,但是适宜范围非常集中,影响程度因而大大减少。

3.2 剑尖枪乌贼栖息地的分布特征

剑尖枪乌贼主要分布在25.5°N ~29.0°N,121.2°E ~126.0°E水深100~200 m的东海中南部海域,分布相对较为靠近海岸。随着个体的增长,主要向东北方向洄游至对马海峡和日本海进行索饵洄游[29]。本研究的调查范围包含了整个浙江省沿岸海域,虽然在29°N地区也有剑尖枪乌贼捕获,但在浙江北部海域(30°N~31°N),由于靠近长江口,盐度变化范围较大,因此该海域并不适宜剑尖枪乌贼所栖息(适宜盐度在32~34[1, 28]),因此剑尖枪乌贼的主要栖息范围仍在27°N~29°N靠近沿岸的海域(表 1)。作为一种沿岸暖水性种类,剑尖枪乌贼在30°N左右的适宜水温为22~24 ℃,而在28°N以南海域,适宜水温为26~29 ℃[29]。因此,本研究结果与前人的研究结果一致。东海北部的冷水、台湾暖流以及黑潮主干的延伸或退缩是影响剑尖枪乌贼渔场的主要因素[29]。当台湾暖流的势力较强时,暖水舌会向北延伸,压缩北部冷水的范围,因此渔场会向北延伸,而台湾暖流势力较弱时,北部冷水舌向南延伸,渔场整体会南移。由于2015年受到极端厄尔尼诺事件的影响[30],我国沿岸总体海表温较往年偏高,因此渔场整体稍往北移。

从不同的季节来看,剑尖枪乌贼的栖息范围也有所不同。从最适宜栖息地(HSI≥0.7)比例来看,春季的适宜栖息比例较低,而夏季相对较高。从分布海域来看,春季最适栖息地范围较小,主要分布于28°N ~29°N和121°E ~122°E范围内,而在30°N ~31°N和123°E ~124°E海域内则不存在最适栖息地(表 1);夏季剑尖枪乌贼的适宜栖息地范围有所扩大,最适栖息地范围比例明显增大,同时在浙北海域(29°N ~31°N)的适宜栖息地明显增多,在30°N ~31°N海域的比例占到八成以上。剑尖枪乌贼的分布往往聚集于冷暖水交汇处靠近暖水团的一侧,因此在春季,表层水温相对较低,主要分布在温度较高的南部海域(27°N ~29°N);而在夏季,表层水温逐渐升高,因此分布相对北移(30°N ~31°N)。这种季节性的变化规律在许多鱼类的栖息地分布中有所体现[31-32]。同时,这种栖息地动态性变化也为相关资源保护的政策制定提供了新的思路。

3.3 剑尖枪乌贼栖息地模型的构建

目前已有很多针对头足类的适宜栖息地研究[31, 33],但在大多数研究中环境因子的选取基本仍然是基于单一因子,即使利用多环境因子时往往将各环境因子的权重同等看待。不同环境因子对头足类分布的影响不同,并不一定是等权重的。因此,准确地研究各环境因子在头足类分布中所呈现的权重对构建栖息地模型有着积极的意义。提升回归树模型(BRT)具有较高的预测精度,拟合情况也相对较好,目前已经大量应用于相关研究的建模中,进一步突显其优势[10-11, 34]。建模方法的选择中,算术平均法(AMM)和几何平均法(GMM)是计算栖息地指数的2种常用方法。本研究基于赤池信息准则(AIC)认为GMM为更适宜剑尖枪乌贼栖息地模型构建的方法。然而相同的方法对不同种类的生物建模并非一成不变,王震等[8]研究不同的栖息地适宜性指数模型认为,几何平均法考虑了单因素SI值中极值对模型的影响,因此估算效果明显要低于算术平均法,同时所估算的参数越少越好。2种方法各有优缺点,在后续的分析中应该更注意建模过程中的特定条件,选择合适的建模方法。

本文根据2014—2016年春夏季浙江沿岸剑尖枪乌贼调查数据,选取4个环境因子,以提升回归树方法设定因子权重,并利用栖息地指数模型估算不同季节剑尖枪乌贼的栖息地分布情况,为后续剑尖枪乌贼的资源开发利用和保护区的设定用提供了的依据。后续的研究应当更多地考虑环境变化对剑尖枪乌贼栖息地的影响,分析在极端气候条件下物种的栖息地变化规律[35],为科学合理地利用安排渔业生产提供技术支持。

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Habitat distribution change pattern of Uroteuthis edulis during spring and summer in the coastal waters of Zhejiang Province
CHEN Feng1,2, LI Nan1, FANG Zhou1,3,4,5,6, LIANG Jun2, ZHANG Hongliang2, ZHOU Yongdong2, JIANG Rijin2     
1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Marine Fisheries Research Institute of Zhejiang Province, Zhoushan 316021, Zhejiang, China;
3. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education, Shanghai 201306, China;
4. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries, Shanghai 201306, China;
5. Key Laboratory of Oceanic Fisheries Exploration, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai 201306, China;
6. Scientific Observing and Experimental Station of Oceanic Fishery Resources, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shanghai 201306, China
Abstract: According to the coastal survey of Zhejiang Province from 2014 to 2016, the Uroteuthis edulis was selected as target species, using boosted regression tree(BRT) to determine the weight of different environmental factors, and also utilize the arithmetic mean model (AMM) and geometric mean model (GMM) to construct the multifactor habitat suitability index (HSI) model. The results showed that the suitable range of sea surface temperature (SST), sea surface salinity (SSS), chlorophyll-a (Chl.a) and dissolved oxygen (DO) in spring for U. edulis habitat area was 22-24℃, 34-36, 0.5-1.5 mg/m3, 8-10 mg/L, respectively; the suitable range of SST, SSS, Chl.a and DO in summer for U. edulis was 23-24℃, 31-34, 0.5-1.5 mg/m3 and 7-11 mg/L, respectively, little seasonal variation was observed; the results of BRT showed that SST was the most important environmental factor, and the other factors ranked as DO, Chl.a and DO, respectively. The spatiotemporal distribution U.edulis is: HSI in spring is relatively low, and occurred in the southern area (27°N-29°N); in summer, HSI is relatively high and often occurred in the northern area (30°N -31°N). Compared with two different algorithms, GMM had lower AIC value than that of AMM, so GMM is more suitable for the habitat suitability study of U. edulis. The optimal habitat distribution of U. edulis in the coast of Zhejiang Province is closely related with some factors, such as the oceanographic variation and current change.
Key words: coast of Zhejiang     Uroteuthis edulis     habitat suitability     AMM     GMM