基于计算机模拟的河口渔业资源抽样调查设计比较与优化 ——以长江口为例

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渔业资源调查是开发和保护渔业生物资源的基础,是掌握渔业资源动态的前提,对渔业资源保护、管理策略的制定以及资源可持续利用具有重要意义。目前,在长江口及其邻近海域,有关抽样调查设计优化的研究仅有潮间带底栖生物断面抽样调查比较、长江口鱼类群落定点抽样调查设计的评价,仍缺乏不同抽样调查设计在不同渔业资源生物类群抽样调查上的比较研究,长江口渔业资源科学调查体系仍待完善。所以,有必要从抽样调查设计优化方面开展长江口渔业资源抽样调查设计的相关研究,以满足“十年禁渔”等“长江大保护”政策逐步实施背景下的科学研究、政策制定和实施的需要。因此,本文使用2006-2017年长江口渔业资源定点拖网调查数据,选择资源密度为调查目标,基于模型预测的资源密度值作为“真实”总体的假设,运用计算机模拟方法比较了三种经典抽样方法?简单随机抽样(simple random sampling,SRS)、系统抽样(systematic sampling,Sy S)、分层抽样(stratified sampling,St S)在各季节长江口拖网调查总种类、鱼类、虾类和蟹类抽样调查中的表现,并分析了连续抽样努力量(站位)对最佳抽样调查设计准确度和精密度的影响;同时,基于河口盐度梯度变化特征划分抽样断面,分析研究了整群抽样在河口渔业资源抽样调查中的应用,并从实际采样方案设计角度,探讨分析了适于假设采样站位数量的断面—站位数量组合。研究结果如下:(1)长江口渔业资源生物种类组成及环境特征。各年度,在各季节渔获生物中,鱼类的种类数最多,其次为蟹类和虾类,软体动物等其他渔业资源生物种类数较少。各季节,长江口水温在夏季最高,然后依次为春季、秋季和冬季。春季,长江口水温介于17?24°C之间,平均水温为21°C;夏季,长江口水温范围为26?31℃,平均水温为28℃;秋季,长江口水温介于10?20°C,平均水温为14°C;冬季,长江口水温范围为6?11°C,平均水温为7°C。2006-2017年各季节,自西向东(即口内向口外),长江口盐度未呈现逐渐增加的趋势,但121°48′E以西的研究水域,其盐度皆为0,而在121°48′E以东的研究水域盐度变化较大,存在盐度高值(>20)和盐度零值。以2017年四个季节的盐度观测值为例,121°48′E以东的水域,高盐度水域主要分布在研究水域的北部,长江口南支及其自然延伸水域盐度较低。(2)长江口渔业资源生物类群资源密度时空分布特征。以渔业资源总种类为研究对象,时间尺度上,2017年冬季,长江口渔获生物的资源密度最低,秋季最高,春季和夏季次之;空间分布上,各季节,在长江口南支的自然延伸水域存在渔获生物资源密度的相对低值,资源密度的相对高值出现在31.5°N以北的研究水域范围;总体上,除冬季外,资源密度在其它三个季节皆呈现出北支河口略高于南支河口的现象;各季节,在121°50′E以东的研究水域,渔业资源密度预测值相对较高,长江口外侧水域的资源密度高于长江口内侧水域。以鱼类资源为研究对象,时间尺度上,2017年夏季,长江口鱼类资源密度最高,其它三个季节的鱼类资源密度相对较低;空间分布上,各季节,在长江口南支的自然延伸水域存在鱼类资源密度的相对低值,在崇明岛外围、向海自然延伸方向的水域则存在鱼类资源密度的相对高值;总体上,除冬季外,鱼类资源密度在其它三个季节皆呈现出北支河口略高于南支河口的现象。以渔获虾类为研究对象,时间尺度上,2017年秋季,长江口虾类资源密度最高,冬季虾类资源密度最低;空间分布上,各季节,在长江口南支及其自然延伸水域存在虾类资源密度的相对低值,虾类资源密度的相对高值出现在31.5°N以北的研究水域范围;总体上,除冬季外,虾类资源密度在其它三个季节皆呈现出北支河口略高于南支河口的现象;各季节,在121°50′E以东的研究水域,虾类资源密度预测值相对较高,长江口外侧水域的资源密度高于长江口内侧水域。以渔获蟹类为研究对象,时间尺度上,2017年秋季,长江口蟹类资源密度最高,其它三个季节的蟹类资源密度相对较低,冬季最低;空间分布上,各季节,在长江口南支的自然延伸水域存在蟹类资源密度的相对低值,蟹类资源密度的相对高值出现在31.5°N以北的研究水域范围;总体上,除冬季外,蟹类资源密度在其它三个季节皆呈现出北支河口略高于南支河口的现象。(3)长江口拖网渔业资源抽样调查设计比较。选择资源密度为调查目标,以相对误差(relative error,REE)、相对偏差(relative Bias,RB)和抽样效率(design effect,deff)为评价指标,比较了SRS(Design1)、Sy S(Design2)和基于比例分配、平均分配和抽样成本最优分配方式的St S(分别记作Design3、Design4和Design5)共5种抽样方法在抽样站位数量为12、15和18时对各渔业资源生物资源密度总体的模拟抽样表现。总体上,在估计各渔业资源生物类群资源密度总体均值时,5种抽样调查设计的deff顺序为Design2>Design3>Design4>Design5>Design1,即Sy S>St S>SRS,但在估计秋季虾类和春、秋季蟹类资源密度总体均值时,Sy S的deff比St S略差。总体上,Design2在估计各渔业资源类群资源密度总体均值时有相对较高的精密度和准确度(REE值相对较小),而后依次为Design3>Design4>Design1>Design5;但在估计秋季虾类和春、秋季蟹类资源密度总体均值时,Design2的精密度和准确度比分层抽样调查设计中的Design3略差。对于不同调查目标,Design1和Design3的RB值均呈现围绕0对称分布状态,对估计值不存在高估或低估;对于总种类和鱼类,Design2的RB值的四分位区间多分布在-5%?2%的范围,相对来讲,易造成对估计值的略微低估,而对于虾类和蟹类,Design2的RB值的四分位区间皆分布在-7%?0%的范围,易造成对估计值的低估。所以,不同季节不同渔业资源生物类群的最佳抽样调查设计是不同的,建议根据调查对象和季节实施动态的调查设计。(4)长江口不同渔业资源生物类群抽样调查设计最佳抽样努力量。对于总种类、鱼类、虾类(春季、夏季和冬季)和蟹类(夏季和冬季),采用Sy S进行模拟抽样,通过模拟计算得到不同采样努力下(8?30)100次REE值分布变化趋势。总体来说,REE随抽样努力量n的变化可分为8<n<15、15<n<20、20<n<30三个区间阶段:当8<n<15时,REE随n的增加逐渐减小至10%;当15<n<20时,REE随n的增加基本稳定在10%上下;当20<n<30时,REE随n的增加多数呈现逐渐减少趋势,但减小幅度不大;REE在15<n<20范围的变化趋势说明,随着站位数的增加,系统抽样的抽样准确度稳定且相对高效。对于虾类(秋季)和蟹类(春季和秋季),采用了基于比例分配方式的St S进行模拟抽样,总体来说,当8<n<20时,REE值随着抽样努力的增加减小较快,而当20<n<25时,REE值随着抽样努力的增加减小程度不明显,当25<n<30时,REE值基本趋近于5%或7.5%的数值水平。这一变化趋势说明随着抽样努力的增加,分层抽样的抽样准确度逐渐增加,但在20<n<25的抽样努力区间上,已经达到了相对较高和稳定的准确度水平。因此,针对现行调查方式,15?20个站位数量可作为长江口渔业资源调查的最佳采样站位数量参考范围,但在受天气、海况、预算成本等实际情况影响,选择略少的站位数量也能保证实际调查的精度。(5)断面抽样在长江口渔业资源调查中的应用。基于盐度梯度变化进行断面划分,适宜于不同季节不同渔业资源生物资源密度的断面—站位数量组合是不同的。模拟抽样结果发现,基于划分的31个断面,抽取15个断面时,整群抽样的抽样精度已较高且稳定;对于不同季节不同渔业资源生物类群,REE和RB随断面和站位数量的增加表现出不同的变化规律,抽样估计所需要的适宜断面—站位数量组合也不同;如假设进行10?30个站位数量的实际采样,研究发现,对于不同季节和不同渔业资源生物类群,与假设采样站位数量相适宜的断面—站位数量组合是不同的,但从抽样调查总站位数量上来说,10?20的假设采样站位数量范围内应抽取至少14个站位数,而在20?30的假设采样站位数量范围内应抽取至少24个站位数。在调查设计中很难确定一个最优的调查方案来满足所有的调查目标,因此,在调查中应针对不同的调查目标综合考虑,成本可行的前提下首先满足最重要的调查目标。
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