[論文レビュー] Patterns of Ship-borne Species Spread: A Clustering Approach for Risk Assessment and Management of Non-indigenous Species Spread

Jian Xu, Thanuka L. Wickramarathne+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2014

Identification and Quantification in Food参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、国際的海上輸送網を通じた船載非在来種（NIS）の拡散をモデル化するためのネットワークベースのクラスタリング手法を提案する。特許された種の流れネットワーク（SFN）を用いて、内部の種の流れが顕著な安定した港のクラスタを特定する。この手法により、NISの拡散が環境的に類似した港のクラスタ内に著しく集中していることが明らかとなり、侵入リスクを低減するための、クラスタ間接続の的を射た管理が可能となる。

ABSTRACT

The spread of non-indigenous species (NIS) through the global shipping network (GSN) has enormous ecological and economic cost throughout the world. Previous attempts at quantifying NIS invasions have mostly taken "bottom-up" approaches that eventually require the use of multiple simplifying assumptions due to insufficiency and/or uncertainty of available data. By modeling implicit species exchanges via a graph abstraction that we refer to as the Species Flow Network (SFN), a different approach that exploits the power of network science methods in extracting knowledge from largely incomplete data is presented. Here, coarse-grained species flow dynamics are studied via a graph clustering approach that decomposes the SFN to clusters of ports and inter-cluster connections. With this decomposition of ports in place, NIS flow among clusters can be very efficiently reduced by enforcing NIS management on a few chosen inter-cluster connections. Furthermore, efficient NIS management strategy for species exchanges within a cluster (often difficult due higher rate of travel and pathways) are then derived in conjunction with ecological and environmental aspects that govern the species establishment. The benefits of the presented approach include robustness to data uncertainties, implicit incorporation of "stepping-stone" spread of invasive species, and decoupling of species spread and establishment risk estimation. Our analysis of a multi-year (1997--2006) GSN dataset using the presented approach shows the existence of a few large clusters of ports with higher intra-cluster species flow that are fairly stable over time. Furthermore, detailed investigations were carried out on vessel types, ports, and inter-cluster connections. Finally, our observations are discussed in the context of known NIS invasions and future research directions are also presented.

研究の動機と目的

• 輸送による非在来種（NIS）の侵入を予測する際の、データが乏しく、下位から上位へのアプローチに起因する限界を克服すること。
• 不完全な輸送データおよび環境データから、種の流れのパターンを推定するネットワーク科学に基づく手法を開発すること。
• 内部の種の交換が顕著な安定した港のクラスタを特定し、的を射たNIS管理戦略を導くこと。
• クラスタ内での環境的類似性を活用することで、種の拡散ダイナミクスと定着リスクを分離すること。
• 主要なクラスタ間接続および新たな侵入ホットスポットを特定することで、リスク評価と管理に役立つ実行可能な知見を提供すること。

提案手法

• ノードを港、エッジを輸送交通と環境的類似性に基づいて推定された種の流れとする、種の流れネットワーク（SFN）としてのグラフ抽象化を構築する。
• グラフクラスタリングアルゴリズムを適用し、環境条件（例：水温、塩分濃度）が類似した港のグループにSFNを分解する。これにより生物学的に整合性のあるクラスタが形成される。
• 平均年間水温および塩分濃度といった環境変数をクラスタリングの特徴量として用い、内部類似度の高い異なるサブクラスタに港をグループ化する。
• クラスタ間接続を、潜在的なNIS拡散の主要経路と特定し、管理介入の優先順位を付ける。
• 生態的および環境的要因をクラスタ定義に統合することで、種の定着可能性を暗黙的かつ間接的に反映させる。
• 1997年から2006年の期間にわたりクラスタの安定性とパターンを検証し、長期的なリスク管理への関連性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全な輸送データおよび環境データから、どのように種の流れのパターンを推定し、NIS拡散をモデル化できるか？
• RQ2 グローバル海上輸送網において、環境的に整合性のある安定した港のクラスタはどのように特定され、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ3 どのクラスタ間接続が、クラスタ間でのNIS拡散の高リスク経路として機能するか？
• RQ4 観察されたNIS侵入は、予測されたクラスタ構造およびダイナミクスとどの程度一致するか？
• RQ5 クラスタリングの結果は、グローバルなNIS拡散を低減するための的を射た、効率的な管理戦略をどのように支援できるか？

主な発見

• 環境的類似性に基づき5つの明確な港クラスタが特定された：熱帯海洋（26.0°C、33.6 ppt）、淡水・河口域（21.6°C、1.7 ppt）、寒冷北東大西洋（8.7°C、29.9 ppt）、温暖中塩分（23.0°C、15.3 ppt）、寒冷中塩分（10.8°C、13.3 ppt）。
• クラスタ内での種の流れは著しく高く、時間経過においても安定しており、同じクラスタ内に属する港がNIS交換の主要なハブであることが示された。
• 2005年までに太平洋クラスタは、北西インド洋の港を含む範囲が拡大しており、これらの地域間での跨地域的侵入リスクの増加を示唆している。
• 2005年までにカリフォルニアの港は接続性とクラスターメンバーシップが低下しており、これとは逆にボールァスト水規制の強化と一致しており、この地域の侵入リスクが低下している可能性を示している。
• 中国の港は1997年から2005年にかけて、太平洋クラスタ以外のクラスタへと多様化しており（3港から9港に増加）、世界的な侵入種の発信源としての役割が高まっている可能性を示している。
• 観察されたNIS侵入例（例：パシフィック種がポートフィリップベイに、北アフリカ種が地中海に侵入）は、予測されたクラスタメンバーシップおよび時間的傾向と一致している。