Maximální udržitelný výnos - Maximum sustainable yield

V populační ekologii a ekonomii je maximální udržitelný výnos ( MSY ) teoreticky největší výnos (nebo úlovek), který lze získat z populace druhu po neomezenou dobu. Koncept MSY, který je zásadní pro představu udržitelné sklizně , si klade za cíl udržet velikost populace v bodě maximálního tempa růstu pomocí sklizně jedinců, kteří by se za normálních okolností přidali k populaci, což umožní populaci pokračovat v produktivní neurčité době. Za předpokladu logistického růstu omezení zdrojů neomezuje reprodukční rychlosti jednotlivců, když jsou populace malé, ale protože je jich málo, celkový výnos je malý. Při střední hustotě populace, což je také polovina únosnosti , jsou jednotlivci schopni chovat se na maximum. V tomto bodě, který se nazývá maximální udržitelný výnos, existuje přebytek jedinců, kteří mohou být sklizeni, protože růst populace je v maximu díky velkému počtu reprodukujících se jedinců. Nad tímto bodem faktory závisející na hustotě stále více omezují chov, dokud populace nedosáhne únosnosti. V tomto okamžiku neexistují žádní přebyteční jedinci, kteří by byli sklizeni, a výnos klesne na nulu. Maximální udržitelný výnos je obvykle vyšší než optimální udržitelný výnos a maximální ekonomický výnos .

MSY se široce používá pro řízení rybolovu . Na rozdíl od logistického ( Schaeferova ) modelu byl MSY vylepšen u většiny moderních modelů rybolovu a vyskytuje se na přibližně 30% nevyužité velikosti populace. Tento podíl se u jednotlivých populací liší v závislosti na historii života druhu a na věkově specifické selektivitě metody rybolovu.

Dějiny

Koncept maximálního udržitelného výnosu jako strategie řízení rybolovu byl vyvinut v Belmaru v New Jersey na počátku 30. let. Popularita vzrostla v padesátých letech minulého století s příchodem modelů s nadprodukcí s výslovným odhadem maximálního udržitelného výnosu. Jako zdánlivě jednoduchý a logický cíl řízení v kombinaci s nedostatkem dalších jednoduchých cílů správy času byl MSY přijat jako primární cíl managementu několika mezinárodními organizacemi (např. IWC , IATTC , ICCAT , ICNAF ) a jednotlivými zeměmi.

V letech 1949 až 1955 USA manévrovaly, aby MSY vyhlásilo cíl mezinárodního řízení rybolovu (Johnson 2007). Mezinárodní smlouva o maximálním udržitelném výnosu, která byla nakonec přijata v roce 1955, dávala zahraničním flotilám právo lovit mimo jakékoli pobřeží. Národy, které chtěly vyloučit cizí lodě, musely nejprve dokázat, že její ryby byly nadměrně loveny.

Jak byly s modelem získány zkušenosti, některým vědcům vyšlo najevo, že postrádá schopnost vypořádat se s operačními složitostmi v reálném světě a vlivem trofických a jiných interakcí. V roce 1977 napsal Peter Larkin svůj epitaf a zpochybnil cíl maximálního udržitelného výnosu z několika důvodů: vystavil populace příliš velkému riziku; nezohledňoval prostorovou variabilitu produktivity; nezohledňoval jiné druhy než zaměření rybolovu; bere v úvahu pouze přínosy rybolovu, nikoli náklady; a bylo to citlivé na politický tlak. Žádná z těchto kritik ve skutečnosti nebyla zaměřena na udržitelnost jako cíl. První poznamenal, že hledání absolutního maximálního udržitelného výnosu s nejistými parametry bylo riskantní. Zbytek poukazuje na to, že cíl maximálního udržitelného výnosu nebyl holistický; vynechal příliš mnoho relevantních funkcí.

Někteří manažeři začali používat konzervativnější doporučení ohledně kvót, ale vliv modelu maximálního udržitelného výnosu pro řízení rybolovu stále převládal. I když vědecká komunita začínala zpochybňovat vhodnost a účinnost maximálního udržitelného výnosu jako cíle řízení, byla začleněna do Úmluvy OSN o mořském právu z roku 1982 , čímž byla zajištěna její integrace do vnitrostátních a mezinárodních zákonů a zákonů o rybolovu. Podle Walters a Maguire byl uveden do chodu „institucionální juggernaut“, který vyvrcholil počátkem 90. let zhroucením tresky severní .

Modeling MSY

Populační růst

Klíčovým předpokladem všech modelů udržitelné těžby, jako je maximální udržitelný výnos, je to, že populace organismů rostou a nahrazují se - tj. Jsou to obnovitelné zdroje. Dále se předpokládá, že protože růst, míra přežití a míra reprodukce se zvyšují při sklizni, která snižuje hustotu obyvatelstva , produkují přebytek biomasy, kterou lze sklízet. Jinak by udržitelná sklizeň nebyla možná.

Dalším předpokladem sklizně obnovitelných zdrojů je, že populace organismů nadále neomezeně rostou; dosahují rovnovážné velikosti populace, ke které dochází, když se počet jednotlivců shoduje se zdroji dostupnými populaci (tj. předpokládejme klasický logistický růst ). Při této rovnovážné velikosti populace, která se nazývá nosnost , populace zůstává na stabilní velikosti.

Logistický model (nebo logistická funkce ) je funkce, která se používá k popisu omezeného populačního růstu podle předchozích dvou předpokladů. Logistické funkce je omezena v obou krajních: v případě, že nejsou jedinci pro reprodukci, a v případě, že je počet rovnováha jedinců (tj, na nosnost ). Podle logistického modelu se předpokládá, že tempo růstu populace mezi těmito dvěma limity je sigmoidní (obrázek 1). Tam je vědecký důkaz, že některé populace rostou v logistickém módy směrem ke stabilnímu rovnováze - obyčejně citovaný příklad je logistický růst z kvasinek .

Rovnice popisující logistický růst je:

${\ displaystyle N_ {t} = {\ frac {K} {1 + {\ frac {K-N_ {0}} {N_ {0}}} e ^ {- rt}}}}$ (rovnice 1.1)

Hodnoty parametrů jsou:

${\ displaystyle N_ {t}}$= Velikost populace v čase t

${\ displaystyle K}$= Nosnost obyvatel

${\ displaystyle N_ {0}}$= Velikost populace v čase nula

${\ displaystyle r}$= vnitřní rychlost růstu populace (rychlost, s jakou populace roste, když je velmi malá)

Z logistické funkce, je velikost populace v každém bodě je možno vypočítat tak dlouho, jak , a jsou známy. ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle N_ {0}}$

Diferenciační rovnice 1.1 vyjadřuje, jak se rychlost populace zvyšuje s nárůstem N. Zpočátku je tempo růstu populace rychlé, ale s růstem populace se začíná zpomalovat, dokud se nevyrovná na maximální tempo růstu, poté se začne snižovat (obrázek 2).

Rovnice pro obrázek 2 je rozdílem rovnice 1.1 ( model růstu Verhulst 1838 ):

${\ displaystyle {\ frac {dN} {dt}} = rN \ vlevo (1 - {\ frac {N} {K}} \ vpravo)}$ (rovnice 1.2)

${\ displaystyle {\ frac {dN} {dt}}}$lze chápat jako změnu populace (N) s ohledem na změnu času (t). Rovnice 1.2 je obvyklý způsob, jakým je logistický růst matematicky znázorněn a má několik důležitých rysů. Za prvé, při velmi malé velikosti populace je hodnota malá, takže rychlost růstu populace je přibližně stejná , což znamená, že populace roste exponenciálně rychlostí r (vnitřní míra růstu populace). Navzdory tomu je tempo růstu populace velmi nízké (nízké hodnoty na ose y na obrázku 2), protože i když se každý jedinec reprodukuje vysokou rychlostí, je zde jen málo rozmnožujících se jedinců. Naopak, když je populace velká, hodnota přístupů 1 účinně redukuje členy uvnitř závorek rovnice 1.2 na nulu. Důsledkem je, že tempo růstu populace je opět velmi nízké, protože buď se každý jedinec stěží reprodukuje, nebo je vysoká úmrtnost. V důsledku těchto dvou extrémů je tempo růstu populace maximální u střední populace nebo poloviční nosnosti ( ). ${\ displaystyle {\ frac {N} {K}}}$${\ displaystyle rN}$${\ displaystyle {\ frac {N} {K}}}$${\ displaystyle N = {\ frac {K} {2}}}$

Model MSY

Nejjednodušší způsob modelování sklizně je úprava logistické rovnice tak, aby byl neustále odstraňován určitý počet jednotlivců:

${\ displaystyle {\ frac {dN} {dt}} = rN \ vlevo (1 - {\ frac {N} {K}} \ vpravo) -H}$ (rovnice 1.3)

Kde H představuje počet jedinců odstraněných z populace - tj. Rychlost sklizně. Když H je konstantní, populace bude v rovnováze, když počet odstraněných jedinců bude stejný jako tempo růstu populace (obrázek 3). Rovnovážnou velikost populace v konkrétním režimu těžby lze zjistit, když populace neroste - tj. Kdy . K tomu dochází, když je tempo růstu populace stejné jako tempo sklizně: ${\ displaystyle {\ frac {dN} {dt}} = 0}$

${\ displaystyle rN \ left (1 - {\ frac {N} {K}} \ right) = H}$

Obrázek 3 ukazuje, jak se rychlost růstu mění s hustotou obyvatelstva. Při nízké hustotě (zdaleka ne únosnosti) dochází k malé populaci (nebo „náboru“) jednoduše proto, že existuje jen málo organismů, které by mohly rodit. Při vysokých hustotách však existuje silná konkurence o zdroje a tempo růstu je opět nízké, protože úmrtnost je vysoká. Mezi těmito dvěma extrémy stoupá tempo růstu populace na maximální hodnotu ( ). Tento maximální bod představuje maximální počet jedinců, které lze přidat k populaci přirozenými procesy. Pokud bude z populace odstraněno více jedinců, je populace vystavena riziku úpadku. Maximální počet, který lze sklízet udržitelným způsobem, nazývaný maximální udržitelný výnos, je dán tímto maximálním bodem. ${\ displaystyle N_ {MSY}}$

Obrázek 3 také ukazuje několik možných hodnot pro rychlost sklizně, H. At , existují dva možné body rovnováhy populace: malá velikost populace ( ) a vysoká ( ). Při mírně vyšší rychlosti sklizně však existuje pouze jeden rovnovážný bod (v ), což je velikost populace, která produkuje maximální rychlost růstu. S logistickým růstem je tento bod, nazývaný maximální udržitelný výnos, tam, kde je velikost populace poloviční než nosnost (nebo ). Maximální udržitelný výnos je největší výnos, který lze získat z populace v rovnováze. Na obrázku 3, pokud je vyšší než , by sklizeň překročila kapacitu populace nahradit se při jakékoli velikosti populace ( na obrázku 3). Protože rychlost sklizně je vyšší než tempo růstu populace při všech hodnotách , není tato míra sklizně udržitelná. ${\ displaystyle H_ {1}}$${\ displaystyle N_ {a}}$${\ displaystyle N_ {b}}$${\ displaystyle H_ {2}}$${\ displaystyle N_ {MSY}}$${\ displaystyle N = {\ frac {K} {2}}}$${\ displaystyle H}$${\ displaystyle H_ {2}}$${\ displaystyle H_ {3}}$${\ displaystyle N}$

Důležitým rysem modelu maximálního udržitelného výnosu je to, jak sklizené populace reagují na výkyvy prostředí nebo nezákonný odběr. Zvažte populaci při sklizni na konstantní úrovni sklizně . Pokud populace klesne (kvůli špatné zimě nebo nelegální sklizni), usnadní to regulaci populace závislou na hustotě a zvýší se výnos, čímž se populace vrátí zpět do stabilní rovnováhy. V tomto případě vytváří smyčka negativní zpětné vazby stabilitu. Dolní rovnovážný bod pro konstantní úroveň sklizně však není stabilní; pád populace nebo nelegální sklizeň sníží výnos populace dále pod aktuální úroveň sklizně a vytvoří smyčku pozitivní zpětné vazby vedoucí k zániku. Sklizeň na je také potenciálně nestabilní. Malý pokles populace může vést k smyčce pozitivní zpětné vazby a vyhynutí, pokud nebude snížen režim těžby ( ). Někteří tedy považují těžbu na maximálním udržitelném výnosu z ekologických a ekonomických důvodů za nebezpečnou. Samotný model MSY lze upravit tak, aby sklidil určité procento populace nebo s neustálými omezeními úsilí namísto skutečného počtu, čímž se vyhne některým jeho nestabilitám. ${\ displaystyle N_ {b}}$${\ displaystyle H_ {1}}$${\ displaystyle N_ {b}}$${\ displaystyle H_ {1}}$${\ displaystyle N_ {MSY}}$${\ displaystyle H_ {2}}$

Rovnovážný bod MSY je polostabilní - je kompenzováno malé zvýšení velikosti populace, malé snížení až zánik, pokud H není snížena. Sklizeň na maximálním udržitelném výnosu je proto nebezpečná, protože je na špičkové úrovni - jakýkoli malý pokles populace vede k pozitivní zpětné vazbě, přičemž počet obyvatel rychle klesá k zániku, pokud počet sklizených zůstane stejný.

Vzorec pro maximální trvalou sklizeň ( ) je jedna čtvrtina maximální populace nebo nosnosti ( ) násobku vlastní rychlosti růstu ( ). ${\ displaystyle H}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle H = {\ frac {Kr} {4}}}$

Pro demograficky strukturované populace

Princip MSY často platí i pro věkově strukturované populace. Výpočty mohou být komplikovanější a výsledky často závisí na tom, zda se závislost na hustotě vyskytuje v larválním stádiu (často modelovaném jako reprodukce závislá na hustotě) a / nebo v jiných životních stádiích. Ukázalo se, že pokud závislost hustoty působí pouze na larvu, existuje optimální životní fáze (velikost nebo věková třída) ke sklizni bez sklizně všech ostatních životních fází. Optimální strategií je tedy sklízet tuto nejcennější životní fázi na maximálním udržitelném výnosu. Ve věkových a fázově strukturovaných modelech však konstantní maximální udržitelný výnos nemusí vždy existovat. V takových případech je cyklická sklizeň optimální tam, kde výnos a zdroje v čase kolísají ve velikosti. Kromě toho při stanovení optimální sklizně stochasticita prostředí interaguje s demograficky strukturovanými populacemi zásadně odlišnými způsoby než u nestrukturovaných populací. Optimální biomasa, která má být ponechána v oceánu, když je lovena na maximálním udržitelném výnosu, může být ve skutečnosti buď vyšší, nebo nižší než v analogických deterministických modelech, v závislosti na podrobnostech náborové funkce závislé na hustotě, pokud je do Modelka.

Důsledky modelu MSY

Zahájení sklizně dříve nezískané populace vždy povede ke snížení velikosti populace. To znamená, že je nemožné, aby sklizená populace zůstala na své původní nosnosti. Místo toho se populace stabilizuje na nové nižší rovnovážné velikosti, nebo pokud je míra těžby příliš vysoká, poklesne na nulu.

Důvodem, proč lze populace udržitelně sklízet, je to, že vykazují reakci závislou na hustotě. To znamená, že při jakékoli velikosti populace pod K produkuje populace nadbytečný výnos, který je k dispozici pro sklizeň, aniž by se zmenšila velikost populace. Závislost na hustotě je proces regulátoru, který umožňuje obyvatelům vrátit se po poruše do rovnováhy. Logistická rovnice předpokládá, že závislost hustoty má formu negativní zpětné vazby.

Pokud se z populace na úrovni vyšší než maximální udržitelný výnos získá konstantní počet jedinců, populace zanikne. Sklizeň pod úrovní maximálního udržitelného výnosu vede ke stabilní rovnovážné populaci, pokud je výchozí populace nad nestabilní velikostí populace rovnováhy.

Použití maximálního udržitelného výnosu

Maximální udržitelný výnos měl zvláštní vliv na řízení obnovitelných biologických zdrojů, jako jsou komerčně důležité ryby a divoká zvěř. Z hlediska rybolovu je maximální udržitelný výnos (MSY) největším průměrným úlovkem, který lze zachytit ze populace za stávajících podmínek prostředí. Cílem maximálního udržitelného výnosu je dosáhnout rovnováhy mezi příliš velkým a malým množstvím sklizně, aby populace zůstala na určité střední hojnosti s maximální mírou náhrady.

Pokud jde o maximální udržitelný výnos, maximální ekonomický výnos (MEY) je úroveň úlovku, která společnosti poskytuje maximální čisté ekonomické výhody nebo zisky. Stejně jako optimální udržitelný výnos je MEY obvykle nižší než MSY.

Omezení přístupu maximálního udržitelného výnosu

Přestože je MSY široce praktikován státními a federálními vládními agenturami regulujícími divokou zvěř, lesy a rybolov, ekologičtí odborníci a další subjekty jej podrobně kritizují z teoretických i praktických důvodů. Koncept maximálního udržitelného výnosu není vždy snadné uplatnit v praxi. Problémy s odhady vznikají kvůli špatným předpokladům v některých modelech a nedostatečné spolehlivosti dat. Například biologové nemají vždy dostatek údajů, aby mohli jasně určit velikost a rychlost růstu populace. Výpočet bodu, kdy se populace začíná zpomalovat konkurencí, je také velmi obtížný. Koncept maximálního udržitelného výnosu má také tendenci zacházet se všemi jednotlivci v populaci jako s identickými, čímž ignoruje všechny aspekty struktury populace, jako je velikost nebo věkové třídy a jejich rozdílné rychlosti růstu, přežití a reprodukce.

Jako cíl řízení není statická interpretace maximálního udržitelného výnosu (tj. Maximálního udržitelného výnosu jako fixního úlovku, který lze rok co rok požívat) obecně nevhodná, protože ignoruje skutečnost, že populace ryb procházejí přirozenými výkyvy (tj. Maximální udržitelný výnos považuje životní prostředí za neměnné ) v hojnosti a obvykle se nakonec v důsledku strategie neustálého odchytu vážně vyčerpá. Většina rybářských vědců tak nyní interpretuje MSY v dynamičtějším smyslu jako maximální průměrný výnos (MAY) získaný použitím konkrétní strategie těžby na fluktuující zdroj. Nebo jako optimální „úniková strategie“, kde únik znamená množství ryb, které musí zůstat v oceánu [spíše než množství ryb, které lze sbírat]. Strategie úniku je často optimální strategií pro maximalizaci očekávaného výnosu sklizené, stochasticky kolísající populace.

Omezení maximálního udržitelného výnosu však neznamená, že při svém nejlepším intuitivním úsudku dosahuje horších výsledků než lidé. Experimenty využívající studenty na hodinách řízení přírodních zdrojů naznačují, že lidé, kteří používají své minulé zkušenosti, intuici a nejlepší úsudek k řízení rybolovu, generují mnohem menší dlouhodobý výnos ve srovnání s počítačem používajícím výpočet MSY, i když tento výpočet pochází z nesprávných populačních dynamických modelů .

Více současného popisu maximálního udržitelného výnosu a jeho výpočtu viz

Oranžový drsný

Příklad chyb v odhadu populační dynamiky druhu se vyskytl v rámci lovu červenohnědého na Novém Zélandu . Rané kvóty byly založeny na předpokladu, že oranžová obecná měla poměrně krátkou životnost a byla chována relativně rychle. Později však bylo zjištěno, že červenohnědý žil dlouho a choval se pomalu (~ 30 let). V této fázi byly zásoby z velké části vyčerpány.

Kritika

Tento přístup byl široce kritizován jako ignorování několika klíčových faktorů, které se podílejí na řízení rybolovu, a vedl ke zničujícímu kolapsu mnoha rybolovných oblastí. Mezi ochranářskými biology je všeobecně považován za nebezpečný a zneužívaný.

Nadměrný rybolov

Po celém světě dochází ke krizi světového rybolovu. V posledních letech byl pozorován zrychlující se pokles produktivity mnoha důležitých rybolovných oblastí. Mezi rybolovy, které byly v poslední době zdevastovány, patří mimo jiné lov velkých velryb, rybolov Grand Bank v západním Atlantiku a rybolov peruánských sardel. Poslední hodnocení Organizace OSN pro výživu a zemědělství (FAO) týkající se stavu světového rybolovu naznačují vyrovnání vykládek v 90. letech na přibližně 100 milionů tun.

Kromě toho se změnilo složení globálních úlovků. Vzhledem k tomu, že rybáři vyčerpávají větší, dlouho žijící dravé druhy ryb, jako je treska, tuňák, žralok a kanice, přecházejí dolů na další úroveň - k druhům, které bývají menší, s kratší životností a méně cenné.

Nadměrný rybolov je klasickým příkladem společné tragédie .

Optimální udržitelný výnos

V populační ekologii a ekonomii , optimální udržitelný výnos je míra intenzity (LOE), která maximalizuje rozdíl mezi celkovými příjmy a celkovými náklady. Nebo kde se mezní výnosy rovnají mezním nákladům. Tato úroveň úsilí maximalizuje ekonomický zisk nebo rentu z využívaného zdroje. Obvykle odpovídá úrovni úsilí nižší než maximální udržitelný výnos. Ve vědě o životním prostředí je optimální udržitelný výnos největší ekonomický výnos obnovitelného zdroje dosažitelný po dlouhou dobu, aniž by se snížila schopnost populace nebo jejího prostředí podporovat pokračování této úrovně výnosu.

Viz také

• Všechny ryby v moři: maximální udržitelný výnos a selhání řízení rybolovu
• Ekologický výnos
• Řízení rybolovu
• Seznam sklizených vodních živočichů podle hmotnosti
• Maximální ekonomický výnos (MEY)
• Populační dynamika
• Populační dynamika rybolovu

Reference