东黄海小黄鱼秋季索饵环境栖息指数的研究

陈红波,李继龙,杨文波,李东颖,王继隆

(1.中国水产科学研究院资源与环境研究中心遥感与地理信息系统重点实验室,北京100141;2.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所,黑龙江哈尔滨150070;3.上海海洋大学海洋科学学院,上海201306)

东黄海小黄鱼秋季索饵环境栖息指数的研究

陈红波1、3,李继龙1,杨文波1,李东颖1、3,王继隆2

(1.中国水产科学研究院资源与环境研究中心遥感与地理信息系统重点实验室,北京100141;2.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所,黑龙江哈尔滨150070;3.上海海洋大学海洋科学学院,上海201306)

通过获取的Modis和SeaWiFS遥感数据,包括2001、2002、2004、2005年东黄海秋季海表水温和叶绿素数据,运用分位数回归方法对环境数据和小黄鱼Larimichthys polyactis的单位捕捞努力量渔获量(CPUE)进行分析,得出小黄鱼最佳栖息地指数(HSI)模型。利用Surfer软件绘制小黄鱼不同年份秋季HSI的分布,得出32°N～33°N、122°30′～123°30′E海域范围内小黄鱼的HSI值较高(HSI＞0.5),比较适合小黄鱼索饵栖息,而在30°N以南、125°E以东海域HSI指数值较低(HSI＜0.5),不太适合其索饵栖息。

小黄鱼;东黄海;索饵洄游;栖息地指数

小黄鱼Larimichthys polyactis属暖温性、底层洄游性鱼类,广泛分布于渤海、黄海和东海以及朝鲜半岛西岸海域,主要分布在28°00′N以北、125° 30′E以西,水深不超过100 m的海区[1-5]。小黄鱼是一种洄游性鱼类,一年四季在产卵场、索饵场和越冬场之间有节律地做季节性洄游。东海北部和黄海南部地处台湾暖流、对马暖流、苏北沿岸流、长江冲淡水以及黄海冷水团的综合作用区域,基础饵料丰富[6],是秋季小黄鱼的主要索饵场[7]。

国内外很多学者利用栖息地指数模型(HSI)对大洋性的金枪鱼类进行了相关研究[8-13]。冯波等[11]和陈新军等[12]分别应用单变量分位数回归和传统栖息地指数建模方法,分析了印度洋大眼金枪鱼的栖息地适宜度,并比较了传统建模方法的预测效果。王家樵等[13]利用分位数回归对印度洋大眼金枪鱼单位捕捞努力量渔获量(CPUE)与各环境要素进行了分析,得出了不同环境要素下大眼金枪鱼的HSI空间分布。但是把栖息地指数模型应用到中国近海鱼类的研究较少。分位数回归是基于最小绝对值偏差(LAD)的原理对方程进行拟合,分位数Q∈[0,1]。用回归变量估计响应变量的不同分位数,可以得出一系列的回归线或者回归平面,它能在一定程度上代表所有数据的信息,但更侧重于特定区域的数据[14]。而传统的最小二乘法(OLS)只能得出一条回归曲线,代表自变量和因变量之间的一般关系。Eastwood等[15]在研究鳎科鱼类与环境之间的关系时发现,使用最小二乘法结果显示数据之间没有相关性,而使用分位数回归可以发现它们之间的关系。因此,用普通最小二乘法回归只能描述自变量对于因变量的局部变化,而用分位数回归更能精确地描述自变量对于因变量的变化范围以及条件分布形状的影响[16],更适合用来分析鱼类栖息地分布和多个环境因子之间的关系。本研究中,作者根据获取的东黄海海表水温和叶绿素的卫星遥感数据,利用分位数回归对东黄海小黄鱼索饵期间的捕捞产量进行栖息地指数模型分析,探讨其索饵洄游分布与环境要素之间的关系,为小黄鱼的分布预测和洄游模型的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

环境数据来自美国NASA的DAAC数据中心和中国水产科学研究院遥感与地理信息系统重点实验室的Aqua卫星的Modis遥感数据接收系统。小黄鱼渔业数据引自东黄海渔业资源调查和监测[1-5],时间段为2001、2002、2004、2005年每年秋季。

1.2 数据处理

1.2.1 数据获取 用SeaDAS 6.0海洋遥感处理软件、ENVI和Hdfview软件提取海洋水温和叶绿素数据。卫星图像的产品都是以hdf格式存储的,通过ENVI和Hdfview软件可以提取hdf格式保存Avhrr水温和SeaWiFS叶绿素数据,水温的分辨率为4 km,叶绿素的分辨率为4 km或9 km。由于渔业数据、遥感数据的时间与空间分辨率不同,本研究中根据渔业数据的调查时间获取相应月份的遥感图像文件,再根据调查位置,通过距离平方倒数加权的方法进行内插,得到该位置的遥感要素值[17]。

1.2.2 HSI模型分析及HSI等值线的绘制 分位数回归模型采用美国地理调查局(USGS)开发的Blossom统计学软件,该软件中提供的最小绝对值偏差(LAD)和分位数回归(QR)可以计算最优HSI模型。利用Surfer 8.0软件对东黄海的小黄鱼索饵期间的HSI分布通过克里格插值方式进行空间显示。

1.2.3 用分位数回归法建立HSI模型 根据Gillis等[18]的研究,把CPUE作为资源丰度指数来建立HSI模型。本研究中通过提取影响小黄鱼秋季索饵分布的水温和叶绿素这两个环境因子,利用分位数回归方法拟合小黄鱼的CPUE和水温、叶绿素及它们的交互作用项数据,得出CPUE的预测模型,并建立HSI模型。HSI的值在0～1变化,并把区间分为0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1.0,4个区间分别表示合适、比较合适、不太合适和不合适[13]。

式中:CPUEij为经度i、纬度j上的渔获率;Cij为渔获量;H为拖网时间;LXSij为水温Tij、叶绿素Chlij的交互作用项Tij×Chlij;CPUE′ij是基于Tij、Chlij和LXSij3个自变量的HSI模型方程的因变量,即预测渔获率值;a、b、c为自变量系数,d为常量;HSIij为标准化之后经度i、纬度j上的栖息地指数;CPUE′ijmax、CPUE′ijmin分别为预测渔获率的最大值和最小值。

模型中选取0.01和0.05、0.10、0.15～0.90、0.95共20个分位数对HSI模型进行计算,用秩检验对不同自变量分别进行显著性检验,依据自变量P值和分位数Q值得出最优HSI模型方程。

2 结果

2.1 HSI模型拟合结果

利用分位数回归对4年的CPUE′和环境要素进行分析,得出HSI模型拟合参数,即分位数Q为0.95时,系数a、b、c、d分别为23.59(P＜0.01)、280.27、-9.16、-549.50。根据求得参数,得出HSI模型拟合方程为

CPUE′=23.59T+280.27Chl-9.16LXS-549.50。

由此可以得出,小黄鱼HSI模型在Q=0.95时拟合程度最好,CPUE′与水温关系极显著,CPUE′与水温呈现强正相关性,CPUE′与叶绿素呈现正相关性,与交互作用项呈负相关性。

2.2 HSI指数分布

由图1可以看出,2001—2002年小黄鱼HSI指数值相对较高的区域(HSI＞0.5)主要分布在长江口渔场与大沙渔场内,在32°N～33°N、122°30′E°～123°30′°E海域范围内HSI＞0.75,适合小黄鱼索饵栖息,这两年的HSI指数最高值点分别位于32°30′N、122°30′E和33°N、122°30′E。2004年的小黄鱼HSI值相对较高区域出现在大沙渔场与舟山渔场内,32°30′N、122°30′E和30°30′N、123°30′E这两个位置的附近海域HSI＞0.75,适合小黄鱼秋季索饵栖息。2005年的小黄鱼HSI指数值相对较高区域(HSI＞0.5)分布在大沙渔场内(32°N～32°30′N,122°30′E～123°E),该海域比较适合小黄鱼索饵栖息。2005年HSI指数最高值点位于32° 30′N、123°E。

3 讨论

3.1 模型中CPUE与水温、叶绿素的相关关系

水温是影响鱼类活动的重要环境因素,对鱼类的产卵、索饵、越冬以及生长等产生影响。叶绿素作为海洋的另一基本环境因素,对鱼类的集群和洄游产生重要影响,尤其是处于索饵阶段的鱼群,水温的变化直接或者间接地影响到浮游植物与浮游动物的变动,从而影响到鱼类的洄游分布。李建生等[19]对2003—2006年东海小黄鱼秋季索饵分布进行研究时发现,小黄鱼主要出现在暖水控制区或暖水区的边缘水域,说明在小黄鱼的适温范围内,其CPUE与水温呈正相关。Dagg[20]研究证实,无论是大型还是小型浮游动物对浮游植物都构成捕食和被捕食的关系。在浮游植物较多的水域,浮游动物饵料相对丰富,这就为浮游动物种群生长创造了重要的条件,形成了浮游动物丰度较高的水域。李建生等[21]对东黄海小黄鱼秋季数量分布与浮游动物的关系研究时发现,小黄鱼的最高生物量分布区出现在大沙和沙外渔场的交界处,该海域及其边缘海域正好是浮游动物外海高密度中心。因此,叶绿素浓度的分布和小黄鱼洄游的分布有着密切关系。叶绿素浓度分布状况间接地反映了饵料生物的分布,叶绿素浓度相对较高的海域,小黄鱼聚集程度高,呈现正相关性。通过分位数回归方法建立了小黄鱼CPUE与水温、叶绿素以及它们相互作用的模型方程,发现仅考虑水温和叶绿素环境条件下,它们都与CPUE呈正相关性。也就是说,在适合小黄鱼索饵的栖息环境内,鱼群主要栖息在暖水控制区和叶绿素浓度相对较高的区域,但如果超出这个适宜范围,可能会出现相反的情况。

图1 不同年份的小黄鱼秋季索饵群体HSI指数分布Fig.1 HSI of feeding migration stock in different years

3.2 HSI指数分布特征

小黄鱼在32°N～33°N、122°30′～123°30′E海域范围内的HSI指数值相对较高,比较适合其秋季索饵,这与长江口渔场、大沙渔场较好的环境条件密不可分。首先是该海域的水温条件适合小黄鱼集群索饵,且该海域有丰富的饵料环境,这也是适合小黄鱼索饵栖息的主要原因。但是,2004年秋季小黄鱼在30°30′N、123°30′E海域附近HSI指数值较高(HSI＞0.5),且这片海域的叶绿素浓度较高,水温也较适宜。这表明小黄鱼除了有相对稳定的索饵场之外,一旦水温与叶绿素等环境因子适合其生存时,也会成为它洄游聚集的区域。另外,小黄鱼在HSI指数相对较低(HSI＜0.5)的舟外、鱼外与温外渔场分布较少。其主要原因可能是海水温度较高,超出了小黄鱼索饵洄游的适应能力。整体看来,4年中HSI高值区域基本都在32°N～33°N、122°30′E～123°30′E海域范围内,可以看出这片海域是最适合小黄鱼秋季索饵的栖息地。以这片海域为HSI指数高值中心向四周递减,且30°N以南、125°E以东海域HSI指数值很低(HSI＜0.5),小黄鱼仅有少量分布,这与对东黄海区小黄鱼渔业资源的调查结果一致[2]。

3.3 不足及建议

HSI指数模型从一定程度上反映了鱼类洄游分布现有的状况,可以用来分析鱼类与环境因子之间的关系,并进行渔情预报,但HSI不能用来表示资源的丰度[12]。因为HSI指数模型中仅考虑了水温、叶绿素及其交互作用的关系,所以模型本身具有一定的缺陷。该模型中有待加入更多物理、化学及气候因素,如盐度、水团、溶解氧、降水和气温等,并结合完整的商业数据来进行分析,以便能更精确地解释小黄鱼索饵分布状况。

本研究中所采用的环境数据全部是卫星遥感数据,该数据具有实时更新且覆盖海域范围广的特点,运用遥感数据对鱼类资源动态进行分析时,将环境数据和鱼类资源分布数据结合起来,可以及时掌握鱼类资源的动态分布,对资源探捕和调查都具有很重要的意义。

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The habitat suitability index of feeding migration stock of small yellow croaker Pseudosciaena polyactis in the East Sea and the Yellow Sea

CHEN Hong-bo1,3,LI Ji-long1,YANG Wen-bo1,LI Dong-ying1,3,WANG Ji-long2
(1.Research Center of Resources and Eco-environment,Key Lab of Remote Sensing and Geographical Information System Techniques,Chinese A-cademy of Fishery Sciences,Beijing 100141,China;2.Heilongjiang River Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Harbin 150070,China;3.College of Marine Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

In this paper,the distribution of sea surface temperature(SST)and chlorophyll concentration were obtained from Modis and SeaWiFS data in the East Sea and the Yellow Sea in 2001,2002,2004,and 2005.These environmental factors and catch per unit effort(CPUE)of small yellow croaker(Pseudosciaena polyactis)were estimated by quantity regression,and then the habitat suitability index(HSI)model was used to analyze the predicted data of small yellow croaker.The results showed that the distribution of feeding migration of small yellow croaker was found.The HSI maps of small yellow croaker were drawn by Surfer software,and showed that the HSI value in the region of 32°N-33°N,122°30′-123°30′E were higher than in other regions,so the region probably was the more suitable habitat of the feeding migration stock.However,HSI value in south of 30°N and east of 125°E were lower than in other regions,indicating that these regions were not suitable for feeding migration stock.

small yellow croaker;the East Sea and the Yellow Sea;feeding migration;HSI

S931

A

2095-1388(2011)04-0348-04

2010-11-02

国家“863”计划项目(2009AA09Z401);中国水产科学研究院院本级基本科研业务费专项资金资助项目(2009C011)

陈红波(1985-),男,硕士研究生。E-mail:0hbchen0@163.com

李继龙,男,研究员。E-mail:lijilong@cafs.ac.cn