利用MaxEnt 模型的舟山海域曼氏无针乌贼生境适宜性研究

张漫瑶，石雯静，桂 峰，曾宪敏，徐开达，赵 晟

1.浙江海洋大学 海洋科学与技术学院，浙江 舟山 316022

2.浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山 316021

增殖放流是目前有效恢复渔业资源的方法之一[1]，掌握放流种类的生态学特征是实施有效增殖放流的基本要求，选择适宜放流海区是确保放流物种成活率的关键。其中，物种的生境适宜性分析是保障物种增殖放流获得最大效益的重要环节。该过程需分析目标物种与所处环境之间的关系，分析目标物种生境中关键因子的需求，构建目标物种栖息地选择模型，最后将其潜在适生地理分布区直观地表达在数字化地形图或遥感图上[2]。头足类具有市场价值高、生长周期短和生长速度快等优点[3]，对头足类增殖放流时进行物种的生境适宜性分析有利于进一步实现渔业资源可持续发展和蓝色经济增长的目标。

最大熵 (Maximum Entropy,MaxEnt) 模型是基于物种已知的分布数据和相关环境因子对物种分布及其生态需求进行模拟，从而分析得出物种的潜在适生区的物种分布模型 (Species Distribution Models,SDMs)[4]。在头足类研究领域，目前物种分布模型的应用以广义加性模型(Generalized Additive Model,GAM) 为主[5-7]。但与GAM 模型相比，MaxEnt 模型的预测结果较为准确[8-9]。MaxEnt 模型的预测精度在一定程度上受所选生态因子的影响，但通过筛选生态因子和参数优化后，模型可在研究样本量较小的情况下获得较高的预测精度[10-11]。该模型不仅能有效处理环境因子间的相互作用，还可定量揭示环境因子对物种分布的影响[12]。适用于不同的生境类型、空间尺度和分类类群[13]，在海洋生物保护方面极具发展前景[14]，常被用于分析物种栖息地需求、气候变化对物种分布的影响、物种入侵监测和自然保护区的选择和保护[15]。例如，MaxEnt 模型被应用于预测南太平洋长鳍金枪鱼 (Thunnusalalunga) 的栖息地[16]，模拟水温变化对太平洋柔鱼 (Ommastrephesbartramii)潜在栖息地的影响[17]，分析底层鱼类在阿拉斯加湾的生境适宜性等[18]。

曼氏无针乌贼 (Sepiellamaindroni) 是我国重要的头足类生物之一，隶属于软体动物门、头足纲、二鳃亚纲、十腕目、乌贼科、无针乌贼属。其可食部分比重大 (约占总体质量的92%)、蛋白质含量高且肉质富含钙 (Ca)、磷 (P)、铁 (Fe) 等元素[19]，具有较高的营养和经济价值。曼氏无针乌贼曾是东海的优势物种，在浙江省的年产量曾高达6 万吨[20]，但受过度捕捞、亲体过度开发以及产卵场破坏等影响，其产量自1981 年后持续下降[21]，直至20 世纪90 年代初基本绝迹[22]。开展大规模增殖放流后，其产量在浙江海域呈上升趋势，至2008 年增殖效果初显[21,23]，但目前其产量仍不能满足人们的需求[24]。舟山海域岛屿众多，适宜曼氏无针乌贼卵附着的藻类丰富[25]，是其重要的栖息地和产卵地。该海域内曼氏无针乌贼种群胴长范围为29～141 mm，体质量范围为5.1～341.8 g[26]，目前对该海域内曼氏无针乌贼生境适宜性的研究较少。本文以舟山海域曼氏无针乌贼为研究对象，收集其分布数据和舟山海域的海洋环境数据，结合ArcGIS 10.8 软件和MaxEnt 模型对曼氏无针乌贼进行生境适宜性评价，以期为曼氏无针乌贼的增殖放流选址提供参考，并为其资源养护提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 物种分布数据

构建MaxEnt 模型需要物种分布点的经纬度数据。本研究的物种分布数据来源于2017—2021 年浙江近海的底拖网调查数据、2021—2022 年自主航次的底拖网调查数据和全球生物多样性信息机构GBIF (Global Biodiversity Information Facility,https://www.gbif.org/)。2017—2021 年调查范围为120°E—131°E、23°N—33°N，站位采用均匀网格设置，每隔经纬度15'设置1 个采样站点。2021—2022 年自主航次调查范围为122°30'E—123°20'E、29°36'N—30°30'N。调查船为“浙普渔68712”单船底拖网渔船，使用单拖网，网目尺寸为80 mm，网囊最小网目尺寸为20 mm，每网拖曳1 h，平均拖速3 kn。调查时记录捕获曼氏无针乌贼时的经纬度信息。GBIF 是一个由世界各国政府资助的国际开放基础数据库，数据来源包括物种名录、书籍、相关论文、动植物考察和观察资料以及数字化的在线数据集，目前已有5 000 多万条分布点的数据记录。为扩大样本量，利用该数据库及相关文献资料，在底拖网调查数据的基础上补充曼氏无针乌贼的分布点数据。为避免因群集效应造成的取样偏差，利用ENMTools (http://purl.oclc.org/enmtools)剔除冗余数据[27]。最终共得到曼氏无针乌贼有效分布样点167 个 (图1)，通过Excel 2020 软件转换为csv 格式。采用ArcGIS 10.8 软件绘制地图，数据来源于全国地理信息资源目录服务系统 [https://www.webmap.cn/，1∶100 万公众版基础地理信息数据 (2021)]。

1.2 海洋环境数据

海洋环境数据集来源于Bio-ORACLE (https://bio-oracle.org) 和全球海洋环境数据库 (Global Marine Environment Datasets,GMED)。研究表明，海表面温度 (Sea surface temperature,SST)、海表面盐度 (Sea surface salinity,SSS)、pH、光照均可影响曼氏无针乌贼的生长和活动[28-30]。在此基础上补充选取影响海洋生物分布的相关生态因子 (海洋流速、初级生产力、硝酸盐含量等) 共同构成模型预实验的生态因子集合。

相关性过高的生态因子会影响模型的运行结果[31]，为提高预测结果的准确性，对预实验中的生态因子进行筛选。利用SPSS 20.0 软件中的相关性分析法和MaxEnt 模型中的刀切法 (Jackknife)，以贡献率小且相关性绝对值 |r|＞0.8 为标准，剔除易导致模型过拟合的生态因子[32]，最终获得与曼氏无针乌贼相关的关键生态因子 (表1)。

表1 筛选出的关键生态因子Table 1 Selected key ecological factors

1.3 模型参数优化及运行

导入数据至MaxEnt 模型，运用由Cobos 等[33]发明的kuenm 软件包进行MaxEnt 模型的参数优化。其利用了R 语言和MaxEnt 模型的功能，帮助实现校准、创建和评估最终的模型。为最大化获得参数优化效果，设置调控倍频 (Regularization multiplier,RM) 区间为0.5～4.0，间距为0.5 (0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0)，其他设置为系统默认值。优先选择AIC (Akaike information criterion)值最小和遗漏率最低的调控系数。AIC 值是衡量统计模型拟合优良性的一种标准，能权衡所估计模型拟合数据的优良性，遗漏率是用于所用的数据在特定阈值上的评估，可分析建模时的数据是否存在空间自相关性[34]。根据运行结果，设置调控系数为3.0。

导入处理后的数据至MaxEnt 3.4.4 (https://biodiversityinformatics.amnh.org/open_source/maxent/)运行，勾选MaxEnt 模型中Jackknife 工具，获得主要生态因子对曼氏无针乌贼在舟山海域分布影响的权重值。随机选取75%的分布点用于建立模型，其余25%的分布点用于模型验证，且为了保证模型稳定性，采用10 次重复交叉验证[35]。模型其他参数设置为默认值，结果以Logistic 格式的栅格数据输出。

1.4 划分物种适生区等级

参考IPCC 报告有关评估可能性的划分方法[36]，根据曼氏无针乌贼分布的概率值，将其适宜区分为5 个等级，分别为P＜0.2、0.2≤P＜0.4、0.4≤P＜0.6、0.6≤P＜0.8 和0.8≤P＜1，依次为非适生区(Non-adaptive areas)、低适生区 (Low-adaptive areas)、中适生区 (Middle-adaptive areas)、次高适生区 (Sub-superior suitable area) 和高适生区 (Highadaptive areas)。

2 结果

2.1 模型结果精度及检验

本文使用受试者工作特征曲线 (Receiver operating characteristic curve,ROC) 验证最大熵模型的预测精度。ROC 曲线下面积 (Area under curve,AUC)是评估预测物种分布的模型准确性的主要工具[37]。AUC 值越高、越接近1 则表示模型的性能越好，当AUC 值大于0.9 时，表示结果准确度较高[38]。应用表1 中的生态因子进行建模，AUC 值为0.995(图2)。证明选择表1 中的生态因子建立Max-Ent 模型进行预测的结果准确度较高，可用于曼氏无针乌贼在舟山海域的生境适宜性分析。

图2 ROC 曲线检验模型结果Fig.2 Model results tested by ROC curve

2.2 物种对生态因子的响应

表2 反映了生态因子对MaxEnt 模型预测的相对贡献率，其中SST 最大值、SSS 最小值和pH 是影响曼氏无针乌贼在舟山海域分布的主要生态因子。三者对模型的相对贡献率分别为27.8%、25.5%和20.3%，均超过20%，并且其相对贡献率之和占所有生态因子相对贡献率之和的一半以上。初级生产力最小值、磷酸盐质量浓度最大值、SST 最小值和硝酸盐质量浓度最大值对模型的相对贡献率介于1%～15%，对曼氏无针乌贼分布的影响小于SST 最大值、SSS 最小值和pH。溶解氧质量浓度最小值、底层光照强度最大值、最大海流流速和最小海流流速的相对贡献率较小，均小于1%。

生态因子重要性结果显示 (图3)，仅包含SST 最大值、SSS 最小值和pH 等生态因子建模时，模型获得的增益值较大。排除相对贡献率较大的生态因子 (如：SST 最大值、SSS 最小值和pH)后，分别利用除这类生态因子外的其他生态因子建模，此时模型所获得的增益值较小。表明模型预测过程中SST 最大值、SSS 最小值和pH 包含有价值的信息，无法被其他生态因子替代。

图3 刀切法检验生态因子对曼氏无针乌贼分布影响的重要程度Fig.3 Importance of ecological factors on distribution of S.maindroni by Jackknife test

生态因子响应曲线可反映生态因子与曼氏无针乌贼存在概率之间的关系 (图4)。因相对贡献率较高的生态因子对曼氏无针乌贼分布的影响较大，故重点分析曼氏无针乌贼对SST 最大值、SSS 最小值、pH 等生态因子的响应。以0.5 概率值作为分界点，结果显示，舟山海域内SST 最大值介于25.5～28.5 ℃，SSS 最小值介于20‰～30‰，pH 介于7.8～8.3 时，曼氏无针乌贼存在的概率较大。

图4 生态因子响应曲线Fig.4 Response curves for ecological factors

在SST 最大值介于25.5～26.6 ℃时，曼氏无针乌贼的存在概率随温度升高而增加，温度达到26.6 ℃后其存在概率随温度升高而减少。SSS 最小值响应曲线呈先增加后减少的变化，SSS 最小值达25‰时曼氏无针乌贼物种存在的概率最大。在pH 的响应曲线中，pH 为8.2 时曼氏无针乌贼的存在概率达到最大值。pH 介于7.1～8.2 时，其存在概率随pH 升高呈上升趋势；pH 介于8.2～8.4 时，存在概率随pH 升高呈下降趋势。

2.3 物种的适生区分布及检验

利用ArcGIS 10.8 软件对模型结果进行重分类，获得曼氏无针乌贼在舟山海域的适生区分布图(图5)。经计算，曼氏无针乌贼在舟山海域的适生区面积为30 213.40 km²，占研究区域总面积的75.11%。适生区分布范围较广，呈南北方向分布，北至马鞍列岛海域，南至舟山本岛东侧海域。高适生区面积为4 600.78 km²，主要分布在嵊泗列岛、马鞍列岛和中街山列岛海域，少量分散在马鞍列岛东侧。该海域内曼氏无针乌贼次高适生区面积为8 205.52 km²，中适生区面积为9 723.31 km²，低适生区面积为7 683.78 km²，三者面积相近 (表3)。高适生区、次高适生区分布范围内包含了舟山市内的3 个海洋特别保护区 (图6)。

表3 适生区面积及其占海域面积百分比Table 3 Area of suitable habitat and its percentage of sea area

为检验模型结果，采取访问调查的方式走访舟山市各区县典型渔村，开展曼氏无针乌贼捕捞出现海域调研。范围包括定海区 (金塘镇、长白乡)、普陀区 (沈家门、朱家尖、六横岛、桃花镇、东极岛)、岱山县 (衢山镇、长涂镇) 和嵊泗县 (嵊山镇、枸杞乡、洋山镇)。据2021 年舟山市统计年鉴，2020 年定海区、普陀区、岱山县和嵊泗县渔业人口分别为12 575、73 596、56 961 和44 007人。综合考虑人力物力等客观因素及调研结果准确度，2022 年共访问调查了1 285 人，其中定海区87 人、普陀区505 人、岱山县391 人和嵊泗县302 人。所调查渔民中70.3% 为专业从业人员，19.2%为兼业从业人员，10.5%为临时从业人员。调查统计结果表明，较多渔民在中街山列岛海域、嵊泗列岛海域和浪岗山列岛海域捕获曼氏无针乌贼，渔民数量分别占调查总体的32.84%、24.51%和15.02% (图7)，该结果与模型预测结果总体相符。

图7 渔民捕捞曼氏无针乌贼海域的调研结果Fig.7 Results of a survey on fishing area of S.maindroni

3 讨论

3.1 影响曼氏无针乌贼分布的主要生态因子

海表温度和海表盐度与头足类分布联系紧密[39]，因此在头足类分布与生态因子的关系研究中常被作为重要生态因子[40-41]。同时，溶解氧、叶绿素、深度、悬浮物和混合层深度也常被作为分析头足类分布的重要环境变量。目前针对曼氏无针乌贼分布与环境变量的关系，主要探讨了水温、盐度、叶绿素、水深和溶解氧与其栖息地选择之间的偏好关系。pH、初级生产力、营养盐含量、海流流速以及光照强度也与海洋生物分布关系密切。但针对这部分生态因子对曼氏无针乌贼分布影响的研究较少，因此本文在其他学者研究[42-44]的基础上进行补充研究。该过程涉及的生态因子较多，为避免主观选取生态因子导致模型预测结果产生误差，文章采取相关性分析法和刀切法筛选生态因子。模型运行结果表明，SST 最大值、SSS 最小值和pH 对模型的贡献率较大，是影响曼氏无针乌贼的主要生态因子，该结果与目前已有研究的结果总体一致[5,42]。初级生产力、营养盐含量对曼氏无针乌贼分布具有一定影响，而溶解氧浓度、底层光照强度和海流流速对其分布的影响较小。

SST 最大值、SSS 最小值和pH 生态因子的响应曲线表明，曼氏无针乌贼偏向在海表温度较高、盐度较大的环境活动，且能接受弱碱性的环境，舟山海域内SST 最大值介于25.5～28.5 ℃、SSS 最小值介于20‰～30‰、pH 介于7.8～8.3 时，曼氏无针乌贼存在的概率较大。该结论与实验室中观察不同温度、盐度、pH 下曼氏无针乌贼活力的实验结果相符[45]，同时进一步验证了MaxEnt 模型结果的可靠性。在舟山海域中，适宜曼氏无针乌贼生长的SST 最大值介于25.5～28.5 ℃，且温度达到 (26±0.5) ℃时其存在概率可达0.75 以上。符合在最佳温度范围内曼氏无针乌贼具有高生长速度和高成活率的特点[46]。Peng 等[47]发现水温在25～27 ℃时，曼氏无针乌贼的瞬时生长速率、摄食速率、食物转化率和体长增加长度最佳。排除Peng 等[47]在实验过程中所选种群 (浙南—闽东种群) 与舟山海域内曼氏无针乌贼 (浙北种群) 之间的差异，模型对曼氏无针乌贼在海表温度阈值的分析较为准确。SST 最小值对模型的贡献率小于SST 最大值 (表2)，表明曼氏无针乌贼分布受高温变化的影响较大，且在低温条件下曼氏无针乌贼的活动和摄食频率降低，即曼氏无针乌贼更适宜在温度较高的环境下生存。盐度有利于海洋生物维持渗透压，对曼氏无针乌贼幼体而言，稳定的盐度环境有利于其发育和成熟[48]。该特性解释了SSS 最小值对曼氏无针乌贼分布的影响较大，且在海水盐度较低的条件下曼氏无针乌贼存在概率较小的原因。此外，SSS 最小值达到25‰ 时，曼氏无针乌贼存在概率最大，表明曼氏无针乌贼对盐度的耐受性较强。曼氏无针乌贼存在概率与pH 变化关系表明，曼氏无针乌贼对pH的耐受范围较窄，仅在pH 为7.8～8.3 时的存在概率较大。面对敌害或外界环境条件突变时，曼氏无针乌贼会出现喷墨现象，该现象在pH 过高时也会发生[28]。结合该现象和物种在pH 达8.2 后其存在概率降幅较大的现象可知，曼氏无针乌贼对pH 的变化敏感。因此后续对曼氏无针乌贼潜在适生区进行保护时需注意海洋水质及其酸碱度。

3.2 曼氏无针乌贼适生区分布及其修复策略

MaxEnt 模型预测的物种适生区分布是模型在一定的研究区域和时间尺度下根据已有的约束条件(目标物种的存在数据及其所处环境信息) 而运算出的物种时空分布拟合[49]，具有科学性和直观性，有利于为物种保护区规划研究和物种增殖放流选址提供参考。根据曼氏无针乌贼的适生区分布图及面积大小，可获得其在研究区域的分布特征。首先，曼氏无针乌贼在研究区域内的高适生区总体分布以嵊泗列岛、马鞍列岛和中街山列岛为核心。该特征与曼氏无针乌贼的繁殖特点有关，浙江北部的曼氏无针乌贼种群在需要进行交配和产卵时会游向浅海区和岛屿周围。舟山海域内岛屿众多，诸如嵊泗列岛、马鞍列岛和中街山列岛等岛屿为曼氏无针乌贼繁殖创造了优良条件。其次，曼氏无针乌贼适生区分布面积广，占研究区总面积的75.11%，大部分高适生区集中在舟山本岛的东北方海域，从马鞍列岛到舟山本岛东侧海域呈南北方向延伸，具有一定的连通性。且高适生区与次高适生区包含该海域的3 个海洋特别保护区，其中在高适生区内包含2 个国家级海洋特别保护区，分别为嵊泗马鞍列岛海洋保护区和普陀中街山列岛海洋生态特别保护区。次高适生区则包含了舟山市东部省级海洋保护区。利用该特征，加强对舟山海域内海洋特别保护区的保护，维持其生态系统平衡，有利于保护曼氏无针乌贼潜在适生区，从而间接促进其资源恢复。除自然条件外，资金和政策的支持也同样给予了曼氏无针乌贼资源恢复优势。2017 年舟山市为海洋保护区提供法律支撑，出台了第一部国家级海洋特别保护区地方性法规《舟山国家级海洋特别保护区管理条例》。2018—2022 年，为生态修复累计投入资金超过1 亿元，陆续投放了近50 万立方米的人工鱼礁[50]。因此，鉴于曼氏无针乌贼在舟山海域内适生区分布面积广、适生区保护程度高、资金投入充足及相关保护政策完善，可得出结论：舟山海域曼氏无针乌贼资源恢复的潜力较大。

根据适生区分布情况可采取相应策略进行曼氏无针乌贼增殖放流，从而促进其资源恢复。首先，可在曼氏无针乌贼产卵期选择高适生区投放曼氏无针乌贼成体，该措施有利于较大程度提高曼氏无针乌贼产量。原因在于，与其他海洋生物相比，头足类动物的生命周期相对较短，物种的数量变化受产卵数量和孵化数量的影响较大。并且曼氏无针乌贼产卵期较短，一般为4 月中旬至6 月下旬，亲体繁殖后不久便死亡[51]。其次，次高适生区、中适生区和低适生区3 个适生等级的面积大小相近。从生境保护的角度出发，提高曼氏无针乌贼资源有两种策略，一是扩大曼氏无针乌贼高适生区面积，二是将次高适生区、中适生区和低适生区向更高一级的适生区转化。在面对次高适生区、中适生区和低适生区面积大小相近的情况时，选择次高适生区进行生境修复获得的效益较大。

3.3 MaxEnt 模型在头足类中的应用

MaxEnt 模型在头足类中的应用逐渐增加，本文以头足类曼氏无针乌贼为研究对象展现了Max-Ent 模型在多元生态因子条件下模拟预测物种适生区分布及物种生境需求分析上的适用性。同时，与ArcGIS 软件相结合获得了较为直观的结果，可为曼氏无针乌贼增殖放流选址提供参考。但该模型仍具有一定的局限性，在适生区等级划分上仍然具有一定的主观性。此外，头足类生物活动范围广，其分布不具有明确的分界线，而MaxEnt 模型结果的准确性受样本量和研究范围的影响[52]，因此需考虑研究区的边界范围。综上，应用MaxEnt 模型分析头足类时，应注重模型参数优化和模型预测结果的精度检验。大部分头足类具有洄游分布的特点，根据其洄游规律划分时间尺度，再利用Max-Ent 模型进行物种生境适宜性分析可获得更为精准的物种生境适宜区域分布情况。由于调查过程中受疫情影响，部分月份收集统计到的曼氏无针乌贼分布点较少。为了保证模型的预测精度，本文未将时间尺度划分至月份后再进行曼氏无针乌贼的生境适宜性分析。在今后的研究中，可进一步补充相关数据，探索不同时空尺度下曼氏无针乌贼的生境适宜性，或选择不同物种分布模型与MaxEnt 模型的预测结果进行对比，多方位、多角度地为曼氏无针乌贼的资源养护提供科学参考和理论支持。