【文献解析】模拟海洋社会—生态系统空间管理的效益、成本和权衡 - 海洋资源管理政策

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文章信息

标题：模拟海洋社会生态系统空间管理的效益、成本和权衡

期刊：Fish and Fisheries (If:5.6 ) 

第一作者：Daniel Ovando

通讯作者：Daniel Ovando

First published：20 October 2023

摘要

制定有效的空间管理战略具有挑战性，因为海洋生态系统是高度动态和不透明的，而捕捞船队等资源开发实体对生态系统变化的内生反应方式取决于生态和政策背景。我们提出了一个建模框架marlin，它可以有效地模拟海洋生态系统的生物经济动态，为管理和研究提供支持。我们通过对海洋保护区（MPAs）在保护和食物产出方面影响的两个案例研究，展示了marlin的性能，包括沿岸珊瑚礁渔业和远洋渔业。在沿岸珊瑚礁渔业案例中，我们探讨了物种分布和渔船偏好的异质性如何影响海洋保护区的分布结果。而在金枪鱼渔业案例中，我们展示了如何利用模型评估不同 MPAs 设计策略的气候适应性以及不同捕捞船队的气候敏感性。本文展示了一个具有中等复杂性模拟过程的生物经济动态模型是如何帮助渔业进行预测并实施管理，以实现资源养护、开发以及受空间生物经济动态影响的管理政策分配之间的权衡。

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研究背景

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世界各地越来越多地寻找管理海洋生态系统的空间战略。然而，由于不同物种对捕捞的适应能力、时空分布及对各捕捞船队的价值不同，且捕捞船队本身对捕捞政策会产生不同程度的激励和反应，设计切实有效的空间管理战略往往面临巨大的挑战。先前的一些研究开发了许多支持空间管理战略的理论和设计的模型，但他们往往不具有普适性，都是针对于特定地点进行设计且模型结构高度复杂。因此，一个复杂性较为合理的模型成为负责海洋空间规划工作人员迫切之需。因此，我们提出了一个生物经济建模工具marlin，使用者可以对不同渔船在多样化和动态的海域中所捕捞的多种物种进行海洋管理政策的影响模拟。

本研究介绍了marlin的模型框架，并重点展示了它在两个渔业管理案例中的应用：包括沿岸珊瑚礁渔业和远洋金枪鱼渔业。研究旨在探讨生态、经济和设计属性之间的相互作用对海洋保护区收益、成本以及资源养护与开发之间权衡的影响。总之，本文证明了marlin模型的有效性，并强调了在政策评估中充分考虑现实的生态和经济动态的重要性。

模型简介

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marlin 是一个用于高效运行海洋动物群和渔业模拟的R包。它可以在时空尺度上跟踪多个捕捞船队以多个独立物种为目标的年龄结构种群。模型包含两部分，即种群动态 (Population model)和捕捞动态 (Fleet dynamics model)。marlin相关代码及说明可从GitHub上获取(https://github.com/DanOvando/marlin-paper)。

案例研究

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本文通过两个案例来演示marlin是如何支持海洋空间规划。研究使用了三种基于经验法则的MPA设计策略：(1) 比率策略：优先考虑资源衰退物种产量占比高的斑块；（2）目标捕捞策略：优先考虑总产量较高的斑块；（3）产卵场策略：优先考虑产卵场所在斑块。

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案例一：沿岸珊瑚礁渔业

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使用marlin模拟了四种热带太平洋物种的动态：褐点石斑鱼（Epinephelus fuscoguttatus, grouper），马拉巴笛鲷（Lutjanus malabaricus，shallow-reef snapper），丝鳍紫鱼（Pristipomoides filamentosus，deep-reef snapper）和钝吻真鲨（Carcharhinus amblyrhynchos，reef shark）。图1显示了在未捕捞状态下，各个季节内它们产卵生物量的分布(即SSB0)。有两个船队对它们进行捕捞，其中船队1的主要目标种群是褐点石斑鱼和马拉巴笛鲷，钝吻真鲨为可能的兼捕物种，而船队2则主要针对马拉巴笛鲷和丝鳍姬鲷。

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图1 Q, P- B" h3 M' V+ y5 U; F R

在未捕捞状态下，每个季节鱼类产卵生物量的分布

（单元格颜色，黄色 = 较高，蓝色 = 较低。x 轴表示经度，y 轴表示纬度。数字显示每个船队港口的大致位置。）

结果显示，即使海洋保护区覆盖了超过50%的模拟区域，基于产卵场和目标捕捞的MPA设计策略都能够使船队2的产量增加16%；而船队1只受益基于产卵场的MPA，渔业产量最多增加5% (图2a)。在目标捕捞策略下，MPA对所有物种的产卵生物量都有积极影响，而产卵场策略则主要有利于马拉巴笛鲷种群(图2b)。总之，产卵场策略能够使两个船队的总产量净增约 7%，但MPA即使覆盖60%区域，也只能使总产卵生物量最大增加约 5%；而在相同 MPA 面积下，目标捕捞策略能够使产卵生物量增加近 25%，但这以牺牲大量产出为代价（图 2c）。

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图2 船队对各物种捕捞产量和相对产卵生物量的变化百分比

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案例二：远洋渔业

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模拟了中西太平洋（WCPO）地区常见的九个物种的动态(图3)。有两个主要的捕捞船队，其中延绳钓船队的主要目标是大型成年金枪鱼，如大眼金枪鱼和黄鳍金枪鱼；而围网船队的主要目标是鲣鱼。研究假设每个种群的质心在20年的时间范围内以每年约62公里的速度向北移动 (图4)，并使用marlin来评估目标捕捞和比率 MPA 设计策略对气候驱动的种群迁移的适应能力。

图3 MPA实施前的产卵生物量与未捕捞产卵生物量之比

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图4 在维持现状（左列）和气候驱动的范围变化（右列）情景下，各物种未捕捞产卵生物量的空间分布（x轴表示经度，y轴表示纬度。）

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结果显示，在比率策略下，围网船队的产量对气候驱动的范围变化的适应性更强，而延绳钓船队的结果恰恰相反(图5a)。总体而言，在气候变化情景下，目标捕捞策略对两个船队的产量都产生积极影响，但在维持原状情景下，比率策略表现最好。此外，大眼金枪鱼、鲣鱼和黄鳍金枪鱼的产卵生物量对不同MPA设计策略和气候变化情景最敏感。在现状下，目标捕捞策略可以实现大眼金枪鱼和鲣鱼资源快速的恢复，但是在气候变化情景下，除非MPA的规模很大，否则其对这些种群的生物量几乎不产生影响（图 5b）。最后，除了生长较快的蓝鲨外，即使海洋保护区占据100%的面积，鲨鱼种群的产量生物量也不会得到明显的改观。

图5 不同气候情境和MPA设计策略下各船队捕捞产量和各物种的相对产卵生物量的变化百分比

总结

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海洋生态系统受复杂的社会生态动态驱动，而渔业社区通常需依赖有限的经验证据来决策如何管理这些系统。传统的渔业模型、评估和管理过程往往抽象化了海洋社会生态系统的许多时空复杂性。本文介绍的这种建模工具marlin通过支持不同时空动态的模拟来评估海洋资源管理过程的各个方面，可以帮助科学家、决策者和其他利益相关者深入研究现实的生物经济动态对一些学术和应用问题的影响。尽管模型存在一定局限性，但它有助于我们认识到影响海洋管理战略效果的因素。总之，marlin的目标是让人们有能力在对关键不确定性和多目标权衡的评估基础上设计政策，从而支持更有效、更公平的海洋资源管理。

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图文｜蒋圣琪 党亚茹 杨仕诚

审核｜张崇良

排版｜李姗霖

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