环境要素的空间插值对长江口刀鲚分布预测的影响

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随着人类活动和全球气候变化对海洋环境影响的日益加剧,海洋生态系统遭到严重破坏。海洋鱼类作为海洋生态系统的主体,环境要素的动态变化是造成其出现时空格局的主要原因之一。海洋环境要素的时空差异在海洋生物群落的聚集和分布格局中具有非常重要的作用。当前海洋生态学研究中,海洋环境数据的获取方式主要有卫星遥感资料、实地观测、数值模拟和声探测等。实地观测因为最直接且精度较高,是近岸海洋环境调查及渔业资源监测的主要调查手段。实地观测通常按照设计的采样站点进行调查,因此无法直接获得连续分布的环境数据。在这种基于点采样的数据获取方式下,空间插值方法是获取环境要素连续分布的有效方法之一。空间插值方法能够重构数据的缺失值,并能评估未采样区域的属性信息以获取连续数据,因此在海洋环境因子的空间连续性分布中已得到广泛应用。但是影响插值结果的因素有很多,如何为给定的数据集选择一个合适的方法是目前研究的重点。长江口作为中国的第一大河口,其复杂的生态环境影响着该水域鱼类生长、繁殖和育幼的过程。刀鲚(Coilia nasus)是长江口重要的传统经济鱼类,不断增加的捕捞活动导致刀鲚资源已处于过度开发状态,准确监测长江口海洋环境变化状况,能够更好的评估刀鲚资源的变动状况。在研究长江口流域鱼类空间分布和环境变化的关系时,将不同空间插值方法对于环境要素和丰度预测的潜在影响纳入考虑,确定最佳的插值方法组合,能够减少对于鱼类时空分布预测结果的不确定性。本研究使用反距离权重插值(Inverse Distance Weighting,IDW)、基于指数、高斯和球面3种半方差模型的普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)以及规则样条函数(Regularized Spline Function,RS)和张力样条函数(Tension Spline Function,TS)2种径向基函数(Radial Basis Function,RBF),对长江口水域2012-2014年的水深、水温、盐度、p H和叶绿素a浓度等环境要素进行插值,并使用不同插值结果对刀鲚资源的空间分布模式进行预测并比较。结果表明:(1)基于VIFs分析,DO和盐度的值大于3,建议被删除。考虑到盐度是造成河口生物群落空间分布变化的重要影响因子,且盐度与COD的相关系数最大,相关性最高,最终删除了DO和COD两个环境变量。最终模型保留的经度、纬度、水深、水温、盐度、p H和叶绿素a变量VIF值分别为:1.74,2.38,1.24,1.21,2.57,1.31和1.26。经AICc准则筛选后,第一阶段的GAM模型偏差解释率为30.1%,AUC值为0.85,较好的预测了刀鲚出现的概率。第二阶段的GAM模型偏差解释率为69.0%,RMSE为324.50;(2)不同空间插值方法获得的环境要素估计值存在差异,由交叉验证发现长江口水域水深和叶绿素a浓度较为适用的空间插值方法为IDW,水温和盐度适用的方法为RS,p H适用的方法为基于高斯模型的OK。各环境变量插值结果的均值与实测数据都较为接近,且插值后数据的离散程度降低,但不会改变环境变量的整体分布趋势。对于长江口水深、水温、p H和叶绿素a浓度这种空间变化趋势较小的数据,不同空间插值方法所得结果的差异较小,OK中半变异模型也未对数据值造成明显的影响。而在对研究海域内盐度的插值结果中,针对高度不均匀性的特征和具体采样站点的分布,各插值方法表现出明显的差别;(3)不同插值方法获得的连续环境数据会对长江口刀鲚的空间分布预测产生影响,其中丰度均值估计结果的差异较小,但对丰度最大值的估计差异很大。基于不同空间插值方法获得的结果预测出的刀鲚资源丰度在空间上总体分布趋势相同,河口内侧资源丰度明显大于河口外侧。但资源的变化趋势和资源量存在差别,OK法的半方差函数在预测结果中表现出较为明显的差异,而两种RBF得到的结果则相似。使用各环境变量最适的空间插值方法所得到的估测值进行丰度预测,其结果处于所有结果的最大和最小值之间。
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