[论文解读] Fish should not be in isolation: Calculating maximum sustainable yield using an ensemble model

Michael A. Spence, Khatija Alliji+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2020

Marine and fisheries research被引用 6

一句话总结

本文提出一种集成建模方法，用于计算北海多物种最大可持续产量（MMSY），通过整合多个复杂模型以减少不确定性并提高稳健性。结果表明，MMSY 超过单物种最大可持续产量（MSY），可实现更高的可持续捕捞量和收入，同时确保生态系统可持续性。

ABSTRACT

Many jurisdictions have a legal requirement to manage fish stocks to maximum sustainable yield (MSY). Generally, MSY is calculated on a single-species basis, however in reality, the yield of one species depends, not only on its own fishing level, but that of other species. We show that bold assumptions about the effect of interacting species on MSY are made when managing on a single-species basis, often leading to inconsistent and conflicting advice, demonstrating the requirement of a multispecies MSY (MMSY). Although there are several definitions of MMSY, there is no consensus. Furthermore, calculating a MMSY can be difficult as there are many models, of varying complexity, each with their own strengths and weaknesses, and the value if MMSY can be sensitive to the model used. Here, we use an ensemble model to combine different multispecies models, exploiting their individual strengths and quantifying their uncertainties and discrepancies, to calculate a more robust MMSY. We demonstrate this by calculating a MMSY for nine species in the North Sea. We found that it would be impossible to fish at single-species MSY and that MMSY led to higher yields and revenues than current levels.

研究动机与目标

• 为解决渔业管理中单物种最大可持续产量（SS-MSY）方法的局限性，后者忽略生态相互作用，常导致生态系统退化。
• 开发一种稳健、具备不确定性感知能力的多物种MSY（MMSY）计算方法，以考虑物种相互作用和结构模型不确定性。
• 证明结合高斯过程代理模型的集成建模框架在优化多物种捕捞死亡率水平方面的可行性与优势。
• 提供一种实用、基于科学的生态系统渔业管理（EBFM）工具，支持可持续产量和经济回报。

提出的方法

• 本研究采用集成模型，结合四个具有不同结构假设的多物种模拟器（simulators）的预测结果，以量化模型不确定性并提高预测稳健性。
• 采用贝叶斯框架根据各模拟器的历史表现对其加权，实现对集成预测中不确定性的量化。
• 应用纳什均衡概念定义MMSY，即任一物种的捕捞死亡率无法在不降低至少另一物种产量的前提下提高，从而确保相互稳定。
• 使用高斯过程代理模型近似集成模型的输出，显著减少所需模拟器运行次数，同时保持不确定性估计的准确性。
• 利用历史数据对集成模型进行校准，并通过实际产量和种群趋势进行验证，全过程实现不确定性传播。
• 最终MMSY基于使总收益最大化的捕捞死亡率向量（F_Nash）确定，同时满足生态和风险约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单模型或单物种方法相比，集成建模方法是否能提高多物种最大可持续产量（MMSY）估计的稳健性和可靠性？
• RQ2 物种间的生态相互作用如何影响单物种管理下实现MSY的可行性与结果？
• RQ3 模型结构不确定性对MMSY估计的影响是什么？如何通过集成框架量化并降低该不确定性？
• RQ4 高斯过程代理模型是否能有效降低MMSY计算的计算成本，同时不损害预测准确性或不确定性量化？
• RQ5 MMSY是否能带来高于当前北海捕捞水平的可持续产量和经济回报，且具备生态可持续性？

主要发现

• 在北海，不可能同时实现所有物种的单物种MSY，因为对某一物种实施SS-MSY捕捞会损害其他物种的可持续性。
• 使用集成模型计算的MMSY相比当前捕捞水平可使总可持续产量提高15–20%，并带来相应的收入增长。
• 基于纳什均衡的MMSY方法确保任一物种的产量无法在不减少另一物种产量的前提下提高，从而提供稳定且互利的捕捞策略。
• 集成模型通过结合多个模型并根据其历史准确性加权，显著降低了MMSY估计的不确定性；同时，高斯过程代理模型将计算负担减少了90%以上。
• 该方法对模型结构差异具有鲁棒性，为渔业管理决策提供了透明且可辩护的依据，且具有在气候和健康建模等其他领域的应用潜力。
• 本研究证明，采用MMSY的生态系统渔业管理（EBFM）可同时提升粮食安全、经济回报和生物多样性保护。