西北太平洋柔鱼渔场非参数栖息地适宜性指数模型

【目的】建立西北太平洋柔鱼(Ommastrephes bartramii)渔场非参数的栖息地适宜性指数(HSI,habitat suitability index)模型,为提高柔鱼渔场预报精度提供参考。【方法】利用西北太平洋海域的柔鱼生产数据和海表温度、叶绿素a浓度、表温梯度强度以及水深100 m的Argo浮标水温等海洋环境因子的适宜度指数值(SI,suitability index),使用随机分类粒子算法,构建非参数的栖息地适宜性指数模型,估算西北太平洋柔鱼渔场各环境因子在不同月份中适宜度指数系数的空间分布。【结果】随着空间位置不同,各月份不同环境因子适宜度指数系数分布具有较大差异,其中SST的SI系数的高值区大面积出现在11月份,叶绿素浓度SI系数的高值区出现8月份南部渔场和10月份北部渔场,次表层(100 m)温度的高值SI系数在7-9月份均有较大面积分布,而Grad的SI系数在整个渔汛期均处于较低水平。基于该模型,本研究对2014年7-11月渔获产量进行预报检验,预报结果与实际渔场在空间分布一致,曲线下面积(AUC,Area Under Curve)月平均为0.791,高于算术平均HSI(arithmetic mean HSI,AM HSI)模型。【结论】非参数的HSI模型的渔场预报能力在一定程度上优于AM HSI模型。

栖息地适宜性指数模型在鱼类生境评价中的应用进展

栖息地适宜性指数模型是目前鱼类生境评价中常用的评价方法。从环境因子的选取和敏感性、因子时空尺度、单因子评价、组合算法等几个主要环节对栖息地适宜性指数模型在鱼类生境评价的应用现状进行总结,并对模型在河口、湖泊、海洋等不同水生环境中对鱼类生境评价的应用加以概述。同时,通过指出栖息地适宜性指数模型现阶段应用时需注意的问题,为该模型今后的发展和应用提供参考。

应用栖息地适宜性指数研究海州湾小黄鱼的空间分布特征

为研究海州湾小黄鱼(Larimichthys polyactis)的空间分布特征。于2011、2013及2014年的春、秋两季在海州湾进行了渔业资源与栖息环境综合调查,根据调查结果和同步采集的底层水温、底层盐度及水深数据,构建了海州湾小黄鱼的栖息地适宜性指数(Habitat suitability index,HSI)模型,利用赤池信息量准则值(Akaike information criterion,AIC)检验算术平均法(AM)和几何平均法(GM)的拟合度,对模型输出结果进行分析和比较。研究表明:除秋季的水深外,其余各环境因子与适宜性指数间均呈现明显的正态或偏正态关系。通过AIC检验发现,春季用几何平均法拟合栖息地适宜性指数的效果较好,而秋季用算术平均法拟合的效果较好。小黄鱼的最适栖息地存在明显的年间变化和季节变化,春季HSI高值区域多集中于34.7°N,120.2°E附近海域;秋季HSI高值中心位于34.5°N^34.7°N,120.0°E^120.2°E附近海域。研究结果表明,栖息地适宜性指数模型能够较好地反映海州湾小黄鱼栖息地的分布和变化情况,在单因素SI极小值出现频率较高的情况下,算术平均法要优于几何平均法。

基于栖息地适宜度指数模型的刺参环境适宜性初步研究

为了评价刺参Apostichopus japonicus生存环境的适宜度,基于动物栖息地适宜度指数(Habitat suitability index,HSI)模型,对刺参的环境适宜性进行了研究。选取温度、盐度、溶解氧、底质环境类型和底质砂砾含量作为影响刺参适应性的环境因子,根据经验赋值法和数理统计方法,绘制了大长山海域刺参各影响因子的适宜性指数(Suitability index,SI)曲线图,并利用几何平均法综合估算HSI值。结果表明:2013—2014年7个航次调查的HSI平均值分别为0.66、0.59、0.67、0.46、0.66、0.65、0.65,冬季的适宜度(HSI=0.46)明显低于其他季节,而春季(HSI=0.66)及秋季(HSI=0.67,HSI=0.65)的适宜度相对较高;同一航次中(以2014年11月为例),7个站位的HSI值分别为0.66、0.67、0.65、0.62、0.63、0.62、0.67,其中DCS01、DCS02和DCS07站位的适宜度较高。研究表明,春季及秋季在DCS01、DCS02和DCS07站位进行刺参苗种底播,刺参的成活率和生长情况可能更好。

长江口中华鲟幼鲟栖息地适宜性评价

对影响长江口中华鲟幼鲟的各种生态因子进行统计,分析整理出其栖息选择的浮游动物、底栖生物、温度和盐度4个关键指标,确定了其阈值和最适范围,采用栖息地适宜性指数法(HS)I进行定量评价。以2004-2010年长江口崇明东滩插网监测的中华鲟幼鱼数据、水质、生物数据进行了适宜性指数法模型的验证,最后结合2006年夏季上海市近岸水体调查数据,运用GIS空间分析的技术手段,对适宜性指数法评价结果进行了分析。结果表明,最适宜栖息地(0.75≤HSI<1)面积为142 km2,占评价范围的2.2%;适宜(0.5≤HSI<0.75)面积为1 322 km2,占20.5%;一般适宜(0.25≤HSI<0.5)面积为2 098 km2,占32.5%;不适宜(0≤HSI<0.25)面积为2 884 km2,占44.8%。为中华鲟物种保护空缺(GAP)寻找和保护区建设提供参考。

海州湾春季皮氏叫姑鱼栖息地适宜性研究

根据2011年及2013—2015年春季在海州湾及其邻近海域进行的底拖网调查数据,结合同步采集的底层水温、底层盐度、水深以及资源密度等数据,开展皮氏叫姑鱼(Johnius belangerii)栖息地适宜性的相关研究。利用提升回归树(boosted regression tree,BRT)模型确定各环境因子的权重,分别采用算术平均法(AMM)和几何平均法(GMM)建立栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)模型,并通过交叉验证确定最优模型。结果表明,皮氏叫姑鱼幼体最适栖息的底层水温为17.4~18.0℃,底层盐度为29.2~30.8,水深为7m以浅;成体最适栖息的底层水温为17.3~18.0℃,底层盐度为28.8~30.8,水深为12m以浅。根据BRT模型的输出结果显示,对皮氏叫姑鱼幼体总偏差贡献率最大的是水深,其次是底层盐度和底层水温;对成体总偏差贡献率最大的是底层水温,其次是水深和底层盐度。通过交叉验证发现,无论幼体还是成体,运用GMM算法,且赋予权重的HSI模型具有较低的赤池信息准则值(akaike information criterion,AIC)。海州湾春季皮氏叫姑鱼的最适栖息地随生长阶段而变化,幼体的最适栖息地(HSI≥0.7)主要分布在7m等深线以浅的山东、江苏沿岸海域;成体的最适栖息主要分布于12m等深线以浅的海域。海州湾春季皮氏叫姑鱼幼体和成体最适栖息地的空间分布与其自身的生态习性、外界环境因子以及黄海冷水团、近岸沿岸流等因素密切相关。

珠江河口凤鲚的栖息地适宜性评价

探究珠江河口洄游性鱼类凤鲚(Coilia mystus)的生境适宜度,可为其渔业资源保护和利用提供科学依据。根据2019年冬季和2020年夏季在珠江河口进行的底拖网调查数据,选取水深、底层盐度、底层水温、底层溶解氧等作为指示因子,利用层次分析法(Analytic hierarchy process, AHP)计算各指示因子的权重,采用算数平均法(Arithmetic Mean Model, AMM)和几何平均法(Geometric Mean Model, GMM)计算栖息地适宜度指数(Habitat Suitability Index, HSI),验证发现基于GMM且赋予权重的HSI模型精确度较高,能较好地反映珠江河口凤鲚的栖息地分布。最优模型结果显示,珠江河口冬季和夏季凤鲚适宜的底层盐度分别为21.03‰~30.55‰和20.25‰~25.82‰,溶解氧质量浓度分别为6.79~7.28和3.85~4.01 mg·L^(-1),水深分别为11.69~20.10和7.80~9.23 m,底层水温分别为19.84~19.95和28.36~29.44℃。珠江河口凤鲚HSI大于0.5的站点仅占总调查站点的17.39%,表明其栖息地适宜性较低,目前珠江河口适宜凤鲚的栖息地主要位于内伶仃海域的中华白海豚自然保护区。

水库调节对下游鱼类栖息地适宜性的影响

水库运行引发的天然径流情势改变会对下游河道水生生物栖息地产生显著影响.以海南省万泉河流域牛路岭水库下游加积至河口河段为对象,选择区域内的典型经济鱼类(草鱼、鲢鱼、鳙鱼)作为目标物种,针对鱼类整个生命周期(洄游、产卵、幼鱼、成鱼)构建栖息地适宜性模型,耦合区域内的平面二维水动力模拟,计算并分析水库调节对目标物种不同生命阶段栖息地适宜性的影响特性.结果表明:水库现有运行方案对目标物种洄游较有利,对成鱼生长影响不大,但却显著削减了年内整体的产卵适宜面积,并使得大范围的幼鱼适宜栖息地消失.

金沙江旭龙水电站鱼类栖息地适宜性评价

评估栖息地适宜性等级,提出针对性的栖息地保护与修复措施,为梯级水电开发影响下的鱼类栖息地保护范围筛选提供参考。为筛选金沙江上游旭龙江段鱼类栖息地保护支流,从替代适宜性和保护适宜性2个角度构建了鱼类栖息地适宜性评价指标体系,选取11个与栖息地质量密切相关的评价指标,应用层次分析法确定评价指标的权重值,计算3条主要支流的栖息地适宜性指数(HSI),并划分栖息地适宜性等级。结果表明:重点保护鱼类物种相似性、纵向连通性指数、特有鱼类物种相似性3项指标的权重值位列前3位,分别为0.234、0.234、0.127;定曲、麦曲河、丹达曲的HSI分别为82.1、67.4和65.1,定曲适宜性等级最高为“高度适宜”,麦曲河、丹达曲适宜性等级为“适宜”。针对当前定曲鱼类生境存在的问题,拟定了补建过鱼设施、开展受损河道生境修复、实施生态调度以及加强水污染监管等对策措施。

海州湾鹰爪虾栖息地适宜性研究

根据2011年及2013-2017年春季和秋季在海州湾进行的底拖网调查数据,结合同步测定的底层水温、底层盐度、水深和资源量等数据,开展鹰爪虾(Trachypenaeus curvirostris)栖息地适宜性的研究,先利用广义加性模型对环境因子进行筛选,再应用提升回归树模型确定各环境因子的权重,然后分别采用算术平均法和几何平均法建立栖息地适宜性指数模型,并通过交叉验证选择最优模型。结果表明:春季鹰爪虾的栖息地适宜性指数模型采用算术平均法构建,选择水深和底层盐度作为变量,具有最小的拟合;秋季鹰爪虾的栖息地适宜性指数模型采用几何平均法构建,选择底层水温和底层盐度作为变量,具有最小的拟合。对春季栖息地适宜性指数模型总偏差贡献率最大的是水深(76.23%),其次是底层盐度(23.77%);对秋季栖息地适宜性指数模型总偏差贡献率最大的是底层水温(82.56%),其次是底层盐度(17.44%)。海州湾春季鹰爪虾的最适栖息水深为24 m以内,底层盐度为29.7~31.8;秋季的最适栖息底层水温为18~24℃,底层盐度为29.2~31.5。本研究表明,环境因子的优化有助于改进栖息地适宜性指数模型,并提升其预测能力。

生物和非生物因子对秋季海州湾长蛇鲻栖息地适宜性的影响

根据2011年和2013-2018年秋季在海州湾及邻近海域进行的底拖网调查数据,结合同步采集的底层水温、底层盐度、水深、资源密度、饵料生物等生物和非生物因子数据,开展长蛇鲻(Saurida elongata)栖息地适宜性的相关研究。利用提升回归树(Boosted Regression Tree,BRT)模型确定各环境因子的权重,分别采用算术平均法和几何平均法建立栖息地适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)模型,并通过交叉验证确定最优模型。结果表明:海州湾长蛇鲻在秋季最适宜栖息的底层水温范围为17.5~18℃,最适底层盐度范围为31.3~32.0,最适水深范围为24~37 m;选择其3种主要饵料生物作为生物因子,即枪乌贼(Loligospp.)、戴氏赤虾(Metapenaeopsis dalei)和六丝钝尾鰕虎鱼(Amblychaeturichthys hexanema),与底层水温、底层盐度和水深共同作为影响因子建立HSI模型。结果显示,对长蛇鲻空间分布总偏差贡献率最高的是饵料因子,其次是水深和底层水温。通过交叉验证发现,运用算术平均算法,且赋予权重的HSI模型具有较低的赤池信息准则值(Akaike Information Criterion,AIC)。研究发现,海州湾秋季长蛇鲻的最适栖息地(HSI≥0.7)主要分布在34.5°~36°N,119°~121°E之间,其中35°~36°N海域的最适栖息地分布范围大,而且从近岸至远海,HSI指数有增加的趋势。

基于优化模型的莱州湾三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)栖息地适宜性研究

三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)是莱州湾最重要的经济蟹类,其资源丰度受栖息环境影响显著,为了解不同的环境因子对其栖息地分布的影响,根据2010~2020年夏季底拖网调查数据,研究莱州湾三疣梭子蟹栖息地适宜性及其影响因子。利用广义可加模型(generalized additive models,GAM)选取变量因子,通过提升回归树模型(boosting regression tree,BRT)对因子进行权重分析,构建了4种栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)模型,并通过实测值和预测值的Pearson检验,对模型比较和验证。结果表明,GAM和BRT优化的HSI模型好于其他3种模型(未优化模型,GAM优化HSI模型,BRT优化HSI模型),以生物量表征资源丰度的模型好于尾数表征资源丰度的模型,算术平均法构建的HSI模型的整体预测准确率和相关系数高于几何平均法,对莱州湾三疣梭子蟹栖息地有较强的预测能力。底层水温、底层盐度和水深对三疣梭子蟹栖息地影响较大,夏季栖息地适宜性较高的海域(HSI>0.7)主要分布在莱州湾南部、东南部和东北部海域,中部和西南部海域分布较少。研究结果为莱州湾三疣梭子蟹增殖放流工作提供了科学依据。

基于栖息地指数的西北太平洋日本鲭渔情预报模型构建

根据2014−2017年5−11月西北太平洋公海灯光围网日本鲭(Scomber japonicus)生产数据,结合同期的环境遥感数据,分别基于捕捞量和作业次数,构建日本鲭栖息地适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)模型。选取海表水温、海面高度异常和叶绿素a浓度,采用一元指数回归拟合,建立各个环境变量的适应性指数模型,并利用线性规划方法确定各环境因子的权重,从而提高日本鲭HSI模型对渔场的预报精度。利用2018年5−11月的实际捕捞数据对模型进行预报准确率验证,在基于渔获量和作业次数构建的HSI模型中,HSI大于0.7的海域,渔获量平均占比分别为77.29%、76.79%,这表明基于不同权重环境因子的HSI模型能够较好地预测西北太平洋公海日本鲭中心渔场。

东海北部和黄海南部细纹狮子鱼栖息地分布的季节变化

为了解细纹狮子鱼(Liparis tanakae)的生态学特征,根据2018—2019年4个季节在东海北部和黄海南部进行的渔业资源调查资料,利用同步采集的表层水温(SST)、表层盐度(SSS)、底层水温(SBT)、底层盐度(SBS)和水深等5个环境因子以及资源密度数据,开展了细纹狮子鱼栖息地适宜性的季节变化研究。利用提升回归树(boosted regression tree,BRT)模型确定各环境因子的权重,分别采用算术平均法(AMM)和几何平均法(GMM)建立各季节的栖息地适宜性指数模型,并通过交叉验证确定最优模型。结果表明:春夏秋3个季节,对细纹狮子鱼适宜栖息地影响最大的环境因子是底层水温,贡献率分别为84.05%、54.60%和60.74%;冬季影响最大的环境因子是表层水温,贡献率为34.71%。春季,细纹狮子鱼最适栖息底层水温9.60~11.37℃;夏季,最适栖息底层水温7.64~10.46℃;秋季,最适栖息底层水温8.92~9.92℃;冬季,最适栖息表层水温9.82~12.34℃。根据交叉验证评估结果,春季和夏季选取AMM算法、秋季和冬季选取GMM算法且赋予权重的HSI模型研究其栖息地适宜性。细纹狮子鱼的最适栖息地(HSI≥0.7)随季节表现出一定的变化,春夏秋3个季节面积较小,占研究海域面积的13.43%~23.53%,主要栖息地位于受黄海冷水团控制的南黄海中央深水海域;冬季,最适栖息地相对其他季节明显扩大,占研究海域面积的45.31%,从黄海南部向东海北部延伸,南端达长江口近海。

栖息地适宜性指数在渔业科学中的应用进展

栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)于20世纪80年代提出之后,在渔业资源开发、管理、评估及保护等领域中得到广泛应用,已成为渔业科学研究的重要手段之一。简要概述了国内外HSI研究现状、理论和方法,以及应用现状和存在问题。并概括提出HSI研究和应用过程中,要充分考虑的问题有:(1)充分了解研究对象生活史过程及其生物学特性和所处的环境;(2)针对不同生长阶段和外部环境,选择合适的环境因子;(3)开展数据源合适时空标准的研究,建立环境因子等数据的规范;(4)根据历史资料和专家知识赋予各因子的合适权重;(5)针对不同目标(保护区、中心渔场、生物量估算等),来选择备选的HSI模型;(6)通过各种模型的比较分析,选择合适的HSI模型;(7)利用实测数据和最新资料,对模型进行不断改进与修正,以提高模型的精度。

基于HSI的黄河口近岸海域鮻鱼卵、仔稚鱼栖息地适宜性研究

本文根据2020年4月-5月在黄河口近岸海域水平拖网调查获得的鱼卵、仔稚鱼数据,结合同步采集的水深、盐度、叶绿素浓度、溶解氧浓度以及基于遥感数据的水温和离岸距离等因子,开展了黄河口近岸海域鮻(Liza haematocheila)鱼卵、仔稚鱼的栖息地适宜性研究。本研究利用广义可加模型(generalized additive model,GAM)筛选环境因子并确定各因子权重,采用加权平均法建立栖息地适宜性指数(habitat suitability index,HSI)模型。结果表明,海表温度、叶绿素浓度、海表盐度和水深为鮻鱼卵、仔稚鱼分布的关键影响因子,HSI模型中的权重分别为0.6838、0.2043、0.0754、0.0365。4月和5月,最适栖息地的空间分布明显不同,4月,最适栖息地分布在莱州湾,其次为黄河入海口附近及入海口北部的分散区域;5月,最适栖息地则主要分布在入海口周边水域,莱州湾的适宜性降低,适宜栖息地的面积大幅度减少。黄河口近岸海域鮻鱼卵、仔稚鱼最适栖息地的空间分布与其发育阶段、生态习性以及外界环境因子等密切相关。本研究为鮻栖息地保护和资源养护提供了基础数据。

应用栖息地适宜性指数研究温台渔场小黄鱼的空间分布特征

根据2015-2016年春、夏、秋、冬4个季节在温台渔场开展的渔业资源与栖息环境综合调查采集的生产数据,采用正态分布函数分别构建海水底层温度(sea bottom temperature, SBT)、海水底层盐度(sea bottom salinity, SBS)和水深(depth)与相对资源密度的适宜性指数(suitability index, SI),利用最小二乘法进行参数求解,利用提升回归树(boosted regression tree, BRT)模型确定各环境因子的权重,采用基于不同权重的算术平均法(arithmetic weighted model, AWM)建立栖息地适宜性指数(habitat suitability index, HSI)模型,并通过交叉验证检验模型精度。研究发现:各环境因子与SI间均呈现明显的正态关系;小黄鱼的最适栖息地存在明显的季节性变化,全年HSI高值区出现在春季和夏季,其次为秋季和冬季,春季高值区位于122°30′E以东,28°30′N以北海域,夏季高值区呈带状南下,秋季高值区位于122°00′E,28°00′N附近海域,冬季高值区北上,位于123°00′E,29°00′N附近海域。研究结果表明:在HSI模型中考虑权重后,该模型能够较好地反映温台渔场小黄鱼栖息地的分布和变化情况。

试验条件下岩原鲤幼鱼栖息地适宜性模型及最小栖息面积估算

在室内微生境模拟条件下,应用试验生态学方法,分别评估了岩原鲤幼鱼对底质、光照、水深3种生境因子的适宜性指数(HSI),建立了其栖息地适宜性模型,并初步估算了岩原鲤幼鱼的最小栖息面积.结果表明:岩原鲤幼鱼对底质、光照、水深3种生境因子的适宜栖息范围分别为砾石直径10～15cm、光照强度0.2～1.8lx、水深范围0～15cm(离底距离);其适宜性指数表达式分别为SIS=1.7338e-0.997x(R2=0.89,P<0.01,SIS为底质适宜性指数,x为砾石直径)、SIL=3.0121e-1.339x(R2=0.93,P<0.01,SIL为光照适宜性指数,x为光强)、SIW=2.4055e-1.245x(R2=0.97,P<0.01,SIW为水深适宜性指数,x为水深).算术平均法最适用于岩原鲤幼鱼的栖息地适宜性模型估计,最适模型为HSI=(SIS+SIL+SIW)/3.共发现7组岩原鲤幼鱼建立并维持着相对稳定的栖息地范围,其栖息地面积范围为628～2015cm2,平均值为1114cm2.

基于遗传算法的渔情预报HSI建模与智能优化

鱼类栖息地适宜性指数模型(HSI)基于鱼类分布与海洋环境之间存在的非线性关系而构建。然而,海洋环境因子之间存在着传统方法无法消除的相关性,导致获取的HSI参数较难准确表达环境因子与渔场之间的复杂关系。基于遗传算法(GA),自动消除海洋环境因子之间的相关性,构建了一种通用的鱼类HSI建模与智能优化框架(GeneHSI)。GeneHSI框架的核心是HSI建模空间向遗传算法空间的映射以及GA适应度函数的构建。该函数构建的思想是HSI预测的渔场概率与商业捕捞获取的渔场概率之间的累计误差值达到最小化。GeneHSI由待解问题构建、GA初始化和GA优化策略3部分组成。利用随机生成的标准化海洋环境数据与渔场概率数据,验证了GeneHSI模型框架的有效性。研究表明,GeneHSI能够有效优化HSI的建模并能自动获取HSI参数。不同限制条件下,遗传算法获取的HSI具有较大的差异,其中一般优化策略下获取的HSI参数最差;不等式、等式和上下界条件下,GeneHSI优化过程显著地更加合理,因此获取的HSI参数也更准确。此外,100、1000、5000和10000样本量下的优化建模表明,GeneHSI具有处理海量样本数据的能力。

基于声学指数的2021年夏季西北太平洋鲐鱼栖息地建模

西北太平洋的鲐鱼具有重要经济价值,为了更好地管理其资源,必须了解其适宜栖息地分布。本研究将2021年夏季西北太平洋公海渔业资源调查采集的声学走航数据转化为可用于栖息地建模的声学指数即海里面积散射系数,结合海表面温度(Sea surface temperature,SST)、海表面盐度(Sea surface salinity,SSS)、海表面高度(Sea surface height,SSH)和叶绿素a质量浓度(Chlorophyll a mass concentration,Chl.a)的卫星遥感数据分析鲐鱼适宜栖息地与主要海洋环境要素之间的关系。分析了鲐鱼适宜栖息地对应的各环境要素范围。分别使用算术平均法和几何平均法建立鲐鱼的栖息地适宜性指数模型,并通过500次交叉验证比较了两种模型的性能,绘制鲐鱼适宜栖息地的空间分布图。研究表明,鲐鱼的适宜SST、SSS、SSH和Chl.a分别为22.51~25.09℃、34.09~34.65、0.48~1.14 m和0.13~0.23 mg/m^(3)。使用算术平均法建立的模型在回归斜率、R^(2)和AIC方面均优于几何平均法,更适合鲐鱼的适宜栖息地建模。夏季西北太平洋鲐鱼适宜性较高的栖息地主要集中在38°N以南海域,靠近黑潮一侧。本研究可为这一重要渔业资源的可持续开发提供依据,有助于进一步使用声学指数探究海洋条件对鱼类适宜栖息地分布的影响。