CN112836997A - 一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、构建耦合海洋环境信息的个体模型：首先设置初始产卵期，然后经过产生新的受精卵超级个体、生长、死亡和输送这个过程，最后所述模型每天输出所有超级个体年龄、胚胎长度或体长、内含个体数量、出生地局部区域识别码和即时所在位置的局部区域识别码；S2、对超级个体中的产卵场健康状态进行评估：将滞留率、生长速度和存活率这三个指标进行归一化处理，并分别通过算数平均和几何平均两种算法，然后整合为一个复合的产卵场健康指数。本发明能够克服受过度捕捞、海洋环境污染和海洋工程等人类活动的多重影响的问题并且有效增强渔业资源的可持续开发和利用。
Description
技术领域
本发明属于海洋环境领域，特别是涉及一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法。
背景技术
传统的栖息地适宜性评估模型主要基于目标生物出现频次或密度分布与生境因子的关系，侧重于反映目标生物对不同生境的偏好，直接是对结果的分析，没有涉及目标生物的生活史过程及补充过程。该技术通过机理性方法，引进超级个体理念，通过栅格分配，结合产卵场流场和温度的环境变化，模拟了目标生物的滞留、生长和存活过程，此机理性方法评估出的产卵场健康指标能更为直观地反映渔业生物对产卵场生境变化的响应。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，以解决上述现有技术存在的问题，使海渔业资源可持续发展和利用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用耦合海洋环境信息的个体模型，模拟早期生活史阶段的生长、死亡和输送过程，评估研究区域内若干个局部区域鲐早期生活史的滞留率、生长速度和存活率，并整合这三个指标生成栖息地适宜性指数以反映产卵场健康状况；
S2、通过机理性方法对超级个体中的产卵场健康状态进行评估。
优选地，S1中通过K-means聚类算法将研究区域划分为若干个面积相似的局部区域；对局部区域可描述表层温度，东向流速、北向流速和局部区域识别码1至20。
优选地，所述模型采用受精卵、仔鱼或者早期幼鱼作为超级个体，所述超级个体有5个状态属性，分别为年龄d、胚胎长度或体长mm、生活史阶段即受精卵、仔鱼或早期幼鱼、内含个体数量和出生地局部区域识别码。
优选地，所述S1中构建模型的过程：首先设置初始产卵期，然后经过产生新的受精卵超级个体、生长、死亡和输送这个过程，最后所述模型每天输出所有超级个体年龄、胚胎长度或体长、内含个体数量、出生地局部区域识别码和即时所在位置的局部区域识别码。
优选地，所述模型的时间分辨率为1天。
优选地，S2中通过机理性方法，基于渔业生物早期生活史阶段的直接合适度，进行评估其潜在产卵场健康状况。
优选地，所述早期生活史阶段有三个指标反映产卵场的健康状况，分别为滞留率、生长速度和存活率；将这三个指标进行归一化处理，并分别通过算数平均和几何平均两种算法，然后整合为一个复合的产卵场健康指数。
优选地，所述超级个体分为3组：流浪个体，即在体长达到50mm前被海流输送到研究区域以外的个体；成员个体，即滞留在研究区域内直至达到50mm长；未定义个体，即一直滞留在研究区域内，但在7月15日前未达到50mm长。
优选地，所述滞留率为所述成员个体占所有个体的比例；所述流浪概率为流浪个体占所有个体的比例；
所述生长速率为
其中Li,jandAi,j分别为在局部区域i 产生的超级个体j的体长mm和年龄d,Ni为在局部区域i产生的成员个体的数量；
所述存活率为
其中，ni,j,50代表在局部区域i产生的超级个体j达到50mm时的内含个体数量，n0为超级个体初始产生时内含个体数量，即100万个。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明通过机理性方法，以鲐为例，利用耦合海洋环境信息的个体模型，模拟了鲐鱼受精卵、仔鱼和早期幼鱼的生长、死亡和输送过程，评估了研究区域内20个局部区域鲐早期生活史的滞留率、生长速度和存活率，并整合这三个指标生成栖息地适宜性指数评估了鲐鱼近海产卵场健康状况。评估出的产卵场健康指数能更为直观地反映渔业生物对产卵场生境变化的响应；
(2)本发明准确的评价了产卵场的健康情况，直接服务于产卵场生境的精准修复，可为渔业资源的养护和管理提供技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为研究区域构建的物理海洋模型示意图；
图2为鲐早期生活史阶段的期望滞留率(a，％)和流浪概率(c，％) 及各自的变异系数(b,d)在局部区域的空间分布；
图3为鲐成员个体达到50mm时的期望生长速度(a，mm/day)及其变异系数(b)在局部区域的空间分布；
图4为鲐成员个体达到50mm时的期望存活率(a，ind/106eggs)及其变异系数(b)在局部区域的空间分布；
图5为山东以南近海鲐产卵场的(a)算数平均和(b)几何平均健康指数在局部区域的空间分布。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
山东以南近海是黄海众多渔业资源种类(包括鲐、小黄鱼和带鱼等) 的重要产卵场和育幼场，也是黄海近海捕捞渔业的重要作业场所。近年来，受过度捕捞、海洋环境污染和海洋工程等人类活动的多重影响，一些重要渔业种群在此海域的产卵场、育幼场等栖息地丧失或发生变迁，直接影响了山东近海渔业资源的可持续开发和利用。本发明以山东以南近海为研究区域，选取鲐为研究对象，利用耦合海洋环境信息的个体模型，模拟了鲐早期生活史阶段(包括受精卵、仔鱼和早期幼鱼)的生长、死亡和输送过程，评估了研究区域内20个局部区域鲐早期生活史的滞留率、生长速度和存活率，并整合这三个指标生成栖息地适宜性指数以反映山东以南近海产卵场健康状况构建物理海洋模型，如图1所示。
通过K-means聚类算法将研究区域划分为20个面积相似的局部区域。各个方格具有4个主要状态属性：表层温度(SST，℃)，东向流速(m/s)、北向流速(m/s)和局部区域识别码(1至20)。
模型中采用了超级个体理论，每个超级个体代表一定数量的鲐受精卵、仔鱼或早期幼鱼。超级个体中所有个体具有相同的状态属性，而不同的超级个体主要在5个状态属性上表现出差异。这5个状态属性为年龄(d)、胚胎长度或体长(mm)、生活史阶段(受精卵、仔鱼或早期幼鱼)、内含个体数量和出生地局部区域识别码。
此模型的时间分辨率为1天。每天初始，更新海洋表层流场和温度场信息；继而，产生新的受精卵超级个体(仅在产卵期执行此模块)；进而超级个体依次经历生长、死亡和输送。被输送到研究区域以外的超级个体，将被定义被“流浪个体”，并即刻消失。
此模型的主要设计理念为：就早期生活史阶段的直接适合度而言，渔业生物潜在产卵场健康状况在局部空间尺度上存在差异。通过模拟均匀分布的鲐受精卵超级个体在早期生活史阶段的生长、死亡和输送过程，我们评估了各个局部区域鲐在达到50mm体长时的滞留率、生长速度和存活率，并整合这三个指标生成栖息地适宜性指数以反映产卵场健康状况分布。因此，局部产卵场的适宜性产生于鲐超级个体与周边物理场的交互作用，Emergence(萌发)是此模型应用的基本设计理念之一。另外，Sensing(感知)和stochasticity(随机性)也是此模型应用的基本设计理念。超级个体能够感知其所处位置的流场和温度场信息，其生长和死亡受周边温度和所处生活史阶段共同调控。新产生的超级个体，被等概率、随机地分配于研究区域的801个栅格中。
此模型包括四个子模块：产生新的受精卵超级个体、生长、死亡和输送。其中，超级个体的生长和死亡受周边温度和所处生活史阶段共同调控。运用此模型，重复(60次)模拟了2014至2018年山东以南近海鲐早期生活史阶段的生长、死亡和输送过程。此模型每天输出所有超级个体年龄、胚胎长度或体长(mm)、内含个体数量、出生地局部区域识别码和即时所在位置的局部区域识别码。
所有产生的超级个体被分为3组：(1)流浪个体，即在体长达到50mm 前被海流输送到研究区域以外的个体；(2)成员个体，即滞留在研究区域内直至达到50mm长；(3)未定义个体，即一直滞留在研究区域内，但在7 月15日前未达到50mm长。我们选定50mm为断点，主要是因为在此阶段的早期幼鱼游泳能力仍较为有限，且超过80％的超级个体能在7月15日前达到此体长。针对各个局部区域，我们以在此区域产生的成员个体占所有个体的比例，计算此局部区域鲐早期生活史阶段的滞留率；并以在此区域产生的流浪个体占所有个体的比例，计算此局部区域鲐早期生活史阶段的流浪概率。计算了各个局部区域成员个体的平均生长速度(mm/day)，其公式为：
其中Li,jandAi,j分别为在局部区域i产生的超级个体j 的体长(mm)和年龄(d),Ni为在局部区域i产生的成员个体的数量。各个局部区域成员个体的平均存活率通过以下公式计算：
其中，ni,j,50代表在局部区域i产生的超级个体j达到50mm时的内含个体数量，n0为超级个体初始产生时内含个体数量，即100万个。
以2014至2018年各60次重复模拟的平均滞留率、生长速度和存活率的均值，作为近年来山东以南鲐早期生活史阶段的期望滞留率、生长速度和存活率。继而，将这三个期望指标进行归一化处理，并分别通过算数平均和几何平均两种算法，将之整合为一个复合的产卵场健康指数。
在各个局部区域，期望滞留率和流浪概率之和皆超过85％(图2)。期望滞留率的空间分布模式年际差异较小。海州湾内各局部区域的期望滞留率相对较高，在滞留鲐鱼卵和仔鱼上体现了明显的优越性；相应地，这些局部区域鲐早期生活史阶段的流浪概率较低。与此相反，位于研究区域东部边界的几个局部区域，鲐早期生活史阶段的期望滞留率明显较低，而流浪概率偏高。
另外，成员个体达到50mm时的期望生长速度和存活率显示出相似的空间变动模式。它们在海州湾南部和研究区域的东北部明显数值更高；而位于研究区域东南角落的局部区域，期望生长速度和存活率最低(图3&4)。各个局部区域期望生长速度和存活率变动范围分别是1.08–1.28mm/day 和0.95–1.35ind/106eggs。这些波动范围看似很小，但累积而言，即使任一指标存在数值大小为0.1的差异，即可能导致早期幼鱼(40至50日龄) 存在4至5厘米的体长差异或新生补充群体在丰度上的量级差异。
整体而言，在海州湾内的局部区域鲐产卵场健康指数较高(0.59–1) (图5)。对海州湾以外的局部区域，产卵场健康指数相对较低，且源自几何平均算法的健康指数较算数平均算法更低。研究区域东北角和东南角的局部区域产卵场健康指数明显较低，主要是因为这两个局部区域明显偏低的鱼卵和仔鱼滞留率(<25％)。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用耦合海洋环境信息的个体模型，模拟早期生活史阶段的生长、死亡和输送过程，评估研究区域内若干个局部区域鲐早期生活史的滞留率、生长速度和存活率，并整合这三个指标生成栖息地适宜性指数以反映产卵场健康状况；
S2、通过机理性方法对超级个体中的产卵场健康状态进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：S1中通过K-means聚类算法将研究区域划分为若干个面积相似的局部区域；对局部区域可描述表层温度，东向流速、北向流速和局部区域识别码1至20。
3.根据权利要求1所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：所述模型采用受精卵、仔鱼或者早期幼鱼作为超级个体，所述超级个体有5个状态属性，分别为年龄d、胚胎长度或体长mm、生活史阶段即受精卵、仔鱼或早期幼鱼、内含个体数量和出生地局部区域识别码。
4.根据权利要求1所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：所述S1中构建模型的过程：首先设置初始产卵期，然后经过产生新的受精卵超级个体、生长、死亡和输送这个过程，最后所述模型每天输出所有超级个体年龄、胚胎长度或体长、内含个体数量、出生地局部区域识别码和即时所在位置的局部区域识别码。
5.根据权利要求1所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：所述模型的时间分辨率为1天。
6.根据权利要求1所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：S2中通过机理性方法，基于渔业生物早期生活史阶段的直接合适度，进行评估其潜在产卵场健康状况。
7.根据权利要求6所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：所述早期生活史阶段有三个指标反映产卵场的健康状况，分别为滞留率、生长速度和存活率；将这三个指标进行归一化处理，并分别通过算数平均和几何平均两种算法，然后整合为一个复合的产卵场健康指数。
8.根据权利要求3所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：所述超级个体分为3组：流浪个体，即在体长达到50mm前被海流输送到研究区域以外的个体；成员个体，即滞留在研究区域内直至达到50mm长；未定义个体，即一直滞留在研究区域内，但在7月15日前未达到50mm长。
9.根据权利要求7-8所述的一种基于个体适合度的产卵场健康评价模型构建方法，其特征在于：
所述滞留率为所述成员个体占所有个体的比例；所述流浪概率为流浪个体占所有个体的比例；
所述生长速率为
其中Li,jandAi,j分别为在局部区域i产生的超级个体j的体长mm和年龄d,Ni为在局部区域i产生的成员个体的数量；
所述存活率为
其中，ni,j,50代表在局部区域i产生的超级个体j达到50mm时的内含个体数量，n0为超级个体初始产生时内含个体数量，即100万个。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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