2019, Vol. 26
2. 上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306;
3. 大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室, 上海海洋大学, 上海 201306;
4. 同济大学海洋与地球科学学院, 上海 200092;
5. 中国水产科学研究院南海水产研究所, 广东 广州 510300;
6. 中国海洋大学水产学院, 山东 青岛 266003;
7. 中国水产有限公司, 北京 100160
2. National Engineering Research Center for Oceanic Fisheries; Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. Key Laboratory of Sustainable Exploitation of Oceanic Fisheries Resources, Ministry of Education; Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
4. School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China;
5. South China Sea Fisheries Research Institute, Guangzhou 510300, China;
6. College of Fishery, Ocean University of China, Qingdao 266003, China;
7. China National Fisheries Corporation, Beijing 100160, China
南极大磷虾(Euphausia superba Dana), 俗称南极磷虾, 估计生物量约6.5~10亿t[1], 为地球资源量最大的单种生物之一。南极磷虾不但具有很大的商业开发价值, 包括医药价值和食用价值[2], 而且在南大洋海洋生态系统中有着极为重要的地位[3], 因此得到人们的广泛关注。
根据南极磷虾的群聚性和栖息水层, 国内外普遍采用中层拖网进行瞄准捕捞[4]。中层拖网瞄准捕捞作业时, 成败关键在于拖网网口位置是否始终处于磷虾群所在的水层[5]。黄洪亮等[6]发现竹筴鱼中层拖网网位是否对准鱼群位置, 捕捞效率有明显差异, 网位与鱼群位置偏离较远时捕捞效率低。因此, 网位是否控制得当将直接影响着捕捞效率[7]。根据探鱼仪映像及时改变拖速或曳纲长度来调整网位, 使网口始终处在磷虾集群中心[8], 是磷虾拖网作业时通常的做法。韩曦等[9]和王文硕等[10]海上实测发现, 曳纲越长网位越深; 万荣等[11]和王尔光[12]理论计算结果显示, 网位随拖速增加而上升。拖网捕捞效率一般是指网具单位时间内的捕鱼量, 通常使用网次产量与拖网作业持续时间之比表示[13]。但该方法通常没有考虑网具在捕捞过程中是否始终对准密度最大鱼群或虾群, 因此无法了解网具是否达到(理论上)最大捕捞效率。评估南极磷虾拖网的捕捞能力, 不但需要了解拖网过程中被网口拖进的磷虾数量, 同时还要判断拖网过程中网位是否始终与磷虾集群的密集中心位置一致, 即拖进的磷虾是否数量最多。声学评估具有快捷、取样量大[14]、评估结果精度高的特点, 且能提供更准确的磷虾分布信息[15]。利用声学方法可快速评估出拖网稳定拖曳期间各水层的磷虾生物量, 然后通过加权法可计算出磷虾集群垂直方向的质量中心, 即磷虾群体最大密度中心。只要知道实际拖网产量与假设拖网稳定拖曳过程中网口始终对准磷虾集群中心进入网口的磷虾总量之比, 就可了解磷虾拖网捕捞效率或捕捞能力。本文以声学评估得到的磷虾集群质量中心水层以及拖网稳定拖曳过程中网口始终对准该中心进入网口的磷虾总量, 建立网位与虾群质量中心深度差和拖网捕捞效率的关系, 量化拖网瞄准捕捞的效果, 为改善拖网瞄准捕捞效果提供参考。
广义可加模型[16](general additive model, GAM)是目前较先进的关于多变量因素与响应变量关系的研究方法, 获得的结果信息更为丰富, 已在渔业上广泛应用。作者自2017年12月至2018年6月, 随中国水产有限公司拖网渔船“龙腾”轮执行农业农村部南极海洋生物开发利用项目期间, 基于海上实测的拖网作业参数和采集的磷虾声学数据, 利用GAM统计模型分析拖速、曳纲长度以及网位与磷虾集群质量中心深度差对捕捞效率的影响, 以期为提高南极磷虾拖网捕捞效率提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验水域试验水域为南极半岛与南舍得兰群岛之间(图 1), 经度范围59°W ~61°W, 纬度范围63°S ~64°S。
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图 1 “龙腾”轮南极磷虾拖网试验水域 Fig.1 The experiment area of Antarctic krill trawler "LongTeng" |
渔船为中国水产有限公司大型加工拖网船“龙腾”轮, 主尺度见表 1。
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表 1 南极磷虾拖网渔船“龙腾”轮主尺度 Tab.1 Main dimensions of Antarctic krill trawler "LongTeng" |
“龙腾”轮使用300 m×138.8 m四片式磷虾拖网, 网袖长度为20 m, 网口网目尺寸为400 mm, 网身长度88.8 m, 网囊长度为30 m。网身共11节, 网目尺寸从400 mm逐渐减少到144 mm, 内衬网从网身第2节开始附加, 网目尺寸为16 mm, 网囊内衬网网目尺寸12 mm。网板为13 m2立式曲面网板, 展弦比1.66, 空气中重3.6 t。
1.3 网位与声学数据采集网具深度由加拿大生产的DR-1050型水深测量仪(简称DR-1050)自动记录和储存, 测量范围为0~750 m, 测量精度为满量程的±0.05%。测试前, 分别将DR-1050固定在网具上、下纲中点, 设定每5 s记录一次数据。曳纲长度采用船上曳纲系统控制器显示的数据为网具稳定拖曳过程中时刻值, 拖速为对地拖速, 通过GPS显示器读取。记录网具入水时刻, 并通过船用网位仪记录网具稳定后的时刻, 用于后续数据的筛选和处理, 本文使用的网产量为整个拖网作业过程产量。
声学数据由“龙腾”轮配置的Simrad EK60科学探鱼仪采集。该探鱼仪包含3个工作频率(38、70和120 KHz), 本文采用120 KHz工作频率下采集的声学数据进行计算。探鱼仪的参数设置参考CCAMLR规范[17]如表 2所示, 于2017年4月在福克兰群岛的伯克利海峡对探鱼仪进行了校正。
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表 2 EK60科学探鱼仪参数设置 Tab.2 Main settings of EK60 ecosounder |
网位定义为网口中心离水面的距离, 即网口中心点的水深[18], 可表示为:
| $ D = \frac{{{h_1} + {h_2}}}{2} $ | (1) |
式(1)中, D为网位(m), h1为上纲中点深度(m), h2为下纲中点深度(m)。本文中涉及的“网口”和“网位”深度均指拖网稳定拖曳过程中的情况。
1.4.2 网位深度差网位深度差(简称“深度差”)d为网位与磷虾集群质量中心的深度差值, 即:
| $ d = |D - H| $ | (2) |
| $ H = \frac{{\int_{{H_{min}}}^{{H_{max}}} {{S_v}dz} }}{{\sum\limits_{{H_{min}}}^{{H_{max}}} {{S_v}} }} $ | (3) |
式(2)~(3)中: d为深度差(m), D为网位(m), H为磷虾集群质量中心至水面深度(m), Hmax为磷虾集群出现最大深度, Hmin为磷虾集群出现最小深度, Sv为平均磷虾体积散射强度。
1.4.3 捕捞效率捕捞效率η为网次产量与网口始终对准磷虾集群质量中心进入网口的磷虾总量之比, 即:
| $ \eta = \frac{C}{B} $ | (4) |
式(4)中, η为捕捞效率, C为网次产量(t), B为网口始终对准磷虾集群质量中心进入网口的磷虾总量(t), 计算方法参照Simmonds等[19]如下:
| $ B = {\rho _w} \times A $ | (5) |
式(5)中, A为调查海域面积(km2), ρw为磷虾表面密度(g/m2)
| $ {\rho _w} = {s_A} \times C $ | (6) |
| $ C = \frac{{WW}}{{{\sigma _{sp}}}} \times \frac{1}{{{{1852}^2}}} $ | (7) |
| $ {\sigma _{sp}}({l_i}) = 4\pi {10^{TS/10}} $ | (8) |
| $ {\sigma _{sp}} = \frac{1}{n}\sum\limits_1^n {{f_i}} \times {\sigma _{sp}}({l_i}) $ | (9) |
| $ WW({l_i}) = 5.5 \times {10^{ - 6}} \times {L^{3.2059}} $ | (10) |
| $ WW = \frac{1}{n}\sum\limits_1^n {{f_i}} \times WW({l_i}) $ | (11) |
式(6)~(11)中sA等同于NASC, C为磷虾NASC-密度转换因子, WW为磷虾湿重(g), σsp为磷虾散射截面积(m2), 根据磷虾体长频率分布计算出的加权平均值, li为i体长分段区间长度, TS为SDWBA模型计算出的磷虾单体目标强度[20], n为磷虾体长分段数目, fi为i体长分段磷虾个数。
1.5 分析模型GAM为广义线性模型的非参数化扩展, 其优点是能直接处理响应变量与多个解释变量之间的非线性关系[21]。本研究以捕捞效率为非独立变量, 网位与磷虾集群质量中心深度差值、拖速和曳纲长度作为解释变量建立GAM模型, 表达方式为:
| $ g(\eta ) = s(d) + s(V) + s(L) + \varepsilon $ | (12) |
式(12)中, η为捕捞效率, d为网位与磷虾集群质量中心深度差值(m), V为拖速(kn), L为曳纲长度(m),
运用EXCEL 2013处理网具深度数据, 获得稳定拖曳过程中网位的深度变化, Echoview 6.1软件处理声学数据, 对映像中的回波积分得到磷虾的NASC值和平均磷虾体积散射强度Sv, 结合网位深度和磷虾质量中心深度数据(图 2), 分析两者不同位置关系对捕捞效率的影响, 最后基于R 3.4.1软件编程实现GAM模型运算并分析拖速、曳纲长度和网位与磷虾集群质量中心深度差对捕捞效率的影响。
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图 2 南极磷虾质量中心与网位关系 Fig.2 Relationship between Antarctic krill mass center and net position |
试验期间共测定25网次, 试验网次中磷虾在垂直方向上均无分层, 拖网过程中网位所处水深范围0~80 m, 其中5网次网位水深范围在0~20 m, 此深度下声学映像因受船体运动产生气泡影响误差较大, 故可用于有效分析的有20网次。
2.1 网位变化如图 3所示, 网位为网具稳定拖曳过程中所处深度的平均值, 正负误差值表示网位的变化范围。其中, 网位变化幅度较大的是第10~12和第17~20网次, 变化均大于15 m, 其余网次网位变化幅度较小。网位平均水深(30.72±10.41) m, 其中第12网次最深为54 m, 第9网次最浅仅为16 m, 第1、10~12、18、19网次网位均大于38 m, 第2~9、13~17、20网次网位在10~38 m之间。
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图 3 网位深度分布 Fig.3 Net position distribution |
图 4中磷虾集群质量中心深度表示磷虾集群平均栖息深度。由图可知, 磷虾集群质量中心平均深度为(37.29±9.72) m, 其中第12网次最深为55 m, 第13网次最浅为21 m, 第2~5、8、9、13~16、20网次该中心深度在20~40 m之间, 第1、6、7、10~12、17~19网次该中心深度在40~55 m之间。
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图 4 南极磷虾群质量中心水层分布 Fig.4 Antarctic krill mass center distribution in the water layer |
如图 5所示, 磷虾生物量为网口始终对准磷虾集群中心进入网口的磷虾总量, 平均为(27.06± 10.19) t。其中第6网次磷虾总量最大为47 t, 第1网次磷虾总量最小, 仅为8.7 t。
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图 5 网口内南极磷虾总生物量 Fig.5 Antarctic krill total biomass in net mouth |
如图 6所示, 捕捞效率平均值为(63±19)%, 深度差平均为(6.33±3.58) m, 其中第6网次捕捞效率最低为25 %, 此时深度差最大为13.5 m, 表明网位与磷虾集群中心偏离较远, 捕捞效果差, 第13网次捕捞效率最高为92%, 而此时深度差最小为0.8 m; 第14~16网次捕捞效率均大于80%, 此时深度差均较小, 表明网位与磷虾集群中心吻合程度较高, 捕捞效果好。第2、5、6、8网次深度差值均大于10 m, 表明网位与磷虾集群中心深度偏离较远, 第1、4、11~15、17、18网次深度差均小于5 m, 表明网具经过磷虾密度大的集群, 捕捞效果较好。
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图 6 网位深度差和捕捞效率的关系 Fig.6 Relationship between the difference of net mouth position from mass centre in depth between and fishing efficiency |
基于GAM模型分析拖速、曳纲长度和网位深度差对捕捞效率的影响。结果显示, 模型对捕捞效率总偏差解释率为76.4%, F检验表明, 网位深度差与捕捞效率呈极显著相关关系(P < 0.001), 拖速与捕捞效率呈显著负相关关系(P < 0.05), 随着拖速增大, 捕捞效率呈下降趋势, 拖速2.3 kn (最小值)时, 捕捞效率达92%, 拖速3.1 kn(最大值)时, 捕捞效率仅为25%。曳纲长度对捕捞效率影响不显著(P=0.087), 曳纲长度增大导致网位下降, 捕捞效率逐渐减小, 曳纲长度大于200 m时, 捕捞效率均小于50%。总之, 分析GAM模型统计结果可知, 拖速、曳纲长度和网位深度差是影响南极磷虾拖网捕捞效率的关键因素(见表 3, 图 7)。
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表 3 GAM模型统计结果 Tab.3 Statistical results of GAM |
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图 7 各影响因子与南极磷虾捕捞效率之间关系的GAM分析图 Fig.7 GAM analysis diagram of the relationship between each influencing factor and Antarctic krill catch efficiency |
在磷虾拖网捕捞过程中对网位的调整极其重要, 因为网位与磷虾集群中心偏离较远时, 密度较大的磷虾集群往往不能进入网具, 从而导致捕捞效率低; 反之, 网位与磷虾集群中心吻合较好时, 可捕捞密度较大的虾群, 捕捞效率高。黄洪亮等[13]将网位定义为网具上中纲至水面的距离, 苏志鹏等[16]将网位定义为网口中心位置离水面的距离, 本文引用后者的网位定义进行计算, 因为网口中心点位置是上、下纲深度共同决定, 将网具在拖曳过程中位置的变动情况表示的更加准确。在磷虾拖网作业过程中, 网位变化取决于磷虾集群栖息水层的变化, 试验中网位变化范围较大的网次均在夜间和黎明时间段, 其分别占总试验网次的25%和35%, 可能原因与磷虾昼夜垂直移动规律相关[22]。
3.2 捕捞效率误差分析本文定义捕捞效率为网产量与拖网稳定拖曳过程中网口始终对准磷虾集群中心进入网口的磷虾总量比值, 区别于网次产量与拖曳时间比值的方法[13], 其优点主要为考虑了网具与磷虾集群之间相互位置关系, 能准确评估磷虾拖网作业过程中网位是否始终与磷虾最大密度集群中心一致, 是否达到最大捕捞效率。造成捕捞效率误差的原因来于一方面声学评估磷虾生物量时需去除声学映像中非生物信号, 渔船在作业中, 船体运动产生的气泡层会对海表面以下一定深度(本文为20 m)的声学映像产生覆盖干扰, 本文应用“固定深度线”变量去除海表面声学映像[23], 并只评估了网具稳定拖曳过程中磷虾生物量, 导致磷虾生物量评估偏低; 另一方面本文网产量为网具从进入水面到离开水面, 整个拖网作业过程的产量, 并没有与评估的网具稳定拖曳过程中的磷虾生物量匹配。尽管捕捞效率计算有一定误差, 但可为评估拖网捕捞性能和提高声学方法资源评估精度提供参考。
3.3 影响捕捞效率因素拖速、曳纲长度和网位深度差是影响捕捞效率的关键因素, 其中拖速增大时网位上升, 网口高度也随之下降[18], 无法与磷虾集群质量中心对准, 导致进入网具的磷虾数量减少, 进而降低捕捞效率。分析网位深度差和捕捞效率的关系, 更直观的表现出拖网捕捞作业中是否达到瞄准捕捞的目的, 为评判中层拖网捕捞成败提供更有力的依据。本文中曳纲长度对捕捞效率影响不明显, 可能原因是实测数据较少, 不足以使研究结果呈现规律性。拖网捕捞作业中如浮沉力配备、网板等均对捕捞效率有一定影响, 本次海上实测没有记录, 因此没有进行上述因子对捕捞效率影响的研究, 今后可将上述因子加入对捕捞效率影响分析中, 使结果更具科学性。由于海上实测不可重复性及条件有限, 会出现操作误差, 对研究结果有一定影响, 但海上实测数据的研究更加符合拖网捕捞真实性。尽管如此, 本文的研究结果对于有效调整南极磷虾拖网网位以及为实现瞄准捕捞的目的提高作业水平均有参考价值。
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