基于定置刺網的不同采樣設計對三疣梭子蟹資源量估算的模擬分析

王迎賓，劉 雅，趙 靜

（浙江海洋大學水產學院，浙江舟山 316022）

三疣梭子蟹（Portunus trituberculatus）是東海海域最主要的經濟蟹類之一［1］，占全球商業捕撈蟹類的四分之一［2］。從1987年到2019年，東海海域三疣梭子蟹產量一直在波動中持續增長。2019年，我國東海海域的三疣梭子蟹年捕撈產量為32.9×104t，約占我國三疣梭子蟹捕撈總量的71.8%［3］。東海北部是三疣梭子蟹產量較高的海域，捕撈量約占我國東海該種類總產量的50%［2］。

為了保護漁業資源可持續利用，2017年農業農村部率先在浙江省開展限額捕撈試點，選擇長江口比鄰水域三疣梭子蟹進行試點管理。該海域以定置刺網作為三疣梭子蟹的捕撈生產漁具。定置刺網具有選擇性強、操作簡單方便、成本低、對生物棲息地破壞小等優點［4］。此外，定置刺網漁船作業油耗量較低，捕獲的三疣梭子蟹個體較大，產值高，具有很好的經濟效益與發展前景［4］。三疣梭子蟹定置刺網是由若干塊網片連接成長帶形的網具，捕撈原理是使用錨將網具敷設在蟹類洄游通道上或活動區域內，促使蟹纏繞在網衣上而捕獲，其主要捕撈對象為三疣梭子蟹，對于其他魚蝦蟹類兼捕不多，對海洋生物多樣性以及海洋生態環境影響較?。?-5］。

限額捕撈管理的有效實施是基于對總可捕量（TAC）的準確評估［6］?；诘淄暇W和蟹籠等漁具對三疣梭子蟹資源量開展評估的研究已有相關報道［7-8］。本研究以長江口比鄰水域三疣梭子蟹漁業主要捕撈網具——定置刺網為例，模擬分析采樣調查方法、站位數量、網列數量和季節等因素對三疣梭子蟹資源量評估結果的影響，進而提出基于定置刺網估算三疣梭子蟹資源量的更為優化的調查方法，對三疣梭子蟹資源量開展科學合理的評估，既可降低評估成本，又可作為常規資源調查技術的有益補充，以期為浙北漁場三疣梭子蟹限額捕撈管理提供技術參考，為保護、開發和合理利用東海北部漁業資源提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究海域為東海北部長江口比鄰水域，包含了浙江北部近岸海域。三疣梭子蟹時空分布資源底圖數據來源于2006年和2007年單拖船在該海域漁業資源調查，范圍是29°00＇N～32°00＇N、120°00＇E～125°00＇E，共34個采樣站位（具體采樣站位分布詳見圖1）。調查分為4個季度，即2006年8月和2007年1月、5月、11月。為了獲取研究海域三疣梭子蟹資源量分布情況，以34個站位點的調查數據為基礎，使用掃海面積法計算東海北部海域各季節三疣梭子蟹資源總量的分布情況，再利用克里金插值法對研究海域內的未知采樣點進行插值，獲得了春夏秋冬4個季節三疣梭子蟹資源“真實”分布，即“真值”［7-8］?？死锝鸩逯捣ㄊ且环N廣泛使用的統計學方法。它以空間自相關性為出發點，通過原始數據及其空間分布對某一區域內的未知采樣點進行插值。通過在ArcGIS軟件中輸入已有的三疣梭子蟹資源分布數據，即可利用克里金插值法預測研究海域內的資源狀況。使用克里金插值法預測的物種“真實”分布情況，能夠作為基礎“真值”使用，并在此基礎上評估采樣設計的效果。同時，假定每個季節內三疣梭子蟹資源量是一定的，每次模擬采樣時都隨機均勻地產生對應數量的坐標，用坐標點代表三疣梭子蟹的位置，每模擬一次就會產生一個新的隨機分布坐標，即三疣梭子蟹隨機均勻分布的動態變化過程。

圖1 研究海域實際調查采樣站位圖Fig.1 Sam pling stations in the actual survey area

三疣梭子蟹棲息在10～50 m深的近海淺海區域，主要集中在底質為泥沙的10～30 m深的海域中［9］。研究海域4個季節的海流流速數據來自《中國近海潮流永久預報圖表集附表T、D值表2001》和海洋工程專業知識服務系統網站http：／／ocean.ckcest.cn，研究海域10～50 m層深的海域中各季節海流速度范圍是：春季流速為0.03～0.14 m·s-1，夏季流速為0.09～0.17 m·s-1，秋季流速為0.01～0.04 m·s-1，冬季流速為0.02～0.08 m·s-1。再結合《中國近海潮流永久預報圖表集》計算得出研究海域春夏秋冬4個季節的海流平均流速為0.10 m·s-1、0.15 m·s-1、0.03 m·s-1、0.05 m·s-1。

1.2 采樣設計

本文根據定點采樣、簡單隨機采樣、分層定點采樣和分層隨機采樣4組采樣調查方式，將研究海域劃分為0.1×0.1的采樣網格，一共產生了850個可進行模擬采樣的潛在采樣單元格。

定點采樣及站位分配方案：每次采樣固定地在研究海域內的850個采樣網格中按一定時空分布規律依次選擇16個和25個固定的站位點進行采樣。為了確保采樣站位點能更好地代表研究海域，考慮到入?？趨^域底質泥沙含量大，潮流速度和生物生態環境的特殊性，每次采樣都在該區域至少設置一個采樣站位點（圖2）。

簡單隨機采樣：從研究海域的850個潛在采樣網格中隨機抽取16個和25個采樣站位點，進行不放回的抽樣。

分層定點采樣：依據不同季節的資源分布情況和海水的流速、潮流方向和等深線來進行分層，分為A、B、C、D共4層，每層采樣站位數根據層內資源密度標準差和潛在采樣網格面積的比例進行分配，為保證最少采樣站位數量，每層最少設置2個采樣站位點。因此，A、B、C、D 4個層分別固定地抽取2個、9個、3個和2個采樣站位點（圖2-c）。

圖2 模擬采樣站位設計圖Fig.2 Sam p ling station design

分層隨機采樣：依據本研究中分層定點采樣對每層采樣站位點的劃分規則，從A、B、C、D 4個層中分別隨機抽取2個、9個、3個和2個采樣站位點，進行不放回的抽樣。

每種采樣方案均考慮到4個季節的資源密度分布、4個季節的海流速度和3種網列數量（50列、80列、150列）的對比分析，一共組成了72種采樣設計方案（表1）。

表1 定置刺網模擬采樣方案表Tab.1 Set gillnet simulation samp ling schemes design table

1.3 定置刺網調查模擬分析

基于概率統計方法，建立三疣梭子蟹定置刺網漁業評估算法模型，進而計算出研究海域每只三疣梭子蟹被捕獲的概率（圖3）。其中，海流的速度是v0，三疣梭子蟹移動的速度是v1，在水流的影響下三疣梭子蟹移動的最大偏移角度與水流方向成θ角，易知由于缺少相關的文獻和獨立的實驗來確定速度，通過咨詢相關專家和漁民，設置了一個較為合適的速度值用于建模的運算。定置刺網可以攔截影響的最大海域范圍是梯形ABCD和半橢圓所圍成的區域里，以刺網為x軸建立坐標系，AB為單列刺網長度l（以4個網片為例，每片網長14 m，l＝56 m）；t為刺網放置時間；OF為刺網放置時間內可影響海域范圍的最長直線距離，OF＝v0t；OE為每行定置刺網網列的間隔距離d＝0.1 n mile即185.2 m。假設三疣梭子蟹P的坐標是P（x，y），P點與定置刺網所成的三角形為ΔPAB，海流流經三疣梭子蟹P點可以將∠APB分成α、β兩個角，只考慮坐標軸右邊可捕撈范圍時，易知α＞β。

圖3 定置刺網捕撈三疣梭子蟹示意圖Fig.3 Schematic diagram of fishing Portunus trituberculatus w ith set gillnet

每只三疣梭子蟹能被捕捉到的概率分3種情況：

1）當θ＜β時，此時海流流速v0和三疣梭子蟹移動速度v1所成的夾角θ到刺網AB所圍成的三疣梭子蟹可移動區域范圍小于刺網的可捕撈范圍，此時三疣梭子蟹P不存在潛在逃跑區域，三疣梭子蟹一定會被刺網捕捉到，概率P＝1。

2）當β＜θ＜α時，此時三疣梭子蟹移動的最大偏移角度與水流方向所成θ角和刺網AB所圍成的三疣梭子蟹可移動區域范圍大于刺網的可捕撈范圍，此時三疣梭子蟹可以從角之外的區域逃跑，所以，三疣梭子蟹P被捕捉到的概率可由三疣梭子蟹移動所能覆蓋的面積求得：

3）當θ＞α時，此時三疣梭子蟹的移動范圍大于刺網可捕撈范圍，不僅β角之外存在潛在逃跑范圍，α角之外也存在可逃跑范圍，同理可求出此時三疣梭子蟹P被刺網捕捉到的概率：

②當三疣梭子蟹處在刺網可捕撈范圍內的x區域時，此時三疣梭子蟹的位置如圖示P＇點，三疣梭子蟹P＇和刺網所圍成的可以被定置刺網捕撈到的最大夾角范圍為γ。

1）當θ≤γ時，γ角的右邊區域存在刺網影響不到的三疣梭子蟹逃跑范圍，此時三疣梭子蟹被捕捉的概率是：

2）當θ＞γ時，此時γ角的左邊和角的右邊均存在三疣梭子蟹可以逃跑的潛在區域，三疣梭子蟹被捕捉的概率是：

③當三疣梭子蟹處于其他位置時P＝0。

1.4 模擬分析流程

定置刺網的模擬采樣流程如圖4所示，根據刺網捕撈量估算模擬研究總資源量的公式為：

圖4 定置刺網模擬分析流程Fig.4 Simulation analysis process of set gillnet

式中，n代表采樣站位數量，Zj代表每個采樣站位刺網捕獲的三疣梭子蟹總量，Yestimated代表計算機模擬采樣實驗結果的估算值，A為850個采樣網格計算出的研究海域總面積。

1.5 評價指標

應用相對估計誤差（relative estimation error，REE）評價本次模擬采樣調查結果的精度和準確度［10-12］。

應用相對偏差（relative bias，RB）評價模擬采樣調查結果估計值的準確度及偏離真值的情況［8，11］。

式中，Yestimatedi是第i次計算機模擬采樣實驗結果的估算值，Yture是利用克里金插值法得到的三疣梭子蟹資源量的“真實”分布情況，R表示的是每種采樣方案重復模擬計算次數，本研究中R的取值為1 000。REE值表示三疣梭子蟹資源量的估算值和“真值”的差異及波動情況。RB值表示三疣梭子蟹資源量的估算值和“真值”的偏離情況［13］。

本研究中所有計算和實驗模擬過程均使用Python程序語言實現。

2 結果與分析

2.1 不同采樣方法的模擬結果

從圖5和圖6可以看出，定點采樣方法的REE值和RB值分布范圍都比隨機采樣方法大，定點采樣REE值最大值出現在秋季V1采樣方案中，最小值出現在春季V6方案中。分層隨機采樣模擬結果普遍好于分層定點采樣的結果。定點采樣重復1 000次的模擬結果離群值比隨機采樣的離群值少，箱形圖（圖7）箱體高度小于隨機采樣。分層隨機采樣方案的離群值明顯少于簡單隨機采樣方案，并且其箱體高度小于簡單隨機采樣方案的箱體高度。

2.2 不同站位數量的模擬結果

漁業資源調查的采樣站位數量是影響調查結果的準確性和精確性的重要因素。25個采樣站位的模擬結果優于16個采樣站位的結果。在隨機采樣方案中，當采樣站位數量從16個增加到25個時，調查結果的REE值從87.59%下降到59.76%（圖5）。簡單隨機采樣方案REE值下降幅度比定點采樣方案小。由此可見，定點采樣方案中，采樣站位數量越多，資源估算的結果越精確。

2.3 不同網列數量的模擬結果

隨著網列數量的增加，調查結果的REE值和RB值表現出不同的變化特征，這說明網列數量的變化對調查結果也有一定的影響。在定點采樣方案中，當選擇16個采樣站位數量時，隨著網列數量由50列增加到150列，調查結果的REE值整體呈下降趨勢。當選擇25個采樣站位數量時，夏季和冬季出現了隨著網列的增加REE值先下降后上升的趨勢（圖5）。RB值除了春季之外，其他季節都隨著網列數量的增加呈現由正到負變化的趨勢，秋季變化趨勢最為顯著。隨機采樣方案中，隨著網列的增加，資源量調查結果的REE值略有下降，但下降幅度沒有定點采樣明顯。而RB值整體都為負值，結果低估了資源量。在分層定點采樣方案中，春季和冬季模擬調查結果的REE值都隨著網列數量的增加不斷下降，夏季和秋季卻出現了先低后高的趨勢。春季和冬季，網列數量和RB值呈正相關趨勢。夏季和秋季，隨著網列數量增加，RB值出現了從正值向負值的轉變，此時，網列數量越多，越容易對資源量造成低估。在分層隨機采樣方案中，50列、80列和150列網列數量調查結果的REE值相差范圍是：春季10.84%，夏季20.21%，秋季18.61%和冬季19.05%（圖5）。而相對誤差RB值均為負值，且相同網列數量的情況下，冬季的RB值最小。

2.4 不同季節的模擬結果

研究海域水文特征的季節性變化和三疣梭子蟹季節性時空分布都會在一定程度上影響到定置刺網漁具的資源量調查結果。在定點采樣方案，16個采樣站位數量的情況下，每種采樣方案秋季的模擬調查結果REE值和RB值均高于其他季節（圖5-e、圖6-e）。4個季節的三疣梭子蟹資源量估算結果表明，秋季的資源量估計值偏離“真值”最明顯，離群值也最少。秋季的海流速度最小，資源密度最高，秋季模擬調查結果的誤差最大，對三疣梭子蟹資源量估算的精確度最低（圖7）。

圖5 72種采樣方案的相對誤差（REE）值Fig.5 Relative estimation error（REE）values of 72 sam pling schemes

圖6 72種采樣方案的相對偏差（RB）值Fig.6 Relative bias（RB）diagram of 72 sampling schemes

圖7 定置刺網每個季節18種采樣方案重復模擬計算1 000次估算出的三疣梭子蟹資源量Fig.7 Estimated resource of Portunus trituberculatus by repeated simulation calculations w ith 18 sam p ling schemes in each season of set gillnet

在隨機采樣方案中，各采樣方案里冬季模擬調查結果的REE值比其他3個季節都小。由圖7可知，冬季的資源密度低且分布較為均勻，三疣梭子蟹資源量估算的精確度和準確度均比其他3個季節要高。4個季節隨機采樣調查結果的RB值均為負數且4個季節的RB值沒有規律性可尋，模擬結果低估了資源量。

在分層定點采樣方案中，REE和RB的最大值出現在冬季的V13采樣方案中，而最小值在夏季的V13采樣方案中出現。冬季的RB值為正，其他季節均是由正轉為負值?？梢?，三疣梭子蟹資源密度高的季節適合使用分層采樣設計方案。

在分層隨機采樣方案中，相同采樣方案下，4個季節的REE值最高值出現在夏季的V16采樣方案中，最低值出現在冬季的V18采樣方案中。4個季節的RB值都為負值，出現了三疣梭子蟹資源量低估的情況。

3 討論

3.1 采樣方法的比較分析

定點采樣方案調查結果REE和RB值分布范圍是4種采樣方法中最大的，RB總體上為正值，資源量高估情況最為嚴重。因為在定點采樣站位的選擇上，部分站位設置在資源密度較高的采樣網格內。定點采樣方法在研究目標種群非隨機均勻分布在生態系統中的情況下，往往會產生低精度估計［11］。隨著站位數量和定置刺網網列的不斷增加，調查結果的REE值和RB值下降趨勢較為顯著，調查結果穩定性較低。因此，在東海北部海域使用定置刺網調查三疣梭子蟹資源量時，使用定點采樣方案的適應性差，調查結果的準確度低。

簡單隨機采樣方案計算機模擬調查實驗結果的REE值總體變化趨勢不大，每種采樣方案的REE值較為接近，隨著站位數量和網列數量的增加REE值以較小的幅度下降。但是資源密度高的季節，站位數量越多，網列數量越多的情況下，REE值越大，這可能是因為簡單隨機采樣在樣本總樣較小的情況下，調查效率更高［14］，隨機采樣方案的站位選擇受主觀因素的影響較小，調查結果較為穩定［13］。但是簡單隨機采樣方案資源量估算結果的離群值較定點采樣和分層定點采樣要多，單次調查結果的估計值準確度存在不確定性。

分層采樣方案計算機模擬調查實驗結果的REE值比不分層采樣的小，分層采樣計算機模擬實驗結果比不分層采樣要好，這與其他研究結果基本一致［12，15］。分層采樣是一種高效、費用低、精確的采樣方式，也是近代漁業資源調查方法中最常見的一種統計方法［15］。本研究區域位于東海北部海域，根據海域三疣梭子蟹資源量密度標準差和采樣網格面積進行分層，分層采樣結果優于不分層采樣。

3.2 采樣站位數量的比較分析

隨著增加采樣站位數量的增加，RB值由正值轉為負值的情況，資源量估算結果也出現了由高估到低估的變化情況。這可能是由于刺網的選擇性相對較強的特點造成的，當刺網上存在目標漁獲物時，很有可能會降低定置刺網的捕獲率［16］。孫春陽［13］在基于拖網采樣設計研究中分別使用了8、16、24個采樣站位數量，結果表明分層采樣站位數量并不是越多越好，16個分層采樣站位數量調查結果比24個定點采樣和簡單隨機采樣的調查結果要好。本研究的72種采樣方案中無論是定點采樣還是隨機采樣，均有25個采樣站位的評估結果差于16個采樣站位結果的情況出現，這與孫春陽［13］研究結果相似。分層采樣設計并不是選擇越多采樣站位越好。采樣站位數量的增加可以提高調查的準確性，但過多的采樣站位會加大調查難度，增加調查成本，破壞生態環境，不利于漁業資源的可持續發展［17］，因此，調查站位數量的選擇要根據實際調查環境和調查目標物種特性，甚至調查工具來確定。

3.3 網列數量的比較分析

本研究結果顯示，網列數量過多，容易對資源量造成低估。當刺網上存在漁獲物時，在光線較好的情況下，刺網的捕撈概率會大大降低，這樣刺網的調查數據很大程度上會出現低估［14］。此外，刺網與底拖網［18］相比，可選擇性相對較強，對于某些體長范圍的魚類會捕撈不到，所以刺網調查數據對于魚類資源量的評估普遍存在低估現象［19-21］。目前尚未見到定置刺網在評估三疣梭子蟹資源量時所需最佳網列數量的研究，孫春陽［13］研究發現，在基于蟹籠的不同采樣設計對東海北部三疣梭子蟹資源量估算的模擬分析研究中，使用500只、1 000只和3 000只蟹籠數量進行對比實驗得出蟹籠的數量對采樣設計的效果沒有影響［22］。本文以50列、80列和150列定置刺網網列進行了模擬實驗對比分析，發現80列網列數量在25個采樣站位數量下的定點采樣方案中就獲得很好的調查結果，150列網列數量反而容易對資源量造成低估；簡單隨機采樣和分層采樣方案中，80列網列即可以獲得相對穩定的調查結果。通過蟹籠數量和定置刺網網列數量的研究結果對比發現，調查漁具數量的使用需要一個合理的范圍。

3.4 季節的影響分析

潮流對刺網漁獲量具有一定的影響，大潮之后潮流速度較平穩的狀態下刺網的捕撈量更高［23］，本研究結果與其相符，在秋季海流速度最小的情況下，秋季定點采樣方案的RB值較大且為正，出現了對資源量的高估情況。孟新翔等［15］在黃河口底拖網斷面數對資源量指數估計的影響研究中指出，由于研究物種的種類各不同，資源量指數估計所需最適斷面數也不盡相同，這主要與各種類具有不同的空間分布特征及其季節變化有關，在目標種類數量出現較大規模的空間變化時，應當增加斷面層數。三疣梭子蟹具有季節性時空分布的特征，季節性因素對三疣梭子蟹資源量調查的準確度存在一定影響。不同季節的相對誤差REE值變化顯著，比如秋季定點采樣方案REE值明顯高于其他季節。冬季三疣梭子蟹資源密度低，冬季資源量估算結果誤差較其他季節都小，因此模擬調查結果的REE值冬季總體小于秋季，冬季三疣梭子蟹資源量估計值也較秋季更為靠近“真值”。

本研究尚存在一些不足，研究中假定三疣梭子蟹隨水流的移動速度是恒定的，實際情況中，蟹類的移動一定會受到海洋環境特征、蟹類年齡大小以及其他生物因素的影響，移動速度不盡相同，僅以海流方向與速度作為確定定置刺網有效捕撈范圍的依據，存在一定不合理性。在今后的研究中，需考慮蟹類移動速度隨著海流速度而呈現出的變化特征。此外，本研究只針對三疣梭子蟹進行估算研究，沒有考慮刺網對魚類和其他蟹類的兼捕問題。因此，下一進研究也應將兼捕因素考慮到對目標物種資源量的評估過程中。