利用海洋保护网络缓解加拿大大西洋枯竭物种兼捕问题的空间建模研究

本文通过渔业独立调查数据的时空建模，评估了加拿大现有及拟建海洋保护区（MCAs）对三种严重枯竭物种——大西洋鳕（Gadus morhua）、美洲拟庸鲽（Hippoglossoides platessoides）和白长鳍鳕（Urophycis tenuis）——兼捕脆弱性的缓解潜力。研究发现，完全实施的MCA网络可使单个物种的高脆弱区重叠比例平均提升至16%，多物种组合提升至20%。该方法为兼顾渔业管理与生物多样性保护的海域空间规划提供了可推广的科学工具。

　　

Abstract

兼捕问题严重威胁全球渔业的可持续性与海洋生物多样性。本研究基于渔业独立调查数据，通过时空建模方法评估了加拿大斯科舍陆架-芬迪湾海域现有及拟建海洋保护区（Marine Conservation Areas, MCAs）对三种严重枯竭兼捕物种的保护效能。研究聚焦大西洋鳕（Gadus morhua）、美洲拟庸鲽（Hippoglossoides platessoides）和白长鳍鳕（Urophycis tenuis），通过叠加其与商业目标物种黑线鳕（Melanogrammus aeglefinus）和青鳕（Pollachius virens）的分布预测，识别高脆弱区。结果表明，完全实施的MCA网络可覆盖单个物种16%、多物种组合20%的高脆弱区域，较现有保护区分别提升9%和13%。该方法为优化海洋保护规划中的渔业管理与生物多样性目标提供了通用框架。

1. Introduction

兼捕指商业捕捞过程中对非目标物种的无意捕获，占全球渔获量的40%以上，对已枯竭种群和生态系统恢复构成严重威胁。在种群密度较高的核心区域，兼捕率升高可能反映种群丰度较高，也可能存在“超聚集现象”（hyperaggregation），即局部密度随总生物量下降而上升，导致种群崩溃风险加剧。加拿大大西洋海域自1980年代以来多种底栖鱼类种群崩溃，尽管捕捞压力转向其他物种，非选择性渔具（如底拖网和延绳钓）仍持续捕获枯竭物种，阻碍其恢复进程。本研究关注的三种物种均被加拿大濒危野生动物保护委员会（COSEWIC）列为受威胁或濒危物种，但尚未获得《物种濒危法》（SARA）的全面保护。2019年《渔业法》修订要求制定种群恢复计划，但未明确涉及兼捕管理。海洋保护区网络作为加拿大实现2025年保护25%、2030年保护30%海域目标的核心手段，其设计需兼顾兼捕缓解与生态恢复目标。

2. Methodology

2.1. Data

研究采用加拿大渔业与海洋部（DFO）1970年以来夏季开展的随机分层底拖网调查数据（2011–2020年），覆盖西北大西洋渔业组织（NAFO）4VWX分区，深度范围50–500米。环境变量包括海表温度（SST）和深度（来自NOAA ETOPO1模型）。物种数据涵盖三种枯竭物种（美洲拟庸鲽、大西洋鳕、白长鳍鳕）和两种目标物种（黑线鳕、青鳕），以单位努力渔获量（CPUE, kg trawl^?1）量化丰度。

2.2. Data analysis

采用广义线性混合模型（GLMM）与最近邻高斯过程（NNGP）构建时空模型，包含过程模型（描述物种空间分布）和观测模型（拟合调查数据生成过程）。使用障碍模型（hurdle model）处理零值过多的数据：第一部分以伯努利分布和logit链接函数建模存在概率（Pr），第二部分以高斯分布和恒等链接函数建模对数CPUE。模型协变量为SST和深度的多项式项。通过10折交叉验证评估模型性能，使用曲线下面积（AUC）和平均绝对误差（MAE）衡量预测准确性。

2.3. Identification of bycatch vulnerability hotspots

将各物种密度预测值标准化为0–1范围，计算枯竭物种与目标物种密度乘积作为相对兼捕脆弱性指标（V_sp,t,i）。取脆弱性值的前10%定义为高脆弱区，反映目标与非目标物种高丰度重叠区域。

2.4. Overlap of vulnerability hotspots with MCA network

整合现有7个OECM、5个MPA及31个拟建保护区空间多边形，分析其与高脆弱区的重叠比例。计算保护区内外的平均脆弱性值，评估保护区网络对兼捕风险的覆盖效能。

3. Results

2011–2020年间共完成2175个调查站点。模型预测显示三种枯竭物种丰度呈斑块状分布：美洲拟庸鲽集中于劳伦森海峡西侧及Misaine和Banquereau滩；大西洋鳕分布于劳伦森海峡及Georges滩、Grand Manan滩；白长鳍鳕高密度区位于Georges海盆和西部斯科舍陆架。所有物种均在卡伯特海峡附近出现热点。模型验证结果优异：存在概率模型的AUC值均高于0.93（美洲拟庸鲽0.95，大西洋鳕0.93，白长鳍鳕0.93）；CPUE预测的MAE相对误差为16.6%–23.7%。兼捕脆弱性热点分析表明，完全实施的MCA网络可覆盖单个物种16%、多物种组合20%的高脆弱区域，较现有保护区分别提升9%和13%。保护区内平均脆弱性显著低于外部区域，证实MCA网络对降低兼捕风险具有积极作用。

本研究证实基于渔业调查数据的时空建模可有效识别兼捕高风险区，并为海洋保护区的科学布局提供量化依据。该方法适用于数据有限的地区，有助于实现渔业管理与生物多样性保护的双重目标。