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东海北部三疣梭子蟹资源评估与管理决策分析.pdf
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1、 第5 3卷 第1 1期 2 0 2 3年1 1月中 国 海 洋 大 学 学 报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A5 3(1 1):0 5 5 0 6 4N o v.,2 0 2 3东海北部三疣梭子蟹资源评估与管理决策分析刘 雅,王 晶,栗小东,王迎宾(浙江海洋大学水产学院,浙江 舟山 3 1 6 0 2 2)摘 要:三疣梭子蟹(P o r t u n u s t r i t u b e r c u l a t u s)是中国东海北部海域重要的经济蟹类,对三疣梭子蟹资源开展评估是其可持续利用的基
2、础。本文运用基于贝叶斯方法的S c h a e f e r剩余产量模型,对东海北部海域的三疣梭子蟹资源进行评估,确定了当前三疣梭子蟹资源的开发利用状态,估算了在不同收获率水平下未来1 0年三疣梭子蟹的生物量和年总可捕捞量,分析了管理策略实施后三疣梭子蟹资源崩溃的风险。研究显示,在基准方案和敏感性分析方案下模型参数预测值以及生物学参考点估计值比较相近。使用两种方案估算得到的最大可持续产量(M S Y)均约为2 41 04 t,M S Y对应的生物量BM S Y均约为2 5 2 1 04 t。在基准方案下,M S Y对应的捕捞死亡系数FM S Y为0.0 9 6;在敏感性分析方案下,M S Y对应
3、的捕捞死系数FM S Y为0.0 9 7。在2 0 0 12 0 2 0年间,捕捞死亡系数均低于FM S Y,且生物量基本在BM S Y水平之上,表明近年来三疣梭子蟹未出现过度捕捞的情况。决策分析和风险分析表明,为使三疣梭子蟹资源可持续利用,将收获率设定在0.0 4左右是较合理的捕捞方案。关键词:三疣梭子蟹;贝叶斯方法;剩余产量模型;管理策略;东海北部;渔业资源中图法分类号:S 9 3 2.5 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-5 1 7 4(2 0 2 3)1 1-0 5 5-1 0D O I:1 0.1 6 4 4 1/j.c n k i.h d x b.2 0 2 2 0 1 2
4、 6引用格式:刘雅,王晶,栗小东,等.东海北部三疣梭子蟹资源评估与管理决策分析J.中国海洋大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 3(1 1):5 5-6 4.L i u Y a,W a n g J i n g,L i X i a o d o n g,e t a l.S t o c k a s s e s s m e n t a n d m a n a g e m e n t d e c i s i o n a n a l y s i s o f P o r t u n u s t r i t u b e r c u l a t u s i n-h a b i t i n g n o r
5、t h e r n E a s t C h i n a S e aJ.P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a,2 0 2 3,5 3(1 1):5 5-6 4.基金项目:国家重点研究发展计划项目(2 0 1 9 Y F D 0 9 0 1 3 0 4);浙江省基础公益计划项目(L G N 2 1 C 1 9 0 0 0 9);舟山市科技计划项目(2 0 2 2 C 4 1 0 0 3)资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l K e y R e s
6、e a r c h a n d D e v e l o p m e n t P r o g r a m o f C h i n a(2 0 1 9 Y F D 0 9 0 1 3 0 4);t h e B a s i c P u b l i c W e l f a r e P l a n o f Z h e j i a n g(L G N 2 1 C 1 9 0 0 0 9);t h e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y P l a n P r o j e c t o f Z h o u s h a n(2 0 2 2 C 4 1 0 0 3)收稿
7、日期:2 0 2 2-0 3-0 2;修订日期:2 0 2 2-0 5-1 9作者简介:刘 雅(1 9 9 5),女,硕士生。E-m a i l:3 3 1 7 7 4 5 4 3 q q.c o m 通信作者:E-m a i l:y i n g b i n w a n g 1 2 6.c o m 三疣梭子蟹(P o r t u n u s t r i t u b e r c u l a t u s)隶属甲壳纲十足目梭子蟹科梭子蟹属,为广温广盐性种类,是中国最重要的海洋经济蟹类之一1。主要分布于日本、朝鲜、菲律宾、马来群岛、红海及中国的渤海、黄海、东海和南海。在东海三疣梭子蟹主要分布在大沙渔场
8、、长江口渔场和舟山渔场2,其渔获量约占全国产量的5 0%3。东海北部海域是东海最大的三疣梭子蟹产区,其渔获量占东海总渔获量的4 0%以上4。国外学者对三疣梭子蟹的相关研究较少,A r i y a m a H5基于1 9 8 42 0 0 8年日本大阪湾区域三疣梭子蟹的渔获量数据,探究了过于频繁的渔业开发和偶发的人类活动,以及气候事件对三疣梭子蟹补充量造成的影响。我国有关三疣梭子蟹的研究主要集中于养殖领域,包括三疣梭子蟹的人工育苗6、池塘养殖7、常见病害防控8、配合饲料开发9-1 0以及优良品种选育1 1等。对野生三疣梭子蟹资源的相关研究相对有限,主要集中在资源分布、增殖容量和资源评估方面。如徐
9、炳庆等1 2通过轮廓系数法对莱州湾三疣梭子蟹资源的时空分布特征进行了研究;栗小东等1 3基于机器学习方法,对东海北部海域三疣梭子蟹的资源分布进行了预测;林群等1 4构建了黄河口邻近海域的E c o p a t h模型,初步评估了三疣梭子蟹的增殖容量;俞存根4对东海中北部重要的经济蟹类及其现存资源量和最大可持续产量(M a x i-m u m s u s t a i n a b l e y i e l d,M S Y)进 行 了 分 析;W a n g等1 5基于传统S c h a e f e r模型对三疣梭子蟹的最大可持续产量及资源开发情况开展了评估。以上在对三疣梭子蟹进行资源评估的研究中并未
10、考虑模型中相关参数的不确定性。在资源评估过程中,如果不考虑不确定性,将对渔业资源评估结论、渔业生产和生产管理造成负面影响。因此,实现渔业科学管理和合理开发的前提是对资源量的正确评估1 6。本研究依据2 0 0 12 0 2 0年东海北部海域三疣梭中 国 海 洋 大 学 学 报2 0 2 3 年子蟹的渔获量数据和单位捕捞努力量渔获量(C a t c h p e r u n i t e f f o r t,C P U E)数据,运用S c h a e f e r剩余产量模型,将参数基准方案(参数的先验分布均为均匀分布)与敏感性分析方案(参数与基准方案相同,但采用不同先验分布)进行对比,对东海北部海
11、域三疣梭子蟹的资源进行评估,并设定收获率作为三疣梭子蟹资源管理策略且分析管理策略可能存在的风险。研究结果有助于掌握当前三疣梭子蟹的渔业资源变动规律,并基于目前三疣梭子蟹资源状况对未来资源的动态变化趋势进行预估。1 材料和方法1.1 数据来源东海北部海域三疣梭子蟹渔获量数据来源于 中国渔业统计年鉴1 7,时间段为2 0 0 12 0 2 0年(见图1)。除了资源量以外,其他一些因素也会导致C P U E的变动,因此需要对C P U E进行标准化,以剔除这些因素的影响。本研究使用了近2 0年的渔业生产数据,其中包含了3种三疣梭子蟹生产船型,同时考虑主要环境因子变化的影响,因此在使用广义线性模型(G
12、 e n e r a l i z e d l i n e a r m o d e l,G L M)对C P U E数据进行标准化时1 8,考虑了年份、渔船类型和平均水温3个因素的影响。具体模型如下:l m(l n C P U E f a c t o r(Y e a r)+f a c t o r(E f f o r t)+f a c t o r(V e s s e l)+f a c t o r(T e m p),d a t a=R D a t a)。(1)式中:l m是R语言中广义线性模型的函数命令;l n C P U E代表对C P U E取对数;Y e a r代表年份;E f f o r t
13、代表捕捞努力量;V e s s e l代表3种不同的船型,分别是刺网、蟹笼、单拖网;T e m p代表底层温度。图1 2 0 0 12 0 2 0年东海北部海域三疣梭子蟹年渔获量和标准化C P U E数据F i g.1 S t a t i s t i c s o f c a t c h a n d s t a n d a r d i z e d C P U E o f P o r t u n u s t r i t u b e r c u l a t u s t h e N o r t h e r n E a s t C h i n a S e a f r o m 2 0 0 1 t o 2
14、0 2 01.2 剩余产量模型S c h a e f e r非平衡剩余产量模型的离散时间形式如下:Bt=Bt-1+r Bt-1(1-Bt-1K)-Ct-1;(2)It=q Btet-22,tN(0,2)。(3)式中:Bt为t年的生物量;r为内禀自然增长率;K为环境容纳量;Ct-1为t-1年的渔获量;q为可捕系数。其中r、K、q为模型的参数。It为三疣梭子蟹资源丰度的相对指数,t为误差项。在进行资源评估的过程中,一般会假设剩余产量模型中初始年的生物量B0为K,通过减少模型估算的参数数量来达到降低模型评估难度的目的1 9。但这种假设成立的前提条件是能够确定渔业开始时前一年的资源量2 0。由于中国对
15、三疣梭子蟹的捕捞活动开始较早,因此将初始一年的资源量视为K并不合理。本研究的B0值参考W a n g等1 5的研究结果。1.3 似然函数假设C P U E正比于生物量,且观测误差服从对数正态分布,则似然函数的表达式为:L(I|)=2 0 2 0t=2 0 0 11It2 e x p(l n(It)-l n(q Bt)222 。(4)式中:L和l n均表示自然对数;I表示单位捕捞努力量渔获量;表示随机变量;表示连乘符号;q表示可捕系数;Bt表示t年的生物量;表示标准差。651 1期刘 雅,等:东海北部三疣梭子蟹资源评估与管理决策分析由于本研究采用的渔获量和C P U E数据的时间序列为2 0年,
16、这对标准差()的估算来说存在一定的不稳定性,因此在本研究将其视为恒定值(=0.2)1 9。1.4 模型参数先验分布的设定在贝叶斯理论中,参数的后验分布会受到先验分布设定的影响2 1。因此,要对先验分布进行敏感性检验来验证样本数据提供的信息是否充足。具体方法是比较各参数在不同先验分布下得到的后验分布的差异大小,来判断样本数据提供的信息是否充足。若结果差异较大,则表明数据没有提供足够的信息1 8。因为较难搜集到三疣梭子蟹相关参数的先验信息,为了结果的合理性,故采用均匀分布作为模型参数先验概率分布的基准方案。此方案K的基准先验分布假设服从均匀分布(5 01 04 t,5 5 01 04 t),下边界
17、设置为5 0 1 04 t,此值大于2 0 0 12 0 2 0年数据中的最大渔获量。为了尽量减少上边界值对后验概率的影响,上边界值被设定为5 5 0 1 04 t2 2。对于可捕系数q,获取其有信息的先验分布具有较大难度,在研究中一般将这种无信息的先验分布设置为均匀分布或对数均匀分布。为足以覆盖内禀增长率r的合理范围,r的上、下边界区间一般包括与评估种类相似的物种r的估计值2 3。本研究为了验证样本数据是否提供了足够的信息,用敏感性分析方案来替代基准方案中的参数先验分布,比较两种情况下得到的参数后验分布差异大小。根据三疣梭子蟹的相关研究1 5,参数r、K、q基准方案和敏感性分析方案的先验分布
18、设定见表1。表1 剩余产量模型参数r、K、q的先验概率分布T a b l e 1 T h e p r i o r p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n o f t h e p a r a m e t e r s r,K,a n d q i n t h e s u r p l u s p r o d u c t i o n m o d e l方案S c e n a r i o内禀增长率rI n t r i n s i c r a t e o f n a t u r a l i n c r e a s e r承载力KC a r r y i n
19、g c a p a c i t y K/1 04 t可捕系数qF i s h i n g c o e f f i c i e n t q基准方案B a s e s c e n a r i oU(0.0 1,2)U(5 0,5 5 0)U(0.0 0 0 1,0.0 5)敏感性分析方案S e n s i t i v i t y a n a l y s i s s c e n a r i oN(1,0.52)U(5 0,5 5 0)l n(q)U(-2 0,0)1.5 模型后验分布的计算贝叶斯方法不仅考虑了评估模型的不确定性,而且考虑了参数的不确定性,通过将经验信息与似然函数结合在一起,得到模型参
20、数的后验分布,所以可以得到比传统分析方法更可靠的结果。因此,贝叶斯方法被认为是目前国际渔业资源研究领域较有代表性的方法,且适用于缺乏某些特定数据的情况下研究渔业资源动态2 4。本研究中模型参数r、K、q的后验概率分布是通过MC MC(M a r k o v c h a i n m o n t e c a r l o a l g o r i t h m)算法测算的。此算法共迭代5 0 0 0 0次,将前5 0 0 0次的结果舍弃,后每隔4 0次储存剩下的4 5 0 0 0次的运算结果。采用此算法计算时,各参数的初始值设定分别为:r=0.1 5,K=3 7 7 0 6.4,q=0.0 0 51 5
21、。1.6 生物学参考点估算 生物学参考点是从生物学角度设定的指标,包括目标参考点(T a r g e t r e f e r e n c e p o i n t s,T R P)和限制参考点(L i m i t r e f e r e n c e p o i n t,L R P)。目标参考点是渔业管理为了持续获得某一渔获量所设定的指标,限制参考点指的是在渔业管理中为了避免出现种群的生物量过低导致种群不能被可持续利用的情况而设置的指标2 5。本研究涉及到的生物参考点有FM S Y、BM S Y、F0.1和M S Y。FM S Y和BM S Y分别指渔业达到M S Y水平时对应的捕捞死亡系数和生物
22、量,F0.1表示平衡渔获量和捕捞死亡系数关系曲线最大斜率的1 0%对应的捕捞死亡系数。通过计算可得:FM S Y=r2,(5)F0.1=0.4 5r,(6)M S Y=r K4,(7)BM S Y=K2。(8)在本研究中,捕捞死亡系数的目标参考点Ft a r设定为F0.1,限制参考点Fl i m设定为FM S Y;BM S Y设定为资源量的目标参考点Bt a r,BM S Y/4设定为限制参考点Bl i m。可以通过以上参考点来判断当前的渔业资源状况。当捕捞死亡系数大于Fl i m时,表明该资源正在遭受过度捕捞(O v e r f i s h i n g),相反则表明该资源未遭受过度捕捞;当资
23、源量小于Bl i m时,表明该资源已经遭到破坏,处于过度捕捞状态(O v e r f i s h e d),相反则表明该资源未处于过度捕捞状态。1.7 确定备选管理策略本文采用不同的收获率(H a r v e s t r a t e,即捕捞死亡率,规定了渔业年捕捞渔获量在资源量中的固定占比)来作为三疣梭子蟹资源管理策略。收获率分别设定为0.0 1、0.0 2、0.0 3、0.0 4、0.0 5、0.0 6、0.0 7和0.0 8。因75中 国 海 洋 大 学 学 报2 0 2 3 年此,未来t年的渔获量的计算公式如下:Ct=hiBte,N(0,12)。(9)式中:Ct为t年的渔获量;hi为收获
24、率;Bt为t年的生物量;为误差项。1.8 管理策略实施效果模拟资源评估过程的复杂性会导致评估结果存在较多不确定性,因此通过建立指标来对不同的管理策略进行风险评估是十分必要的。本研究假设实施管理策略的时间段为2 0 2 12 0 3 0年。建立的指标有:(1)管理结束时的生物量B2 0 3 0,即2 0 3 0年资源量的期望值。(2)管理策略实施后2 0 3 0年渔获量的期望值C2 0 3 0。(3)2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量与BM S Y之比的期望值(B2 0 3 0/BM S Y)。(4)2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量的衰减率(D e p l e-t i o n),即实施某一管理策略
25、后,2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量与K的比例(B2 0 3 0/K)。(5)2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量大于2 0 2 0年三疣梭子蟹生物量的概率P(B2 0 3 0B2 0 2 0),表示管理措施实施后资源较管理措施实施前资源恢复的概率。(6)2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量大于BM S Y的概率P(B2 0 3 0BM S Y),表示资源恢复到健康水平的概率。(7)2 0 3 0年三疣梭子蟹生物量小于BM S Y/4的概率P(B2 0 3 0BM S Y,基准方案和敏感性分析方案的概率期望值分别为0.5 3和0.5 6。对于B2 0 3 0B2 0 2 0的概率期望值均大于0.6,B
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