Maximaler Dauerertrag - Maximum sustainable yield

In der Populationsökologie und -ökonomie ist der maximale nachhaltige Ertrag ( MSY ) theoretisch der größte Ertrag (oder Fang), der über einen unbestimmten Zeitraum aus dem Bestand einer Art entnommen werden kann. Grundlegend für das Konzept der nachhaltigen Ernte zielt das Konzept von MSY darauf ab, die Populationsgröße am Punkt der maximalen Wachstumsrate zu halten, indem die Individuen geerntet werden, die normalerweise der Population hinzugefügt würden, damit die Population auf unbestimmte Zeit produktiv bleiben kann. Unter der Annahme eines logistischen Wachstums schränkt die Ressourcenbeschränkung die Fortpflanzungsraten der Individuen bei kleinen Populationen nicht ein, aber da es nur wenige Individuen gibt, ist der Gesamtertrag gering. Bei mittlerer Populationsdichte, die auch durch die Hälfte der Tragfähigkeit repräsentiert wird , können Individuen ihre maximale Rate erreichen. An diesem Punkt, der als maximaler Dauerertrag bezeichnet wird, gibt es einen Überschuss an Individuen, der geerntet werden kann, da das Wachstum der Population aufgrund der großen Anzahl sich fortpflanzender Individuen seinen Höhepunkt erreicht hat. Oberhalb dieses Punktes schränken dichteabhängige Faktoren die Fortpflanzung zunehmend ein, bis die Population die Tragfähigkeit erreicht. Zu diesem Zeitpunkt sind keine überzähligen Individuen zu ernten und der Ertrag sinkt auf Null. Der maximale Dauerertrag ist in der Regel höher als der optimale Dauerertrag und der maximale wirtschaftliche Ertrag .

MSY wird in großem Umfang für das Fischereimanagement verwendet . Im Gegensatz zum logistischen ( Schaefer )-Modell wurde MSY in den meisten modernen Fischereimodellen verfeinert und kommt bei etwa 30% der ungenutzten Populationsgröße vor. Dieser Anteil unterscheidet sich zwischen den Populationen je nach Lebensgeschichte der Art und altersspezifischer Selektivität der Fangmethode.

Geschichte

Das Konzept von MSY als Fischereimanagementstrategie wurde Anfang der 1930er Jahre in Belmar , New Jersey , entwickelt . Es gewann in den 1950er Jahren mit dem Aufkommen von Überproduktionsmodellen mit expliziter Schätzung des MSY an Popularität. Als scheinbar einfaches und logisches Managementziel, kombiniert mit dem Fehlen anderer einfacher Managementziele der damaligen Zeit, wurde MSY von mehreren internationalen Organisationen (zB IWC , IATTC , ICCAT , ICNAF ) und einzelnen Ländern als primäres Managementziel übernommen .

Zwischen 1949 und 1955 versuchten die USA, MSY zum Ziel des internationalen Fischereimanagements erklären zu lassen (Johnson 2007). Der 1955 verabschiedete internationale MSY-Vertrag gab ausländischen Flotten das Recht, vor jeder Küste zu fischen. Nationen, die ausländische Boote ausschließen wollten, mussten zunächst beweisen, dass ihre Fische überfischt waren.

Als mit dem Modell Erfahrungen gesammelt wurden, wurde einigen Forschern klar, dass es nicht in der Lage war, mit den betrieblichen Komplexitäten der realen Welt und dem Einfluss trophischer und anderer Wechselwirkungen umzugehen . 1977 schrieb Peter Larkin sein Epitaph und stellte das Ziel des maximalen Dauerertrags aus mehreren Gründen in Frage: Es gefährdete die Populationen zu sehr; sie berücksichtigte nicht die räumliche Variabilität der Produktivität; es berücksichtigte keine anderen Arten als den Schwerpunkt der Fischerei; es berücksichtigte nur den Nutzen, nicht die Kosten des Fischfangs; und es reagierte empfindlich auf politischen Druck. Tatsächlich zielte keine dieser Kritikpunkte auf Nachhaltigkeit als Ziel ab. Die erste stellte fest, dass die Suche nach dem absoluten MSY mit unsicheren Parametern riskant sei. Der Rest weist darauf hin, dass das Ziel von MSY nicht ganzheitlich war; es ließ zu viele relevante Funktionen aus.

Einige Manager begannen, konservativere Quotenempfehlungen zu verwenden, aber der Einfluss des MSY-Modells für das Fischereimanagement blieb weiterhin bestehen. Noch während die wissenschaftliche Gemeinschaft begann, die Angemessenheit und Wirksamkeit von MSY als Managementziel in Frage zu stellen, wurde es 1982 in das Seerechtsübereinkommen der Vereinten Nationen aufgenommen und damit seine Integration in nationale und internationale Fischereigesetze und -gesetze sichergestellt. Laut Walters und Maguire war ein "institutioneller Moloch" in Gang gesetzt worden, der Anfang der 1990er Jahre mit dem Zusammenbruch des nördlichen Kabeljaus seinen Höhepunkt erreichte .

Modellierung von MSY

Bevölkerungswachstum

Die Grundannahme hinter allen nachhaltigen Erntemodellen wie MSY ist, dass Populationen von Organismen wachsen und sich selbst ersetzen – also erneuerbare Ressourcen sind. Darüber hinaus wird angenommen, dass, weil die Wachstumsraten, Überlebensraten und Reproduktionsraten bei einer Verringerung der Populationsdichte zunehmen , sie einen Überschuss an Biomasse produzieren, die geerntet werden kann. Andernfalls wäre eine nachhaltige Ernte nicht möglich.

Eine weitere Annahme der Ernte erneuerbarer Ressourcen ist, dass Populationen von Organismen nicht unbegrenzt weiter wachsen; sie erreichen eine Gleichgewichtspopulationsgröße, die eintritt, wenn die Anzahl der Individuen den der Bevölkerung zur Verfügung stehenden Ressourcen entspricht (dh unter Annahme eines klassischen logistischen Wachstums ). Bei dieser gleichgewichtigen Populationsgröße, die als Tragfähigkeit bezeichnet wird , bleibt die Population auf einer stabilen Größe.

Abbildung 1

Das logistische Modell (oder logistische Funktion ) ist eine Funktion, die verwendet wird, um das begrenzte Bevölkerungswachstum unter den beiden vorherigen Annahmen zu beschreiben. Die logistische Funktion ist an beiden Extremen beschränkt: wenn es keine Individuen gibt, die reproduziert werden können, und wenn es eine Gleichgewichtszahl von Individuen gibt (dh bei Tragfähigkeit ). Im logistischen Modell wird die Bevölkerungswachstumsrate zwischen diesen beiden Grenzen am häufigsten als sigmoidal angenommen (Abbildung 1). Es gibt wissenschaftliche Beweise dafür, dass einige Populationen auf logistische Weise in Richtung eines stabilen Gleichgewichts wachsen – ein häufig zitiertes Beispiel ist das logistische Wachstum von Hefe .

Die Gleichung, die das logistische Wachstum beschreibt, lautet:

(Gleichung 1.1)

Die Parameterwerte sind:

= Populationsgröße zum Zeitpunkt t
=Die Tragfähigkeit der Bevölkerung
= Bevölkerungsgröße zum Zeitpunkt Null
= die intrinsische Rate des Bevölkerungswachstums (die Rate, mit der die Bevölkerung wächst, wenn sie sehr klein ist)

Aus der logistischen Funktion kann die Populationsgröße an jedem Punkt berechnet werden, solange , , und bekannt sind.

Figur 2

Die Differenzierungsgleichung 1.1 gibt einen Ausdruck dafür, wie die Bevölkerungsrate mit steigendem N zunimmt. Die Bevölkerungswachstumsrate ist zunächst schnell, verlangsamt sich jedoch mit dem Bevölkerungswachstum, bis sie sich auf die maximale Wachstumsrate einpendelt und danach wieder abnimmt (Abbildung 2).

Die Gleichung für Abbildung 2 ist das Differential von Gleichung 1.1 ( Verhulsts Wachstumsmodell von 1838 ):

(Gleichung 1.2)

kann als die Änderung der Population (N) in Bezug auf eine Änderung in der Zeit (t) verstanden werden. Gleichung 1.2 ist die übliche mathematische Darstellung des logistischen Wachstums und weist mehrere wichtige Merkmale auf. Erstens ist bei sehr geringen Bevölkerungsgrößen der Wert von klein, sodass die Bevölkerungswachstumsrate ungefähr gleich ist , was bedeutet, dass die Bevölkerung exponentiell mit einer Rate r (der intrinsischen Rate des Bevölkerungswachstums) wächst. Trotzdem ist die Bevölkerungswachstumsrate sehr gering (niedrige Werte auf der y-Achse von Abbildung 2), da, obwohl jedes Individuum mit hoher Rate reproduziert, nur wenige reproduzierende Individuen vorhanden sind. Umgekehrt, wenn die Grundgesamtheit groß ist, nähert sich der Wert von 1 effektiv der Reduzierung der Terme in den Klammern von Gleichung 1.2 auf Null. Der Effekt ist, dass die Bevölkerungswachstumsrate wiederum sehr gering ist, weil entweder jedes Individuum sich kaum fortpflanzt oder die Sterblichkeitsrate hoch ist. Als Ergebnis dieser beiden Extreme ist die Populationswachstumsrate bei einer mittleren Population oder der halben Tragfähigkeit ( ) maximal .

MSY-Modell

Figur 3

Der einfachste Weg, die Ernte zu modellieren, besteht darin, die logistische Gleichung so zu ändern, dass eine bestimmte Anzahl von Individuen kontinuierlich entfernt wird:

(Gleichung 1.3)

Dabei steht H für die Anzahl der Individuen, die aus der Population entfernt werden – d. h. die Ernterate. Wenn H konstant ist, befindet sich die Population im Gleichgewicht, wenn die Anzahl der entfernten Individuen der Populationswachstumsrate entspricht (Abbildung 3). Die Gleichgewichtspopulationsgröße unter einem bestimmten Ernteregime kann gefunden werden, wenn die Population nicht wächst, d. h. wenn . Dies tritt auf, wenn die Bevölkerungswachstumsrate der Ernterate entspricht:

Abbildung 3 zeigt, wie die Wachstumsrate mit der Bevölkerungsdichte variiert. Bei niedrigen Dichten (weit entfernt von der Tragfähigkeit) gibt es wenig Zuwachs (oder "Rekrutierung") zur Population, einfach weil es nur wenige Organismen gibt, die gebären können. Bei hoher Dichte herrscht jedoch ein intensiver Wettbewerb um Ressourcen, und die Wachstumsrate ist aufgrund der hohen Sterberate erneut gering. Zwischen diesen beiden Extremen steigt die Bevölkerungswachstumsrate auf einen Maximalwert ( ). Dieser Maximalpunkt stellt die maximale Anzahl von Individuen dar, die durch natürliche Prozesse zu einer Population hinzugefügt werden können. Wenn mehr Individuen als diese aus der Population entfernt werden, ist die Population vom Aussterben bedroht. Die maximale Anzahl, die nachhaltig geerntet werden kann, der sogenannte maximale Dauerertrag, ergibt sich aus diesem Höchstpunkt.

Abbildung 3 zeigt auch mehrere mögliche Werte für die Ernterate H. Bei gibt es zwei mögliche Populationsgleichgewichtspunkte: eine niedrige Populationsgröße ( ) und eine hohe ( ). Bei , eine etwas höhere Ernterate, gibt es jedoch nur einen Gleichgewichtspunkt (bei ), nämlich die Populationsgröße, die die maximale Wachstumsrate erzeugt. Bei logistischem Wachstum ist dieser Punkt, der als maximaler Dauerertrag bezeichnet wird, der Punkt, an dem die Populationsgröße die Hälfte der Tragfähigkeit (oder ) beträgt . Der höchstmögliche Dauerertrag ist der höchste Ertrag, der einer Population im Gleichgewichtszustand entnommen werden kann. Wenn in Abbildung 3 größer als ist , würde die Ernte die Kapazität der Population überschreiten, sich bei jeder Populationsgröße selbst zu ersetzen ( in Abbildung 3). Da die Ernterate bei allen Werten von höher ist als die Bevölkerungswachstumsrate , ist diese Ernterate nicht nachhaltig.

Ein wichtiges Merkmal des MSY-Modells ist, wie geerntete Populationen auf Umweltschwankungen oder illegale Entnahme reagieren. Betrachten Sie eine Population, die auf einem konstanten Ernteniveau geerntet wird . Wenn die Population sinkt (aufgrund eines schlechten Winters oder illegaler Ernte), wird dies die dichteabhängige Populationsregulierung erleichtern und den Ertrag erhöhen, wodurch die Population wieder in ein stabiles Gleichgewicht gebracht wird. In diesem Fall schafft eine negative Rückkopplungsschleife Stabilität. Der untere Gleichgewichtspunkt für das konstante Ernteniveau ist jedoch nicht stabil; ein Bevölkerungszusammenbruch oder eine illegale Ernte wird die Populationserträge weiter unter das aktuelle Ernteniveau senken und eine positive Rückkopplungsschleife erzeugen , die zum Aussterben führt. Die Ernte bei ist auch potenziell instabil. Ein kleiner Rückgang der Population kann zu einer positiven Rückkopplungsschleife und zum Aussterben führen, wenn das Ernteregime ( ) nicht reduziert wird. Daher halten einige die Ernte bei MSY aus ökologischen und ökonomischen Gründen für unsicher. Das MSY-Modell selbst kann modifiziert werden, um einen bestimmten Prozentsatz der Bevölkerung oder mit konstanten Aufwandsbeschränkungen anstelle einer tatsächlichen Zahl zu ernten, wodurch einige seiner Instabilitäten vermieden werden.

Der MSY-Gleichgewichtspunkt ist semistabil – ein kleiner Anstieg der Populationsgröße wird kompensiert, ein kleiner Rückgang bis zur Extinktion, wenn H nicht verringert wird. Die Ernte bei MSY ist daher gefährlich, weil sie auf Messers Schneide steht – jeder kleine Bestandsrückgang führt zu einer positiven Rückkopplung, wobei die Population schnell bis zum Aussterben zurückgeht, wenn die Anzahl der geernteten gleich bleibt.

Die Formel für die maximale nachhaltige Ernte ( ) ist ein Viertel der maximalen Population oder Tragfähigkeit ( ) mal der intrinsischen Wachstumsrate ( ).

Für demografisch strukturierte Bevölkerungsgruppen

Das MSY-Prinzip gilt oft auch für altersstrukturierte Bevölkerungen. Die Berechnungen können komplizierter sein und die Ergebnisse hängen oft davon ab, ob eine Dichteabhängigkeit im Larvenstadium (oft als dichteabhängige Reproduktion modelliert) und/oder anderen Lebensstadien auftritt. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Dichteabhängigkeit nur auf Larven wirkt, es ein optimales Lebensstadium (Größe oder Altersklasse) zum Ernten gibt, ohne dass alle anderen Lebensstadien geerntet werden. Daher besteht die optimale Strategie darin, diese wertvollste Lebensphase am MSY zu ernten. In alters- und stadienstrukturierten Modellen existiert jedoch nicht immer ein konstanter MSY. In solchen Fällen ist die zyklische Ernte optimal, wenn der Ertrag und die Ressource im Laufe der Zeit in ihrer Größe schwanken. Darüber hinaus interagiert die Umweltstochastik bei der Bestimmung der optimalen Ernte mit demographisch strukturierten Populationen auf grundlegend andere Weise als mit unstrukturierten Populationen. Tatsächlich kann die optimale im Ozean verbleibende Biomasse beim Fischen am MSY entweder höher oder niedriger sein als in analogen deterministischen Modellen, abhängig von den Details der dichteabhängigen Rekrutierungsfunktion, wenn auch die Phasenstruktur in die Modell.

Auswirkungen des MSY-Modells

Der Beginn der Ernte einer zuvor nicht geernteten Population führt immer zu einer Abnahme der Populationsgröße. Das heißt, es ist für eine abgeerntete Population unmöglich, bei ihrer ursprünglichen Tragfähigkeit zu bleiben. Stattdessen stabilisiert sich die Population entweder auf einer neuen niedrigeren Gleichgewichtsgröße oder, wenn die Ernterate zu hoch ist, sinkt sie auf null.

Der Grund, warum Populationen nachhaltig geerntet werden können, ist, dass sie eine dichteabhängige Reaktion zeigen. Das bedeutet, dass bei jeder Populationsgröße unter K die Population einen Überschussertrag produziert, der für die Ernte zur Verfügung steht, ohne die Populationsgröße zu reduzieren. Dichteabhängigkeit ist der Regulationsprozess, der es der Population ermöglicht, nach einer Störung ins Gleichgewicht zurückzukehren. Die logistische Gleichung geht davon aus, dass die Dichteabhängigkeit die Form einer negativen Rückkopplung annimmt.

Wenn einer Population eine konstante Anzahl von Individuen entnommen wird, die über dem MSY liegt, wird die Population bis zum Aussterben zurückgehen. Eine Ernte unterhalb des MSY-Niveaus führt zu einer stabilen Gleichgewichtspopulation, wenn die Ausgangspopulation über der instabilen Gleichgewichtspopulation liegt.

Verwendung von MSY

MSY war besonders einflussreich bei der Bewirtschaftung erneuerbarer biologischer Ressourcen wie kommerziell wichtige Fische und Wildtiere. In fischereilicher Hinsicht ist der höchstmögliche Dauerertrag (MSY) die größte durchschnittliche Fangmenge, die unter den bestehenden Umweltbedingungen aus einem Bestand gefangen werden kann. MSY zielt auf ein Gleichgewicht zwischen zu viel und zu wenig Ernte ab, um die Population bei einer mittleren Abundanz mit einer maximalen Ersatzrate zu halten.

In Bezug auf MSY ist der maximale wirtschaftliche Ertrag (MEY) die Fangmenge, die der Gesellschaft den maximalen wirtschaftlichen Nettonutzen oder Gewinn bringt. Wie der optimale Dauerertrag liegt der MEY normalerweise unter MSY.

Grenzen des MSY-Ansatzes

Obwohl es von staatlichen und bundesstaatlichen Behörden zur Regulierung von Wildtieren, Wäldern und Fischerei weit verbreitet ist, ist MSY von Ökologen und anderen sowohl aus theoretischen als auch aus praktischen Gründen heftig kritisiert worden. Das Konzept des höchstmöglichen Dauerertrags ist in der Praxis nicht immer einfach anzuwenden. Schätzprobleme entstehen aufgrund schlechter Annahmen in einigen Modellen und mangelnder Zuverlässigkeit der Daten. Biologen beispielsweise verfügen nicht immer über genügend Daten, um die Größe und Wachstumsrate der Population eindeutig zu bestimmen. Es ist auch sehr schwierig, den Punkt zu berechnen, an dem eine Population durch den Wettbewerb zu verlangsamen beginnt. Das Konzept von MSY tendiert auch dazu, alle Individuen in der Population als identisch zu behandeln, wodurch alle Aspekte der Populationsstruktur wie Größe oder Altersklassen und ihre unterschiedlichen Wachstums-, Überlebens- und Reproduktionsraten ignoriert werden.

Als Bewirtschaftungsziel ist die statische Interpretation von MSY (dh MSY als fester Fang, der Jahr für Jahr gefangen werden kann) im Allgemeinen nicht angemessen, da die Tatsache ignoriert wird, dass Fischpopulationen natürlichen Schwankungen unterliegen (dh MSY behandelt die Umwelt als unveränderlich ) im Überfluss und wird im Rahmen einer Constant-Catch-Strategie in der Regel letztendlich stark dezimiert. Daher interpretieren die meisten Fischereiwissenschaftler MSY jetzt in einem dynamischeren Sinne als den maximalen Durchschnittsertrag (MAI), der durch die Anwendung einer bestimmten Fangstrategie auf eine fluktuierende Ressource erzielt wird. Oder als optimale "Escapement-Strategie", bei der Escapement die Menge an Fisch bedeutet, die im Ozean verbleiben muss [und nicht die Menge an Fisch, die gefischt werden kann]. Eine Hemmungsstrategie ist oft die optimale Strategie, um den erwarteten Ertrag einer geernteten, stochastisch schwankenden Population zu maximieren.

Die Einschränkungen von MSY bedeuten jedoch nicht, dass es nach seinem besten intuitiven Urteilsvermögen schlechter abschneidet als Menschen. Experimente mit Schülern in Naturressourcenmanagement-Kursen deuten darauf hin, dass Menschen, die ihre bisherige Erfahrung, Intuition und ihr bestes Urteilsvermögen nutzen, um eine Fischerei zu verwalten, weitaus weniger langfristige Erträge erzielen als ein Computer, der eine MSY-Berechnung verwendet, selbst wenn diese Berechnung aus falschen Populationsdynamikmodellen stammt .

Für eine zeitgemäßere Beschreibung von MSY und seiner Berechnung siehe

Orangenbarsch

Ein Beispiel für Fehler bei der Schätzung der Populationsdynamik einer Art trat bei der neuseeländischen Orangenbarschfischerei auf . Frühe Quoten basierten auf der Annahme, dass der orange Barsch eine relativ kurze Lebensdauer hatte und relativ schnell brütete. Später stellte sich jedoch heraus, dass der Orangenbarsch lange lebte und sich langsam vermehrt hatte (~30 Jahre). Zu diesem Zeitpunkt waren die Bestände weitgehend aufgebraucht.

Kritik

Der Ansatz wurde weithin kritisiert, da er mehrere Schlüsselfaktoren des Fischereimanagements ignoriert und zum verheerenden Zusammenbruch vieler Fischereien geführt hat. Unter Naturschutzbiologen gilt es weithin als gefährlich und missbraucht.

Überfischung

Weltweit gibt es eine Krise in der weltweiten Fischerei. In den letzten Jahren wurde ein sich beschleunigender Rückgang der Produktivität vieler wichtiger Fischereien beobachtet. Zu den Fischereien, die in letzter Zeit verwüstet wurden, gehören (aber nicht nur) die große Walfischerei, die Grand Bank-Fischerei im Westatlantik und die peruanische Sardellenfischerei. Jüngste Einschätzungen der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) zum Zustand der Weltfischerei deuten auf eine Abflachung der Anlandungen in den 1990er Jahren bei etwa 100 Millionen Tonnen hin.

Zudem hat sich die Zusammensetzung der weltweiten Fänge verändert. Wenn Fischer größere, langlebige Raubfischarten wie Kabeljau, Thunfisch, Hai und Schnapper erschöpfen, bewegen sie sich auf die nächste Stufe – zu Arten, die tendenziell kleiner, kürzer und weniger wertvoll sind.

Überfischung ist ein klassisches Beispiel für die Tragödie der Gemeingüter .

Optimaler nachhaltiger Ertrag

In der Populationsökologie und -ökonomie ist der optimale nachhaltige Ertrag das Level of Effort (LOE), das die Differenz zwischen Gesamteinnahmen und Gesamtkosten maximiert. Oder wo Grenzerlös gleich Grenzkosten ist. Dieses Maß an Aufwand maximiert den wirtschaftlichen Gewinn oder die Rente der genutzten Ressource. Er entspricht in der Regel einem geringeren Aufwand als dem des höchstmöglichen Dauerertrags. In der Umweltwissenschaft ist der optimale Dauerertrag der größte wirtschaftliche Ertrag einer erneuerbaren Ressource, der über einen langen Zeitraum erzielt werden kann, ohne die Fähigkeit der Bevölkerung oder ihrer Umwelt zu verringern, die Aufrechterhaltung dieses Ertragsniveaus zu unterstützen.

Siehe auch

Verweise