赤道和秘鲁海域茎柔鱼渔场时空分布与水温相关性分析

张艳婧,余 为,2,3,4,5*,方星楠

(1. 上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306;2. 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教育部重点实验室,上海 201306;4. 农业农村部大洋渔业开发重点实验室,上海 201306;5. 农业农村部大洋渔业资源环境科学观测实验站,上海 201306)

引 言

茎柔鱼(Dosidicusgigas)又称“美洲大赤鱿”,隶属于头足纲(Cephalopoda),枪形目(Teuthoidea),柔鱼科(Ommastrephidae),茎柔鱼属(Dosidicus),是世界重要的经济头足类之一[1]。茎柔鱼为大洋性种类,资源丰富,经济价值较高,广泛分布于东太平洋海域,主要分布在西经140°以东的加利福尼亚半岛(37°N)至智利(47°S)一带海域[2-3]。1974年茎柔鱼渔业开始发展,以秘鲁海域近海的手钓钩为主,渔获量较少。到20世纪90年代,茎柔鱼资源被大规模开发和利用,主要捕捞国家有秘鲁、日本、墨西哥、智利、中国等,产量总体上呈现上升的趋势,最高产量超过80万t[4-5]。我国鱿钓船于2001年才在秘鲁海域对茎柔鱼资源进行规模化采捕,于2012年初首次发现了东太平洋赤道公海附近海域的茎柔鱼渔场,目前,茎柔鱼已成为我国鱿钓船的重要捕捞对象[6-7]。

茎柔鱼生命周期短,一般为1～2年,其资源量变动对气候变动和海洋环境变化极为敏感。当环境条件不利于茎柔鱼生长时,茎柔鱼会迅速作出响应,转移到其他相对适宜的栖息地[8-9]。相关研究表明,茎柔鱼的资源丰度和栖息地分布受不同时空尺度的海洋环境和气候条件的显著影响[10]。厄尔尼诺(El Nio)和拉尼娜(La Nia)事件分别是太平洋中东部海域表温异常变暖和变冷的源头,其发生会导致茎柔鱼的资源和渔场发生剧烈波动[11]。水温是影响茎柔鱼的资源丰度和栖息地空间分布的主要因素之一。厄尔尼诺和拉尼娜事件主要通过影响水温因子来调控茎柔鱼栖息地的变化[12]。但茎柔鱼空间分布广泛,水温因子对茎柔鱼渔场的时空分布影响具有明显差异。当前,国内外针对茎柔鱼赤道和秘鲁两大主要渔场海域环境变化对茎柔鱼渔场的影响差异研究尚不够充分。因此,本文根据我国鱿钓船2012—2018年的生产统计资料,选取影响茎柔鱼的最关键环境因子海表面温度(sea surface temperature, SST),并结合拉尼娜事件,分析赤道和秘鲁茎柔鱼渔场时空分布情况及其与水温变化之间的关系,掌握其资源空间分布的变化规律,为合理开发和长效利用秘鲁和赤道海域的茎柔鱼资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

渔业生产数据来自中国远洋渔业数据中心,时间为2012—2018年。数据内容包括作业时间(年和月)、作业位置(经纬度)、捕捞努力量(作业次数)、渔获量等。研究秘鲁海域范围为8°～20°S,75°～95°W,赤道海域范围为5°N～5°S,125°～85°W(图1),空间分辨率为0.5°×0.5°。

图1 赤道和秘鲁海域茎柔鱼主要作业渔场分布

本文环境数据为SST,数据来源于美国大学夏威夷研究中心(http://apdrc.soest.hawaii.edu),时间分辨率为月,空间分辨率均转化为0.5°×0.5°。拉尼娜事件采用Nio 3.4区海表温距平值(sea surface temperature anomaly, SSTA)指标来表征,其数据来自美国海洋大气局(NOAA)气候预报中心网站(https://www.cpc.ncep.noaa.gov/)。

1.2 分析方法

(2)依据2012—2018年1—12月的SST数据,分别对2012—2018年1—12月秘鲁和赤道海域的SST进行年间和月间变化分析,并对比研究赤道和秘鲁海域的水温差异。此外,利用交相关函数分析Nio 3.4指数与两个茎柔鱼渔场内SST的滞后相关性,对比分析这两个海域对尼诺指数的响应差异。

(3)根据数据发现,渔获量和捕捞努力量在水温和经纬度上的差异分布非常相似,可以得出渔获量和捕捞努力量的结果基本一致。因此,本文保留捕捞努力量的结果。利用2012—2018年12月、1月和2月的SST、经纬度和捕捞努力量的数据,分别绘制出赤道和秘鲁海域12月、1月和2月捕捞努力量在水温和经纬度上的频次分布图,对比分析两个海域捕捞努力量在空间分布及环境的影响差异。同时,依据捕捞努力量分布最高频次的温度定义为茎柔鱼最适宜的水温。

(5)以1月份为例,绘制出赤道和秘鲁海域拉尼娜年份与正常气候年份的SST空间分布图,分析其空间分布变化特征。此外,绘制出赤道和秘鲁海域拉尼娜年份与正常气候年份1月的茎柔鱼在适宜SST范围的空间分布图,分析其变动规律。

2 结果

2.1 赤道和秘鲁海域SST的年间和月间变化及对尼诺指数的响应差异

从图2可以看出,赤道和秘鲁海域在2012—2018年SST值的变化有所起伏,大致上呈现先降低再增加后降低的趋势,且赤道海域的SST值普遍高于秘鲁海域。在秘鲁海域,2016年SST最高,其值为22.5 ℃±2.36;2018年SST最低,其值为21.45 ℃±3.05。在赤道海域,2015年SST最高,其值为26.61 ℃±1.38;2013年SST最低,其值为24.52 ℃±2.06。如图3所示,赤道和秘鲁海域1—12月SST值同样呈现明显的月间变化,大致呈现先增加再降低后增加的趋势,且1—12月的赤道海域的SST值普遍高于秘鲁海域。在秘鲁海域,3月SST最高,其值为24.91 ℃±1.46;9月SST最低,其值为19.42 ℃±1.30。在赤道海域,4月SST最高,其值为27.29 ℃±0.91;9月SST最低,其值为23.94 ℃±1.87。

图2 2012—2018年赤道和秘鲁海域SST年间变化差异

图3 2012—2018年1—12月赤道和秘鲁海域SST月间变化差异

图4 Nio3.4指数与赤道和秘鲁海域SST的交相关系数

2.2 捕捞努力量在水温和经纬度上的分布差异

秘鲁和赤道海域茎柔鱼捕捞努力量在不同水温区间的分布存在明显差异(图5)。12月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要集中在SST值为15～23 ℃的范围内,最适宜的SST值为20 ℃,适宜范围为20～21 ℃;在赤道海域,捕捞努力量主要集中在SST值为21～24 ℃的范围内,最适宜的SST值为24 ℃,适宜范围为23～24 ℃。1月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要集中在SST值为20～25 ℃的范围内,最适宜的SST值为23 ℃,适宜范围为21～23 ℃;在赤道海域,捕捞努力量主要集中在SST值为21～24 ℃的范围内,最适宜的SST值为23 ℃。2月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要集中在SST值为19～27 ℃的范围内,最适宜的SST值为24 ℃,适宜范围为23～24 ℃;在赤道海域,捕捞努力量主要集中在SST值为23～27 ℃的范围内,最适宜的SST值为25 ℃,适宜范围为24～25 ℃。

图5 2012-2018年12月、1月和2月赤道和秘鲁海域茎柔鱼捕捞努力量在水温和经纬度上的分布差异

赤道和秘鲁海域捕捞努力量在空间上的分布同样存在明显差异(图5)。12月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要分布在76°～94°W,8°～20°S海域;在赤道海域,捕捞努力量主要分布在96°～113°W,1°～5°S海域。1月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要分布在75°～95°W,8°～20°S海域;在赤道海域,捕捞努力量主要分布在107～121°W,1°N～5°S海域。2月,在秘鲁海域,捕捞努力量主要分布在76°～94°W,8°～20°S海域;在赤道海域,捕捞努力量主要分布在104°～121°W,2°N～5°S海域。在这几个月中,无论是经度还是纬度,在秘鲁海域的捕捞努力量都远远超过在赤道海域的捕捞努力量。其中秘鲁海域在1月的捕捞努力量最高,其次是12月,在2月的捕捞努力量最少;赤道海域在2月的捕捞努力量最多,其次是1月,在12月的捕捞努力量最少。

2.3 拉尼娜与正常气候条件下两海域捕捞努力量在水温和经纬度上的分布差异

图6 显示拉尼娜和正常气候下1月和2月秘鲁和赤道海域茎柔鱼捕捞努力量时空分布变化。1月,在赤道海域,拉尼娜和正常气候条件下的捕捞努力量分别主要集中在SST值为21～24 ℃和23～24 ℃的范围内;在秘鲁海域,拉尼娜和正常气候条件下的捕捞努力量分别主要集中在SST值为21～24 ℃和21～25 ℃的范围内。相比于正常气候,拉尼娜事件下无论是赤道还是秘鲁海域,茎柔鱼的捕捞努力量都有所增加。空间上,在赤道海域,拉尼娜气候条件下的捕捞努力量主要分布在107°～118°W,1°～4°S海域;正常气候条件下的捕捞努力量主要分布在111～121°W,1°N～5°S海域;在秘鲁海域,拉尼娜气候条件下的捕捞努力量主要分布在78°～95°W,12°～20°S海域;正常气候条件下的捕捞努力量主要分布在75°～95°W,8°～20°S海域。

图6 拉尼娜和正常气候下1月和2月赤道和秘鲁海域茎柔鱼捕捞努力量在水温和经纬度上的分布差异

2月,在赤道海域,拉尼娜和正常气候条件下的捕捞努力量分别主要集中在SST值为23～26 ℃和23～27 ℃的范围内;在秘鲁海域,拉尼娜和正常气候条件下的捕捞努力量分别主要集中在SST值为23～25 ℃和19～27 ℃的范围内。空间上,在赤道海域,拉尼娜气候条件下的捕捞努力量主要分布在109°～120°W,2°N～4°S海域;正常气候条件下的捕捞努力量主要分布在104～121°W,2°N～5°S海域;在秘鲁海域,拉尼娜气候条件下的捕捞努力量主要分布在80°～82°W,16°～20°S海域;正常气候条件下的捕捞努力量主要分布在76°～94°W,8°～20°S海域。

2.4 拉尼娜与正常气候条件下两海域SST空间分布及最适宜水温面积对比

根据茎柔鱼的捕捞努力量在水温上的分布可以找出茎柔鱼渔场适宜的分布范围。由图7可以看出,当拉尼娜事件发生时,秘鲁海域的茎柔鱼渔场的水温相较于正常气候的水温明显偏低,特别在近海水域水温降低更为明显,且秘鲁海域茎柔鱼适宜的水温面积扩张,适宜范围且向北移动。由图8可以看出,当拉尼娜事件发生时,赤道海域的茎柔鱼渔场的水温相较于正常气候同样降低明显,特别是在1°N～3°S之间出现明显的带状冷水团,且拉尼娜事件下茎柔鱼适宜的水温面积明显扩张。

图7 拉尼娜和正常气候下1月份秘鲁海域的SST空间分布及最适宜的水温面积

图8 拉尼娜和正常气候下1月赤道海域的SST空间分布图

3 讨论

本文研究了2012—2018年赤道和秘鲁海域水温对茎柔鱼渔场时空分布的影响差异。研究发现赤道和秘鲁渔场内SST具有明显的年际和月间变化,赤道海域SST明显高于秘鲁海域,且赤道和秘鲁海域水温对茎柔鱼渔场的适宜SST范围具有明显的差异。此外,Nio 3.4指数与SST呈显著的正相关,但秘鲁海域对尼诺指数变化的响应相对赤道海域具有明显的滞后性。本文还进一步分析了拉尼娜气候对茎柔鱼渔场的水温影响和栖息地面积的变化规律,发现拉尼娜事件会使茎柔鱼渔场的水温偏低,适宜的栖息地面积扩张;捕捞努力量在不同经纬度上明显增加;渔场空间上相对正常气候年份更为分散。

茎柔鱼作为一种短生命周期的大洋中上层头足类,其栖息范围环境的变化对其资源丰度和时空分布会产生较大的影响[13]。国内外许多学者已进行较多研究评估了茎柔鱼资源变动与海洋环境因子的关系[14-17]。其中,国内外一些学者Cairistiona等[18]、Taipe等[19]、陈新军等[20]主要从水温变化对茎柔鱼渔场和资源丰度的变化进行了研究,这些学者均认为水温因子是影响茎柔鱼生长、新陈代谢等最为重要的环境因子,对其栖息分布影响最高。此外,也有部分学者分别采用权重求和法和几何平均法进行茎柔鱼的栖息地适宜指数建模分析,选择最优模型进行实证,结果表明,在众多环境因子中,权重最高的环境因子均是SST[21]。茎柔鱼对水温变化反应迅速,当水温不适宜时,其种群会快速转移至其他更为适宜的水温环境中,因此可以通过水温的变化来探测茎柔鱼的渔场分布。例如,李莉等[22]根据茎柔鱼生产数据和该海域海表温度数据,采用海表温度适应性指数(Suitability index,SI)模型预测方法进行了研究,研究结果显示,随着水温的升高,茎柔鱼栖息地经向自西向东转移,纬向自北向南转移。

茎柔鱼广泛分布在东太平洋海域,作业渔场包括赤道、秘鲁和智利等海域。目前作业产量较高的海域是赤道和秘鲁,也是中国和其他国家捕捞的重要海域[23]。但是两个海域海洋环境差异明显,特别是影响茎柔鱼重要的环境因子SST具有明显的差异。作业次数在SST上的分布可反映茎柔鱼渔场的适宜SST范围。本研究发现,秘鲁和赤道海域水温对茎柔鱼渔场的影响存在明显的差异性。茎柔鱼渔场的适宜SST范围也存在明显的月间变化,且在地域上存在明显差异。相对于秘鲁海域,赤道海域茎柔鱼适宜的水温明显高于秘鲁海域。因此,企业在两个渔场内进行作业时,需要依据各个海域内的SST变化来调整作业位置。

此外,全球异常气候例如厄尔尼诺和拉尼娜事件,对茎柔鱼渔场的变动有显著的影响[24-25]。Moron[26]研究指出,厄尔尼诺和拉尼娜事件的发生会使东南太平洋海域的初级生产力和次级生产力发生变化,从而影响茎柔鱼的索饵情况,会造成茎柔鱼资源空间分布转移。温健等[27]基于海表温度(SST)和海表高度距平(Sea Surface Temperature Anomaly, SSHA)构建栖息地指数模型以分析厄尔尼诺、正常气候和拉尼娜条件下适宜栖息地的时空变动,研究发现在厄尔尼诺年,茎柔鱼渔场水温变暖,海面高度上升,适宜的栖息地范围缩减;而在正常气候和拉尼娜年份变化相反。Nevárez-Martínez等[28]研究发现,在厄尔尼诺事件发生时,茎柔鱼资源量会下降;而在拉尼娜事件发生的月份,当沿岸上升流的势力增强时,茎柔鱼资源量会增加。Nio 3.4指数与SST交相关分析表明,异常气候事件的发生会调控茎柔鱼渔场内的SST。本文选取2012年和2018年为拉尼娜年份,2014年和2017年为正常气候年份,将这些年份的1月进行对比分析,研究结果表明,在拉尼娜事件发生时,茎柔鱼渔场的SST会降低。这与余为[29]对拉尼娜年份与正常气候年份茎柔鱼渔场内SST分析结果一致。此外,本研究还发现拉尼娜事件的发生会增加茎柔鱼渔场适宜栖息地的面积,渔场会向北移动。这与前人总结的异常气候现象发生对渔场的适宜栖息地面积的变化和移动规律相一致[30-31]。

由于茎柔鱼渔场的分布往往会受到多个环境因子的影响,本文只分析了SST这一单一因素,其结果存在一定的局限性。因此,在今后的研究中我们还应加入其他环境因子如叶绿素浓度、海表面盐度、海表面高度、净初级生产力等综合分析研究。此外,由于生产数据有缺失,今后应加强国际渔业合作以此来收集更多的数据。