何彥龍，劉守海，袁一鳴，蔣科技，王騰，秦玉濤，任遠(yuǎn)豪

(1.國(guó)家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，上海201206；2.自然資源部生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201206；3.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院東海水產(chǎn)研究所，上海201206)

1 引言

生境是物種生存、繁衍所必須的空間[1?2]，某一物種生境的形成是物種與所處環(huán)境因子以及物種間相互作用的結(jié)果[3–4]。預(yù)測(cè)物種及其適宜性生境分布對(duì)于研究物種多樣性、生物入侵、氣候變化等至關(guān)重要[5–6]。物種分布預(yù)測(cè)模型主要以生態(tài)位理論為基礎(chǔ)，利用已知的物種分布數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境變量，判斷物種的空間生態(tài)位，運(yùn)算結(jié)果與時(shí)間和空間相關(guān)聯(lián)，預(yù)測(cè)物種的實(shí)際分布和潛在分布[7]。常見的生態(tài)位模型 包 括BIOCLIM、DOMAIN、GARP、CLIMEX和Maxent[8]等，Maxent最大熵模型是以最大熵理論為基礎(chǔ)的密度估計(jì)和物種分布預(yù)測(cè)模型，廣泛應(yīng)用于定量分析環(huán)境因子對(duì)物種分布的影響以及物種的潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)[9–10]。研究表明，應(yīng)用Maxent模型預(yù)測(cè)物種的潛在分布，其結(jié)果優(yōu)于同類的其他預(yù)測(cè)模型[11–13]。近年來(lái)，該模型已經(jīng)成功用于珍稀物種保護(hù)區(qū)適應(yīng)性評(píng)估、入侵生物重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)確定等領(lǐng)域。如顏文博等[14]、朱明暢等[15]、曹銘昌等[16]開展了鳥類生境適宜性預(yù)測(cè)研究；李麗鶴等[17]、張熙驁等[18]對(duì)入侵生物分布預(yù)測(cè)研究；車樂等[19]、劉想等[20]、劉清亮等[21]、徐軍等[22]對(duì)農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)植物潛在種植區(qū)或生境預(yù)測(cè)研究；齊增湘等[23]對(duì)大型動(dòng)物棲息地適宜性預(yù)測(cè)研究。

海洋底棲生物是一類終生或一段時(shí)期棲息于海底或近底層水域的生態(tài)類群[24?25]。底棲生物的組成、分布和數(shù)量動(dòng)態(tài)不僅受到海水溫度、鹽度變化的影響，而且與沉積環(huán)境及其他生物有密切關(guān)系[25]。然而，海洋底棲生物分布受制于其隱蔽的生活習(xí)性，傳統(tǒng)采樣方式很難準(zhǔn)確掌握其分布范圍。海地瓜，俗稱香參、白參、海茄子，屬芋參目（Molpadida）、尻參科（Caudinidae）、海地瓜屬（Acaudina）動(dòng)物，在我國(guó)海南、廣東、福建和浙江沿海等地廣泛分布[26]，是非常典型的底棲生物，其幼體未完成變態(tài)前處于浮游狀態(tài)，成體則在底泥中生活。近年來(lái)，海地瓜已成為核電冷源等取水口典型堵塞生物，對(duì)海上核電運(yùn)行安全產(chǎn)生較大影響，但目前對(duì)其生境環(huán)境特征和分布區(qū)域仍然缺少了解。因此，本研究利用DNA條形碼技術(shù)檢測(cè)海水中海地瓜信息并判斷其分布點(diǎn)，利用Maxent模型預(yù)測(cè)區(qū)域海地瓜分布格局，試圖為海地瓜類海洋底棲生物分布格局的預(yù)測(cè)提供技術(shù)支持。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)查

寧德晴川灣海域是我國(guó)海地瓜分布的重要區(qū)域之一，2015年8月，該海域海地瓜大規(guī)模聚集，造成核電冷源安全事故，據(jù)報(bào)道是至今唯一一起由海地瓜堵塞導(dǎo)致核電冷源取水安全事故①國(guó)家核安全局關(guān)于近期海洋生物或異物影響核電廠取水安全事件的通報(bào)。。本研究選擇晴川灣及周邊海域?yàn)檠芯繀^(qū)，在2018年7月，開展水環(huán)境、沉積環(huán)境以及生物群落調(diào)查，調(diào)查站位見圖1，采用《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763.1 —2007）中關(guān)于水環(huán)境、沉積物和生物調(diào)查分析的方法。為滿足Maxent模型所需的環(huán)境變量數(shù)據(jù)，本研究在全面調(diào)查基礎(chǔ)上共獲取了32個(gè)變量數(shù)據(jù)指標(biāo)（表1）。

表1 海地瓜生境適宜性分布預(yù)測(cè)應(yīng)用的生態(tài)環(huán)境變量Table 1 The ecological environment variables used to predict the potential habitat of the Acaudina molpadioides

2.2 海地瓜數(shù)據(jù)

本研究利用DNA條形碼技術(shù)鑒定海地瓜物種分布情況。首先，通過拖網(wǎng)捕撈獲得成體海地瓜，對(duì)海地瓜成體進(jìn)行DNA測(cè)序，通過在數(shù)據(jù)庫(kù)搜索獲得海地瓜COI基因參考序列，并設(shè)計(jì)通用引物通過PCR擴(kuò)增，繼而對(duì)目標(biāo)片段進(jìn)行測(cè)序、比對(duì)，判斷為海地瓜COI序列；設(shè)計(jì)特定引物用于熒光定量擴(kuò)增，特異性片段為251 bp；通過不同組的特異性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（A：模板為海地瓜DNA；B：模板為幾種近緣物種海參DNA；C：A+B混合DNA；D：模板為水），分別進(jìn)行PCR擴(kuò)增，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有A和C有目的條帶出現(xiàn)（圖2），判斷引物具有特異性，上游引物20 bp，下游引物22 bp。然后從10 L水樣中抽濾，再使用海洋動(dòng)物組織基因組DNA提取試劑盒eDNA（《海洋動(dòng)物組織基因組DNA提取試劑盒》離心柱型（目錄號(hào)：DP324）；天根生化科技（北京）有限公司），記錄eDNA體積，并與成體海地瓜序列進(jìn)行比對(duì)，鑒定是否有海地瓜幼體分布，最終形成該海域海地瓜分布點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖2 PCR電泳圖譜Fig.2 The PCR electrophoretogram

2.3 研究方法

2.3.1 模型運(yùn)行

將海地瓜數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入Maxent（版本3.4.1）軟件，運(yùn)算過程中隨機(jī)選取75%的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集建立預(yù)測(cè)模型，剩余的25%作為測(cè)試集驗(yàn)證模型。重復(fù)運(yùn)行類型選擇Bootstrap，同時(shí)勾選刀切法，其余參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。依據(jù)模型生成的各環(huán)境變量百分比貢獻(xiàn)率表征其重要性，并通過單一變量響應(yīng)曲線來(lái)分析海地瓜分布概率對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)，其他參數(shù)均為模型的默認(rèn)值。將模型重復(fù)運(yùn)行10次，取平均數(shù)以獲得最終的模擬結(jié)果。將預(yù)測(cè)結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS并轉(zhuǎn)換為Raster格式，生成海地瓜分布概率預(yù)測(cè)圖。

2.3.2 模型驗(yàn)證

受試者工作特征（Receive Operating Characteristic,ROC）曲線由橫坐標(biāo)的特異性和縱坐標(biāo)的靈敏性構(gòu)成。ROC曲線與橫坐標(biāo)之間的面積為曲線下面積（A rea Under Curve,AUC），可以用來(lái)衡量模型的整體性能，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。AUC值在0.5 ～0.6 表明模型模擬效果為失??；0.6 ～0.7 表明效果較差；0.7 ～0.8表明模擬效果一般；0.8 ～0.9 表明模擬效果好；0.9 ～1表明模擬效果非常好[27]。AUC值越接近1，表明環(huán)境變量與預(yù)測(cè)物種地理分布之間的相關(guān)性越大，模型預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確[28]。物種分布預(yù)測(cè)不僅需要評(píng)估其潛在分布，同時(shí)需要對(duì)潛在區(qū)進(jìn)行等級(jí)劃分。

Zonation軟件是用于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)規(guī)劃的軟件，主要用于優(yōu)化生態(tài)空間布局方面。通過將Maxent模型和Zonation模型相結(jié)合，可以很好地確定物種潛在分布的優(yōu)選區(qū)[17]。本研究將Maxent模擬生成的海地瓜分布概率圖（ASCII格式）輸入到Zonation軟件中進(jìn)行模擬，采用“核心區(qū)移除規(guī)則”以保留海地瓜分布的核心區(qū)域，同時(shí)使用邊緣移除，選擇翹曲因子為“1”，其他參數(shù)為模型默認(rèn)值[29]。依據(jù)Zonation運(yùn)算得到嵌套分級(jí)的景觀序列，按照景觀喪失比例與物種分布剩余比例之間的關(guān)系確定主要分布區(qū)，并在Arc-GIS中作為確定生境適宜性分級(jí)的依據(jù)。

3 結(jié)果

3.1 Maxent模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

模型運(yùn)行結(jié)果表明，模型運(yùn)行10次時(shí)的海地瓜AUC值為0.998，表明Maxent模型的預(yù)測(cè)效果較好（圖3 a）。模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可信度。

圖3 海地瓜Maxent預(yù)測(cè)模型AUC曲線（a）和刀切法檢驗(yàn)結(jié)果（b）Fig.3 The results of AUC test for Acaudinamolpadioides (a)and the resultsof jackknife test (b) by Maxent model

3.2 海地瓜潛在分布及影響因子

根據(jù)Maxent模型中刀切法分析結(jié)果，判斷不同環(huán)境因子對(duì)模型貢獻(xiàn)權(quán)重（圖3 b）和貢獻(xiàn)率（表2），本研究統(tǒng)計(jì)對(duì)海地瓜分布貢獻(xiàn)率大于1%的環(huán)境變量12個(gè)。水深、黏土顆粒體積占比、沉積物硫化物含量、浮游動(dòng)物密度、粉砂顆粒體積占比、活性磷酸鹽、浮游動(dòng)物生物量對(duì)海地瓜分布的影響最大，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.3%。其中水深以及沉積物黏土顆粒體積占比、沉積物硫化物含量對(duì)海地瓜分布預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)最大，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到58.9%。

表2 各環(huán)境變量貢獻(xiàn)率Table2 Contribution percent of each environmental factor in M axEnt modeling

分析海地瓜潛在分布概率與主要環(huán)境因子之間的響應(yīng)可知（圖4），海地瓜分布與水深、硫化物含量、粉砂含量比例呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，當(dāng)水深大于5m、硫化物含量大于20 mg/kg時(shí)，預(yù)測(cè)貢獻(xiàn)顯著下降。海地瓜潛在分布與黏土顆粒體積占比、浮游動(dòng)物生物量及密度之間存在明顯的正相關(guān)，當(dāng)黏土顆粒體積占比大于28%、浮游動(dòng)物密度大于50 ind./m3時(shí)，原始預(yù)測(cè)貢獻(xiàn)顯著增加，表明黏土占比及浮游動(dòng)物密度的增加有利于海地瓜分布。

圖4 潛在分布概率對(duì)主要環(huán)境變量的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curvesof potentialdistribution probability to major environmentalvariables

3.3 海地瓜潛在分布區(qū)預(yù)測(cè)

將海地瓜潛在分布概率圖輸入Zonation中運(yùn)行，得到Zonation的特性曲線（圖5）。當(dāng)研究區(qū)景觀面積喪失40%時(shí)，海地瓜的潛在分布區(qū)剩余比例接近80%，即60%的研究區(qū)為80%海地瓜的潛在分布區(qū)。

圖5 Zonation特性曲線Fig.5 Performance curve of Zonation model

因此，依據(jù)潛在分布概率大小以及景觀喪失和物種保留關(guān)系，將海地瓜潛在分布劃分為5級(jí)：極高適宜分布區(qū)、較高適宜分布區(qū)、中度適宜分布區(qū)、較低適宜分布區(qū)、極低適宜分布區(qū)（表3）。極高概率分布區(qū)域主要集中在福鼎市跳尾島附近海域，近岸海域分布概率顯著高于近海海域。海地瓜極高分布區(qū)占研究區(qū)域的0.3 %，約為5.9 km2，較高與極高分布區(qū)總面積約為25.6 km2，占研究區(qū)域的1.3 %（圖6）。

圖6 海地瓜分布預(yù)測(cè)區(qū)域Fig.6 The potential spatialdistribution of Acaudina molpadioides

表3 分布區(qū)等級(jí)及分布面積占比Table 3 distribution grade and the percentage of distribution area

4 討論

本研究針對(duì)海地瓜在寧德晴川灣及鄰近海域適宜性生境進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到優(yōu)秀水平，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采集到海地瓜成熟個(gè)體分布區(qū)域基本一致。水體環(huán)境、沉積環(huán)境以及浮游生物對(duì)海地瓜生境均產(chǎn)生影響。水體環(huán)境中水深、鹽度、無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽含量是影響海地瓜生境適宜性的主要因子，對(duì)海地瓜分布預(yù)測(cè)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到39%，水深是決定海地瓜生境適宜的最主要因子，水深變化與海地瓜生境適應(yīng)性存在顯著負(fù)相關(guān)，尤其當(dāng)水深大于5m時(shí)，海地瓜分布概率顯著降低。這表明海地瓜適宜分布于水深較淺以及鹽度較低的近岸海域。陳海燕等[30]對(duì)北黃海底棲生物的研究發(fā)現(xiàn)，底棲生物的豐度和生物量與水深和鹽度的變化呈負(fù)相關(guān)，底棲動(dòng)物隨水深增加而多度逐漸下降，本研究海地瓜隨水深變化趨勢(shì)與陳海燕等研究結(jié)果基本吻合。同時(shí)，水體氮、磷是海洋浮游植物群落生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，通過海洋食物鏈的級(jí)聯(lián)效益對(duì)底棲物質(zhì)循環(huán)起著舉足輕重的作用，一般而言，中等營(yíng)養(yǎng)水平物種多樣性較高，而貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)下多樣性較低。本研究發(fā)現(xiàn)，海地瓜高概率分布區(qū)域水體氮磷比普遍高于14，無(wú)機(jī)氮的含量顯著高于活性磷酸磷含量，水體環(huán)境存在一定的磷限制（圖7 a）。因此，近岸過多匯入的氮影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及過程，對(duì)海地瓜分布造成一定影響。何鎏臻等[31]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口底棲生物功能群與水體pH、硝酸鹽、溶解氧和溫度表現(xiàn)較好的相關(guān)性，何鎏臻等[31]、李少文等[32]研究均表明，在長(zhǎng)江口、萊州灣等水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的區(qū)域，多毛類等肉食性底棲生物由于充足的碎屑食物來(lái)源，其生物量和密度均顯著高于其他功能群生物。從而進(jìn)一步表明，富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致浮游植物大量增殖，浮游植物死亡后形成的大量有機(jī)質(zhì)從水體沉降至海底，碎屑食者獲得充足的食物來(lái)源，致使其生物密度大量增加，有利于海地瓜等碎屑食者種群生長(zhǎng)。但是，過多的氮磷對(duì)底棲生物的分布會(huì)產(chǎn)生不利影響，熊金林等[33]對(duì)湖泊底棲生物研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷濃度過高能導(dǎo)致底棲動(dòng)物逐漸消亡。劉樂丹等[34]研究發(fā)現(xiàn)，中等營(yíng)養(yǎng)水平以上，底棲動(dòng)物多樣性與總磷呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與筆者對(duì)海地瓜的研究結(jié)果一致。

其次，底棲生物的分布與其底質(zhì)生境的性質(zhì)密切相關(guān)，底質(zhì)性質(zhì)是影響底棲生物分布的最主要因子[35]。不同的底質(zhì)生境，往往生物的構(gòu)成也存在差異，本研究發(fā)現(xiàn)，沉積物粒度、硫化物和總有機(jī)碳對(duì)海地瓜分布產(chǎn)生較大影響（表2，圖7 b，圖7 c），預(yù)測(cè)累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到40.4%。其中黏土顆粒體積占比與預(yù)測(cè)分布概率之間顯著正相關(guān)，而與粉砂顆粒體積占比存在顯著負(fù)相關(guān)，表明海地瓜更適宜于黏土組成的底棲生境。沉積物組成及體積變化是造成底棲生境異質(zhì)性的主要因素，張海萍等[36]研究發(fā)現(xiàn)，底棲動(dòng)物密度與底質(zhì)粒徑小于4mm體積百分比呈正空間自相關(guān)，生物量、豐富度指數(shù)與粒徑32mm底質(zhì)體積百分比呈正空間自相關(guān)。王海明等[35]研究發(fā)現(xiàn)，浙北泥沙底質(zhì)中底棲生物種類最多，芋參屬是底質(zhì)為泥?細(xì)粉砂生境代表種，與本研究預(yù)測(cè)黏土組成的底質(zhì)生境海地瓜分布概率更高基本吻合。另外，沉積物質(zhì)量變化也會(huì)對(duì)底棲生物分布產(chǎn)生直接影響，本研究發(fā)現(xiàn)，沉積物有機(jī)碳含量高的區(qū)域海地瓜分布概率較高（圖7 c），有機(jī)質(zhì)碎屑有利于海地瓜分布。同時(shí)，沉積物硫化物含量與海地瓜預(yù)測(cè)分布在空間上為負(fù)相關(guān)，也表明硫化物對(duì)海地瓜分布產(chǎn)生影響，可能的原因是在缺氧環(huán)境下，沉積物硫化物還原后產(chǎn)生的硫化氫對(duì)底棲生物產(chǎn)生毒性作用，一般硫化物含量高的區(qū)域，底棲生物豐度和生物量普遍較低。蔡麗萍[37]對(duì)舟山群落底棲生物與環(huán)境因子的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳與底棲生物多樣性存在正相關(guān)，硫化物含量與底棲生物豐富度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。黃昆等[38]對(duì)廈門灣底棲生物種類數(shù)與有機(jī)碳和硫化物關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，底棲動(dòng)物種類數(shù)與有機(jī)碳之前存在顯著的負(fù)相關(guān)，底棲生物多樣性與硫化物之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，浮游動(dòng)物密度和生物量對(duì)海地瓜分布產(chǎn)生一定影響（表2，圖7 d），三者預(yù)測(cè)累計(jì)貢獻(xiàn)率為16.8%，其中與浮游動(dòng)物密度關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。呂巍巍[39]對(duì)潮間帶底棲生物研究發(fā)現(xiàn)，自然潮灘浮游生物食者的豐度存在季節(jié)性的顯著性差異。表明底棲生物與浮游生物通過食物網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，海地瓜的分布受到上層浮游生物群落分布影響。

圖7 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境空間變化Fig.7 Spatial changeof ecological environment elements in the study area

5 結(jié)論

Maxent模型對(duì)于預(yù)測(cè)物種區(qū)域分布以及評(píng)價(jià)物種生境適宜性方面在全球廣泛應(yīng)用，本研究對(duì)海地瓜生境適宜性預(yù)測(cè)基本明晰了海地瓜對(duì)生境的喜好，對(duì)于海地瓜資源利用以及海岸工程尤其是核電等取水口設(shè)計(jì)和維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。對(duì)于海地瓜資源利用，可選擇在海地瓜適宜生長(zhǎng)的區(qū)域進(jìn)行養(yǎng)殖或捕撈。而對(duì)于海岸工程尤其是核電廠冷源取水口選址，應(yīng)首先考慮避開海灣水動(dòng)力弱，沉積作用強(qiáng)烈或靠近河口等區(qū)域水深較淺、鹽度較低、以黏土?粉砂組成的底質(zhì)等適宜于海地瓜生長(zhǎng)的區(qū)域。對(duì)于已經(jīng)建設(shè)在海地瓜高密度分布的區(qū)域，建議通過改變工程區(qū)域水體動(dòng)力環(huán)境，減弱沉積作用，減少海地瓜生境的適宜性，降低區(qū)域海地瓜種群密度，避免大量海地瓜堵塞取水口造成安全隱患。總體上，最大熵原理是源于一種用有限信息來(lái)客觀地推斷未知概率分布的方法，仍然存在一些爭(zhēng)論，同時(shí)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性也受制于數(shù)據(jù)的可獲取性和準(zhǔn)確性。本研究?jī)H是基于一次調(diào)查結(jié)果，未考慮海地瓜季節(jié)性變動(dòng)，調(diào)查區(qū)域也相對(duì)較少，因此，今后研究中可結(jié)合季節(jié)性及多年的數(shù)據(jù)，通過多次訓(xùn)練提高模型預(yù)測(cè)的精度。