《Marine Ecology》：Surficial Substrate Complexity of the Central Gulf of Maine as Observed Through Video Observation During a Fisheries Survey
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缅因湾是一个地质复杂的环境，支持着包括商业重要物种在内的高度多样性的浮游生物、无脊椎动物和鱼类。其底质异质性众所周知，但现有的高分辨率底质数据有限，阻碍了有效的渔业管理。本研究利用视频投放相机系统，在2014年至2021年期间进行的NOAA东北渔业科学中心底层
缅因湾是一个地质复杂的环境，支持着包括商业重要物种在内的高度多样性的浮游生物、无脊椎动物和鱼类。其底质异质性众所周知，但现有的高分辨率底质数据有限，阻碍了有效的渔业管理。本研究利用视频投放相机系统，在2014年至2021年期间进行的NOAA东北渔业科学中心底层延绳钓调查中，对表层底质进行了表征。研究人员从577个站位收集了视频素材，并计算了底质存在比例。主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）可视化各站位间底质组成的相似性，并测试了五种克里金插值方法以预测未采样区域的主成分得分。结合深度和地形崎岖指数（Terrain Ruggedness Index，TRI）的回归克里金法提供了最详细的插值结果。结果证实了缅因湾海底的复杂性和异质性，显示在较浅、崎岖区域砾石和卵石比例较高，而在较深盆地中泥的比例较高。本研究为基于生态系统的渔业科学、重要鱼类栖息地表征、海洋空间规划提供了改进的数据集和方法，并补充了现有的栖息地关联研究的广尺度工作。
缅因湾（Gulf of Maine）位于西北大西洋，是一个半封闭的大陆架海，海底地形异质性极高，从浅至9米的平顶浅滩到深达377米的深盆地均有分布。其表层沉积物主要源自更新世冰川沉积和河流侵蚀，形成黏土、粉砂、砂和砾石的混合体。尽管底质异质性早已被认知，但现有高分辨率底质数据有限，严重制约了基于生态系统的渔业管理和重要鱼类栖息地（Essential Fish Habitat，EFH）识别。底质组成对于商业物种至关重要，例如砾石是 Atlantic cod（Gadus morhua）适宜栖息地的强指示因子，巨石是美国龙虾（Homarus americanus）偏好的庇护所。以往相机观测研究多局限于保护区或易达区域，如 Stellwagen Bank、Jeffreys Ledge 等，空间覆盖不足，无法全面表征缅因湾复杂的底质分布。因此，亟需在更广阔的区域开展系统的表层底质调查，以填补数据空白并支持渔业资源管理。
为此，研究人员利用美国东北渔业科学中心（Northeast Fisheries Science Center，NEFSC）的底层延绳钓调查（Bottom Longline Survey，BLLS）平台，于2014年秋季至2023年秋季期间，在缅因湾东部和中部577个站位部署视频投放相机系统，记录底质类型并计算比例。通过主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）提取底质组成的主要梯度，再采用五种克里金插值方法预测未采样区域的底质分布。研究证实缅因湾海底高度复杂且异质：泥在深盆地占主导，砾石和卵石则集中于浅水、崎岖区域。该研究提供了比现有数据集更精细的底质信息，为渔业科学、栖息地表征和海洋空间规划提供了重要基础。
关键技术方法包括：（1）视频投放相机系统，由 GoPro 相机、防水外壳及配重框架组成，部署于 BLLS 站位，通过30秒注释周期记录底质有无，并将数据转换为每站底质比例；（2）PCA 降维分析，将七个底质类型（泥、粉砂、砂、贝壳碎片、砾石、卵石、巨石、岩石陡崖）的组成比例转化为主成分得分；（3）五种克里金插值方法，包括普通克里金（Ordinary Kriging，OK）、泛克里金（Universal Kriging，UK）、以深度为协变量的协同克里金（Collocated Co-kriging，CK_depth）、以立方根地形崎岖指数为协变量的协同克里金（CK_TRI），以及综合深度和 TRI 的回归克里金（Regression Kriging，RK）；（4）留一交叉验证用于评估模型性能，指标包括均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）和平均平方偏差比（Mean Squared Deviation Ratio，MSDR）。样本来自 NEFSC BLLS 的577个站位，其深度范围为34.05至283.41米，TRI 值为0.32至41.11。
研究结果：
视频摘要：对577个站位的视频分析显示，每站底质类型数为1至5种，平均2.30种。其中146个站位（25.30%）仅记录到单一底质，而126个单一底质站位为泥（占全部站位的21.84%）。PCA 前三个主成分分别解释了44.83%、19.05%和15.23%的变异。与第一主成分（PC1）强关联的底质为泥（负向）、砾石（正向）和卵石（正向）。PCA 散点图中站位并未按深度、TRI、调查分层、纬度或经度形成明显聚类，表明底质组成呈现连续梯度而非离散的栖息地类型。
克里金模型比较：五种克里金模型均成功插值了 PC1 得分。OK 和 UK 模型特征几乎一致，均采用指数变异函数和45度各向异性，表现出中等空间自相关，但变程较短，说明底质组成在短距离内快速变化。CK_depth 模型虽交叉验证误差较低，但变异函数拟合不佳，其模型解释了全部方差且变程很小。CK_TRI 模型出现负块金值，可能反映小于最小采样间距的空间自相关。RK 模型采用包含深度、立方根 TRI 及其交互项的广义线性模型（Generalized Linear Model，GLM），对残差进行普通克里金，其交叉验证的 RMSE 最低（0.4729），误差范围最窄，并生成了最详细的 PC1 插值图，能够识别如 Lindenkohl Knoll 和 Sewell Ridge 等陡峭地形的精细底质分布。
讨论：研究证实缅因湾底质高度异质，近75%的站位存在多种底质，因此现有生态模型常用的粗尺度栖息地定义可能不适用。底质组成与调查分层、深度等可测变量无明确分类关系，可能存在其他未探索的影响因素。与 Stokesbury 等（2024）相比，本研究补充了缅因湾东部和中部的大范围底质数据，验证了泥在 Wilkinson、Murray 和 Rodgers 等深盆地的优势，以及砾石和卵石在冰川退缩形成的洋脊和陡坎区域的分布。克里金插值的局限性在于其距离加权特性会将地形突变平滑化，导致非平稳区域的预测过度概化。RK 模型通过引入深度和 TRI 协变量，部分克服了这一问题，但残差异方差性仍可能影响预测能力。未来应将底质表征与无脊椎动物群落及渔业资源物种的栖息地关联研究相结合，以支持生态系统管理和种群动态理解。
结论：本研究提供了改进的数据集和方法，用于基于生态系统的渔业科学、重要鱼类栖息地表征和海洋空间规划，并补充了现有针对栖息地关联研究的广尺度工作。
