一种用于选择刺参底播增殖地点的方法

摘要

本发明涉及刺参生长环境分析的方法，尤其是一种用于选择刺参底播增殖地点的方法。其包括：筛选生长环境评价因子的步骤；建立以各评价因子的具体值为自变量，以该评价因子的适宜性值为因变量的分段函数；确定各评价因子权重值的步骤；采集目标海域各评价因子的具体值的步骤；将各评价因子的具体值代入与各评价因子有关的分段函数中，得到与各评价因子具体值相对应的该评价因子的适宜性值；利用适宜性指数模型代入目标海域各评价因子的适宜性值及各评价因子权重值，得到目标海域生境适宜性指数。通过本方法选择的底播增殖区可保证刺参在不同目标海域均有最适宜的生长环境，以提高其成活率。

说明书

技术领域

本发明涉及刺参生长环境分析的方法，尤其是一种用于选择刺参底播增殖地点的方法。

背景技术

刺参(Apostichopus japonicus(Selenka))隶属于棘皮动物门海参纲。主要分布于太平洋西北海岸35°N到44°N，包括俄罗斯北部的海参崴、日本海、朝鲜半岛南部和中国的黄渤海。大部分海参是沉积食性，以沉积物中的有机营养物质、细菌和原生动物为食，能减少封闭海域底部沉积物中的有机质含量，抑制藻类大量繁殖。因此，海参被视为一种潜在的生物修复物种。此外，刺参在俄罗斯、中国、日本、韩国和朝鲜均被作为一种重要的渔业资源，具有极高的经济价值。其底播增殖等相关技术也在不断地发展和完善。生境适宜性指数(Habitat suitability index，HSI)模型是1981年由美国鱼类和野生动物服务局开发的，目的是为特定鱼类和野生动物物种描述栖息地质量。HSI模型在物种管理、环境影响评价、丰度分布和生态恢复等领域有着广泛的应用。近年来，该模型也被应用于渔业资源分布和中央渔场预报等领域。渔业资源管理的一个重要研究领域是针对不同生活史阶段的渔业物种建立不同且合适的HSI模型，该模型可为基于生态系统的渔业管理提供重要参考依据。

在渔业资源管理中，目标生物关键栖息地的确定至关重要，其难点在于存在生物与非生物参数的集合，其关键栖息地必须要适应支持与维持鱼类种群的所有生活史阶段，由于生物关键栖息地的时空变化显著，地理信息系统(GIS)作为一种高效的时空分析工具于该领域特别是鱼类关键栖息地的研究，越来越受到管理者的关注与重视。例如，Loots等(2007)利用扩展的加性模型和GIS建立了在克尔格伦的电灯鱼的栖息地模型；Stanbury和Starr(1999)利用GIS来进行栖息地评估与海洋资源管理；Mason和Lowe(2010)研究了在加利福尼亚南部海洋保护区内的金目鲈的活动范围、栖息地利用和现场保真度。随着全球定位系统，遥感和GIS技术的发展，特别是在GIS强大的空间数据采集、存储、分析和图形显示功能下，栖息地生境适宜性指数模型已经变的更为全面和准确。

现有的关于选择刺参底播增殖地点的方法主要是依靠经验判断和目标海域的历史记载以及目前是否存在自然资源来判断，该方法较为盲目，没有对目标海域的季节加以区分，也没有对不同大小的刺参个体分别研究底播区域，缺乏科学性与系统性。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种用于选择刺参底播增殖地点的方法，它基于海洋调查数据，可更为客观地科学选择目标海域在不同季节，进行刺参幼体或者成体底播增殖，也可以方便选择出适宜进行刺参底播增殖的地点，本方法还将季节和刺参个体大小分别纳入判断体系，为刺参底播增殖提供科学指导。通过本方法选择的底播增殖区可保证刺参在不同目标海域均有最适宜的生长环境，以提高其成活率。其采用的技术方案如下：

一种用于选择刺参底播增殖地点的方法，其特征在于，包括：

筛选生长环境评价因子的步骤；

建立以各评价因子的具体值为自变量，以该评价因子的适宜性值SI_i(i＝1～n)为因变量的分段函数，n代表评价因子的数量，n为正整数；

确定各评价因子权重值W_i(i＝1～n)的步骤，n的值为评价因子的数量，n为正整数；

采集目标海域各评价因子的具体值的步骤；

将各评价因子的具体值代入与各评价因子有关的分段函数中得到与各评价因子具体值相对应的该评价因子的适宜性值SI_i(i＝1～n)，n代表评价因子的数量，n为正整数；利用适宜性指数模型代入目标海域各评价因子的适宜性值及各评价因子权重值得到目标海域生境适宜性指数HSI。

在上述技术方案基础上，所述筛选生长环境评价因子的步骤中以沉积物分类、水温、盐度、水深、pH值和溶解氧作为评价因子。

在上述技术方案基础上，刺参生境适宜性等级划分的步骤为选取沉积物分类、水温、盐度、水深、pH值和溶解氧6种环境要素作为判断目标地点是否适合进行刺参底播增殖的评价因子，为了区分刺参幼体和成体，定义小于25g的为幼体，大于25g的为成体，每个环境要素的分值范围从0(不适合)到1(最为适合)；

沉积物分类：刺参倾向栖息于粗砂，极粗砂和砾石的环境中，而较少分布于粉砂、细砂与黏土中，综合考虑认为刺参对栖息地的选择依次为巨砾(R)>砾石(G)>砂质(S)>黏土(Y)>粉砂(T)，沉积物分类这一评价因子适宜性值如下表：

水温：研究结果表明幼参(<25g)和成参(>25g)的最适温度并不相同，并且刺参的适宜温度随其个体的增大而降低，幼参最适温度为19～20℃，15～23℃为其适宜温度，超过25.5℃幼参会进入夏眠，而低于4.7℃幼参会进入冬眠状态，生存温度为0.5～30℃；

对于幼参而言，水温这一评价因子，分段函数为：非常适宜：19＜x≤20，SI＝1；适宜：15＜x≤19，SI＝0.05*x+0.05；20＜x≤23，SI＝-1/15*x+7/3；较适宜：4.7＜x≤15，SI＝5/103*x+37/515；23＜x≤25.5，SI＝-0.2*x+5.4；基本适宜：0.5＜x≤4.7，SI＝1/14*x-1/28；25.5＜x≤30，SI＝-1/15*x+2；不适宜：x≤0.5，SI＝0；x＞30，SI＝0；x代表水温；

成参最适水温为10～15℃，适宜温度为6～17℃，超过20℃刺参会进入夏眠，而低于3℃成参进入冬眠状态，其生存温度为0～28℃；

对于成参而言，水温这一评价因子，分段函数为：非常适宜：10＜x≤15，SI＝1；适宜：6＜x≤10，SI＝0.05*x+0.5；15＜x≤17，SI＝-0.1*x+2.5；较适宜：3＜x≤6，SI＝1/6*x-0.2；17＜x≤20，SI＝-1/6*x+109/30；基本适宜：0＜x≤3，SI＝0.1*x；20＜x≤28，SI＝-0.0375*x+1.05；不适宜：x≤0，SI＝0；x＞28，SI＝0；x代表水温；

盐度：棘皮动物为狭盐性，在盐度偏低或有淡水注入的半咸水极少生存，其最适盐度为31～32，适宜盐度为28～34，生存盐度为22～39；

对于盐度这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：31＜x≤32，SI＝1；较适宜：28＜x≤31，SI＝1/15*x-16/15；32＜x≤34，SI＝-0.1*x+4.2；基本适宜：22＜x≤28，SI＝2/15*x-44/15；34＜x≤39，SI＝-0.16*x+6.24；不适宜：x≤22，SI＝0；x＞39，SI＝0；x代表盐度；

水深：虽然刺参的垂直分布很广，但水深仍对刺参的分布有一定影响，并且幼参和成参的分布水深差异显著，研究表明幼参主要分布于靠近沿岸的浅水区，在水深10m以上的海域几乎无幼参分布；

对于幼参而言，水深这一评价因子，分段函数为：非常适宜：0≤x≤3，SI＝1；较适宜：3＜x≤10，SI＝-1/7*x+10/7；不适宜：x＞10，SI＝0；x代表水深；

而成体的最适宜水深为3～5m，适宜生活水深在3～15m，但在某些区域刺参分布可达35m；

对于水深这一评价因子对于成体而言，分段函数为：非常适宜：3＜x≤5，SI＝1；适宜：5＜x≤15，SI＝-0.02*x+1.1；较适宜：0＜x≤3，SI＝1/3*x；15＜x≤35，SI＝-0.04*x+1.4；不适宜：x＞35，SI＝0；x代表水深；

pH：刺参对pH值适应范围较广，最适pH范围在7.9～8.2，生存pH范围在在6.0～9.0；

对于pH这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：7.9＜x≤8.2，SI＝1；基本适宜：6＜x≤7.9，SI＝10/19*x-60/19；8.2＜x≤9，SI＝-1.25*x+11.25；不适宜：x≤6，SI＝0；x＞9，SI＝0；x代表pH；

溶解氧：溶解氧是刺参增殖水质的核心指标，刺参最适宜溶解氧应＞5.0mg/L，适宜溶解氧范围应＞3.6mg/L，生存溶解氧范围应＞3.0mg/L；

对于溶解氧这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：x＞5，SI＝0。适宜：3.6＜x≤5，SI＝1/7*x-2/7；基本适宜：3＜x≤3.6，SI＝4/3*x-4；不适宜：x≤3，SI＝0；x代表溶解氧。

在上述技术方案基础上，所述确定各评价因子权重值W_i(i＝1～n)的步骤包括：通过对自然海区中与刺参分布密切相关的环境因子按不同季节的区分结合成体、幼体的区分进行多次权重值打分，应用层次分析法建立层次结构模型，根据各因子之间关系，建立递阶层次结构，随后对同一层次的各评价因子重要性大小进行两两比较，分别构建各季节刺参幼体和成体的两两比较判断矩阵，并通过一致性检验(即CR<0.1)，最终确定各季节下刺参幼体和成体的各评价因子的权重值W_i(i＝1～n)，所述目标海域生境适宜性指数HSI是指目标海域不同季节的刺参幼体或成体的相对生境适宜性指数。

在上述技术方案基础上，所述适宜性指数模型为：

其中，HSI表示适宜性指数，SI_i代表各评价因子的适宜性值；W_i代表各评价因子的权重值；i＝1～n，n的值为评价因子的数量，n为正整数，i代表上述公式中所输入的n个评价因子；例如以SI₁代表沉积物分类这一评价因子的适宜性值，那么W₁则代表沉积物分类这一评价因子的权重值；以SI₂代表水温这一评价因子的适宜性值，那么W₂则代表水温这一评价因子的权重值，以此类推；HSI结果显示的是一个从0到1，即不适合到最适合的生境适宜性指数。

在上述技术方案基础上，所述刺参幼体和成体的四个季度各评价因子权重值为：

本发明的有益效果为：基于海洋调查的数据，可更为客观的科学选择目标地区在不同季节，进行刺参幼体或者成体底播增殖，也可以方便选择出适宜进行刺参底播增殖地点，本方法还将季节和刺参个体大小分别纳入判断体系，对刺参底播增殖提供科学的指导，通过本方法选择的底播增殖区可保证刺参在不同目标海域均有最适宜的生长环境，以提高其成活率。此外通过各环境因子的权重赋值，求算生境适宜性指数HIS，综合评价底播海区的环境适宜性，避免了单一指标或主观干扰产生的误判，从而规避底播海区选择不当造成的经济损失。

附图说明

图1(a-h)：影响海参生长和存活的主要环境因素与适宜性的关系图：(1a)沉积物分类(R：基岩，SG：砂质砾，GS：砾质砂，CS：粗砂，MCS：中粗砂，MS：中砂，FMS：细中砂，FS：细砂，YS：黏土质砂，TS：粉砂质砂，STY：砂-粉砂-黏土，ST：砂质粉砂，T：粉砂，YT：黏土质粉砂，TY：粉砂质黏土)；(1b)盐度；(1c)幼体水温；(1d)成体水温；(1e)幼体水深；(1f)成体水深；(1g)pH值；(1h)溶解氧。

图2：山东省研究区域位置图；

图3：莱州湾西岸刺参幼体和成体的生境适宜性指数地图；

图4：小黑山岛海域刺参幼体和成体的生境适宜性指数地图；

图5：荣成湾刺参幼体和成体的生境适宜性指数地图；

图6：青岛海域刺参幼体和成体的生境适宜性指数地图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种用于选择刺参底播增殖地点的方法，其特征在于，包括：

筛选生长环境评价因子的步骤；

建立以各评价因子的具体值为自变量，以该评价因子的适宜性值SI_i(i＝1～n)为因变量的分段函数，n代表评价因子的数量，n为正整数；

确定各评价因子权重值W_i(i＝1～n)的步骤，n的值为评价因子的数量，n为正整数；

采集目标海域各评价因子的具体值的步骤；

将各评价因子的具体值代入与各评价因子有关的分段函数中得到与各评价因子具体值相对应的该评价因子的适宜性值SI_i(i＝1～n)，n代表评价因子的数量，n为正整数；利用适宜性指数模型代入目标海域各评价因子的适宜性值及各评价因子权重值得到目标海域生境适宜性指数HSI。

(1)刺参作为沉积物食性者，对沉积物的颗粒大小和类型均有选择性，其倾向栖息于巨砾、砾石和粗砂中，并以粒径为1～80μm的颗粒为食；(2)水温是刺参存活和生长的另一个主要生境因子，水温过高或过低都会抑制其生长，甚至增加其发病率，所以刺参形成了夏眠和冬眠的生存策略来降低能耗、减少氧化自由基和变性蛋白的产生；(3)刺参作为狭盐性物种，当盐度过高或过低时都会影响刺参的存活与生长；(4)此外，还有证据表明水深、pH值和溶解氧等均对刺参存活与生长有一定影响。故优选的，所述筛选生长环境评价因子的步骤中以沉积物分类、水温、盐度、水深、pH值和溶解氧作为评价因子。

优选的，为了区分刺参幼体和成体，定义小于25g的为幼体，大于25g的为成体，每个环境要素的分值范围从0(不适合)到1(最为适合)；

如图1a所示，沉积物分类：刺参倾向栖息于粗砂，极粗砂和砾石的环境中，而较少分布于粉砂、细砂与黏土中，综合考虑认为刺参对栖息地的选择依次为基岩(R)>砾石(G)>砂质(S)>黏土(Y)>粉砂(T)，沉积物分类这一评价因子适宜性值如下表：

水温：研究结果表明幼参(<25g)和成参(>25g)的最适温度并不相同，并且刺参的适宜温度随其个体的增大而降低，幼参最适温度为19～20℃，15～23℃为其适宜温度，超过25.5℃幼参会进入夏眠，而低于4.7℃幼参会进入冬眠状态，生存温度为0.5～30℃；

如图1c所示，对于幼参而言，水温这一评价因子，分段函数为：非常适宜：19＜x≤20，SI＝1；适宜：15＜x≤19，SI＝0.05*x+0.05；20＜x≤23，SI＝-1/15*x+7/3；较适宜：4.7＜x≤15，SI＝5/103*x+37/515；23＜x≤25.5，SI＝-0.2*x+5.4；基本适宜：0.5＜x≤4.7，SI＝1/14*x-1/28；25.5＜x≤30，SI＝-1/15*x+2；不适宜：x≤0.5，SI＝0；x＞30，SI＝0；x代表水温；

成参最适水温为10～15℃，适宜温度为6～17℃，超过20℃刺参会进入夏眠，而低于3℃成参进入冬眠状态，其生存温度为0～28℃；

如图1d所示，对于成参而言，水温这一评价因子，分段函数为：非常适宜：10＜x≤15，SI＝1；适宜：6＜x≤10，SI＝0.05*x+0.5；15＜x≤17，SI＝-0.1*x+2.5；较适宜：3＜x≤6，SI＝1/6*x-0.2；17＜x≤20，SI＝-1/6*x+109/30；基本适宜：0＜x≤3，SI＝0.1*x；20＜x≤28，SI＝-0.0375*x+1.05；不适宜：x≤0，SI＝0；x＞28，SI＝0；x代表水温；

盐度：棘皮动物为狭盐性，在盐度偏低或有淡水注入的半咸水极少生存，其最适盐度为31～32，适宜盐度为28～34，生存盐度为22～39；

如图1b所示，对于盐度这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：31＜x≤32，SI＝1；较适宜：28＜x≤31，SI＝1/15*x-16/15；32＜x≤34，SI＝-0.1*x+4.2；基本适宜：22＜x≤28，SI＝2/15*x-44/15；34＜x≤39，SI＝-0.16*x+6.24；不适宜：x≤22，SI＝0；x＞39，SI＝0；x代表盐度；

水深：虽然刺参的垂直分布很广，但水深仍对刺参的分布有一定影响，并且幼参和成参的分布水深差异显著，研究表明幼参主要分布于靠近沿岸的浅水区，在水深10m以上的海域几乎无幼参分布；

如图1e所示，对于幼参而言，水深这一评价因子，分段函数为：非常适宜：0≤x≤3，SI＝1；较适宜：3＜x≤10，SI＝-1/7*x+10/7；不适宜：x＞10，SI＝0；x代表水深；

而成体的最适宜水深为3～5m，适宜生活水深在3～15m，但在某些区域刺参分布可达35m；

如图1f所示，对于成参而言，水深这一评价因子，分段函数为：非常适宜：3＜x≤5，SI＝1；适宜：5＜x≤15，SI＝-0.02*x+1.1；较适宜：0＜x≤3，SI＝1/3*x；15＜x≤35，SI＝-0.04*x+1.4；不适宜：x＞35，SI＝0；x代表水深；

pH：刺参对pH值适应范围较广，最适pH范围在7.9～8.2，生存pH范围在在6.0～9.0；

如图1g所示，对于pH这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：7.9＜x≤8.2，SI＝1；基本适宜：6＜x≤7.9，SI＝10/19*x-60/19；8.2＜x≤9，SI＝-1.25*x+11.25；不适宜：x≤6，SI＝0；x＞9，SI＝0；x代表pH；

如图1h所示，溶解氧：溶解氧是刺参增殖水质的核心指标，刺参最适宜溶解氧应＞5.0mg/L，适宜溶解氧范围应＞3.6mg/L，生存溶解氧范围应＞3.0mg/L；

对于溶解氧这一评价因子而言，分段函数为：非常适宜：x＞5，SI＝0。适宜：3.6＜x≤5，SI＝1/7*x-2/7；基本适宜：3＜x≤3.6，SI＝4/3*x-4；不适宜：x≤3，SI＝0；x代表溶解氧。

优选的，所述确定各评价因子权重值W_i(i＝1～n)的步骤包括：通过对自然海区中与刺参分布密切相关的环境因子按不同季节的区分结合成体、幼体的区分进行多次权重值打分，应用层次分析法建立层次结构模型，根据各因子之间关系，建立递阶层次结构，随后对同一层次的各评价因子重要性大小进行两两比较，分别构建各季节刺参幼体和成体的两两比较判断矩阵，并通过一致性检验(即CR<0.1)，最终确定各季节下刺参幼体和成体的各评价因子的权重值W_i(i＝1～n)，所述目标海域生境适宜性指数HSI是指目标海域不同季节的刺参幼体或成体的相对生境适宜性指数。

优选的，所述适宜性指数模型为：

其中，HSI表示适宜性指数，SI_i代表各评价因子的适宜性值；W_i代表各评价因子的权重值；i＝1～n，n的值为评价因子的数量，n为正整数，i代表上述公式中所输入的n个评价因子；例如以SI₁代表沉积物分类这一评价因子的适宜性值，那么W₁则代表沉积物分类这一评价因子的权重值；以SI₂代表水温这一评价因子的适宜性值，那么W₂则代表水温这一评价因子的权重值，以此类推；HSI结果显示的是一个从0到1，即不适合到最适合的生境适宜性指数。

优选的，所述刺参幼体和成体的四个季度各评价因子权重值为

进一步，得到目标海域的适宜性指数HSI后，利用地图绘制软件ArcMap 10.1forDesktop绘制适宜性指数地图。

应用案例：

1、研究区域概况：

如图2所示，我们将该方法分别应用于山东省的四个区域以验证其可靠性，数据来源为2006-2014年63个站位共16个航次所获得的数据，分别选择五月、八月、十一月和二月来代表春夏秋冬四个季节。

山东省研究区域位置图：(a)莱州湾西岸；(b)小黑山岛海域；(c)青岛海域；(d)荣成湾。如下表所示：

2、理化数据分析测定：

理化数据测定分析：海洋碎屑沉积的分类与命名采用Shepard和Folk的分类命名系统。底层水温、盐度，水深，pH值和溶解氧的测定采用多参数水质监测仪器(YSI 6600-m)。

3、结果：

主要环境因素测定结果

如图3所示，在山东半岛西部的莱州湾西岸，刺参幼体的适宜性指数从0.28～0.66，平均0.42±0.04；成体适宜性指数从0.23～0.73，平均0.44±0.04。夏季刺参幼体和成体的适宜性指数都很低，并且冬季幼体适宜性指数在部分区域也很低。

如图4所示，在山东半岛北部的小黑山岛海域，刺参幼体的适宜性指数从0.40～0.60，平均0.50±0.01；成体适宜性指数从0.43～0.66，平均0.58±0.01。小黑山岛海域全年均较为适合刺参幼体和成体的生长，其中相较于幼体春季和秋季更适宜成体的存活与生长。

如图5所示，在山东半岛东部的荣成湾，刺参幼体的适宜性指数从0.35～0.95，平均0.53±0.06；成体适宜性指数从0.40～1.00，平均0.56±0.05。除了冬季部分区域不适宜刺参幼体外，荣成湾全年大部分时间与区域均适宜刺参幼体和成体的生长，春季和秋季更适宜成体，而夏季更适宜幼体。

如图6所示，在山东半岛南部的青岛海域，刺参幼体的适宜性指数从0.39～0.94，平均0.64±0.10；成体适宜性指数从0.47～0.99，平均0.69±0.09。除了冬季的一小部分区域不适宜刺参幼体外，青岛的大部分区域和时间均适宜刺参幼体和成体的生长，春季和秋季对于刺参幼体和成体没有显著差异，而夏季更适宜幼体，冬季更适宜成体。

在本案例中，应用该方法，我们发现除了莱州湾西岸的适宜性较低，不适合作为刺参底播增殖地点外，小黑山岛海域、荣成湾和青岛海域均适宜进行刺参底播增殖。这一结果与我们通过走访当地渔民调查刺参资源生物量的结果相一致。在刺参底播增殖时，我们建议小黑山岛海域使用大于25g的成体并尽量在春秋两季进行；荣成湾使用大于25g的成体时，应在春秋两季地图上适宜性指数为0.4～1的位置进行，使用小于25g的幼体时，应在夏季地图上适宜性指数为0.4～1的位置进行；对于青岛海域如果使用大于25g的成体，我们也建议在春秋两季地图上适宜性指数为0.4～1的位置进行投放，而使用小于25g的幼体时，我们建议在春夏秋三季地图上适宜性指数为0.4～1的位置进行。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。