使用机器学习来绘制鲨鱼面临延绳捕鱼最大风险的位置

海洋可能是一个危险的地方，即使对鲨鱼来说也是如此。尽管位于食物链的顶端，但这些食肉动物现在正受到过度捕捞、污染和气候变化等破坏性人类活动的影响。

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员专注于鲨鱼的一个特别棘手的问题：与延绳钓金枪鱼渔业的缠结。利用来自区域渔业管理组织和机器学习算法的数据，科学家们能够绘制出鲨鱼物种面临延绳捕鱼最大威胁的热点地区。发表在《海洋科学前沿》上的研究结果强调了可以保护鲨鱼且对金枪鱼渔业影响最小的关键区域。

近海延绳钓渔业对海洋生物造成了特别严重的损失。非选择性技术的鲨鱼误捕率最高。“延绳钓渔具顾名思义：一条长线，上面附有许多带饵的鱼钩。它们可以留在水中很长时间，等待鱼上钩，”合作伙伴解释说。主要作者达西·布拉德利(DarcyBradley)是加州大学圣巴巴拉分校环境市场实验室(emLab)海洋与渔业项目的负责人。这些带饵的鱼钩可以钓到金枪鱼等捕食者，但附近的许多鲨鱼也会聚集在鱼饵上。

作者不是简单地报告捕获鲨鱼的数量和地点，而是旨在评估鲨鱼在海洋不同区域面临的相对风险。“其中一个主要问题是‘哪里捕获鲨鱼的风险最高，这是否与捕鱼活动重叠?’”emLab的项目科学家、共同主要作者EchelleBurns说。

为了回答这个问题，Burns、Bradley和合著者LennonThomas(也在emLab)寻找延绳钓渔业的数据。他们从金枪鱼区域渔业管理组织获取公开数据。这些政府间机构管理、收集数据并对金枪鱼和类金枪鱼物种进行科学评估。

作者将全球所有金枪鱼渔业的工业延绳钓鲨鱼捕捞数据汇编成一个综合资源。这是一项艰巨的任务。每个渔业管理组织的运作方式不同，这意味着他们的数据并不总是采用相同的格式。“现在，任何对鲨鱼捕捞和这些全球延绳钓渔业中发生的其他事件感兴趣的人都可以获得这些信息，”布拉德利说。

作者将空间鲨鱼捕获数据与海面温度等环境数据以及与食物丰度相关的因素配对。他们还包括每年不同鲨鱼种类的经济数据，如出船价格——渔民直接从他们的捕获物中获得的价格。“因为你无法在没有鲨鱼的地方捕捉到它，”布拉德利补充道，“我们使用物种分布模型来描绘不同鲨鱼在海洋中实际生活的位置，以便为我们的风险评估提供信息。”

尽管如此，还是有很多未知数。并非每艘渔船都有公正的观察员为渔业管理组织记录渔获量。并非每份报告都是完全准确的。因此，伯恩斯、布拉德利和托马斯使用一个模型来填补空白、识别趋势并从这些不完整的数据中得出结论。“使用模型的全部原因是因为我们的数据不完善，”布拉德利说。“如果我们知道一切，我们就不需要模型了。”

这是一种估计渔业和海洋物种之间相互作用的新方法。使用机器学习使团队能够从混乱的数据集中推断出趋势。首先，该模型评估了某个地区是否存在鲨鱼物种，如果存在，那么在那里被捕获的可能性有多大。然后它查看了每个物种在一个区域捕获了多少条鲨鱼。

作者在这项研究中优先考虑了预测能力。“我们的目标是确定鲨鱼在哪里被金枪鱼延绳钓捕捞的风险最高，”布拉德利解释说。“对于这项研究，我们并没有试图了解各种因素对这种风险的影响程度。”

作者使用了一个随机森林模型，它结合了许多决策树的输出。每个决策树考虑一个不同的变量，其结果是对最终预测的投票。“基本的想法是，一群糟糕的决策者，树木，可以共享信息以最终做出更好的决定：森林，”布拉德利说。虽然这种方法不能清楚地说明每个因素如何影响系统，但它非常擅长理解混乱和不完整的数据集。出现的是全球鲨鱼种群捕捞风险地图。

金枪鱼和鲨鱼都是食肉动物，捕食相似的猎物，因此它们经常被发现在一起。但是，尽管它们可能具有某些共同特征，但鲨鱼和金枪鱼是根本不同的动物类型。金枪鱼生长快，后代多，而鲨鱼成熟相对较晚，繁殖缓慢。因此，金枪鱼可以承受比鲨鱼高得多的捕捞压力，即使对鲨鱼数量的影响很小，也会影响受威胁物种的数量。

幸运的是，科学家们发现延绳钓鲨鱼互动的热点与首选的渔场并不一致。“这表明我们可以设计出可以保护脆弱和受威胁的鲨鱼物种的管理策略，而不必关闭产量最高的金枪鱼渔场，”布拉德利说。该团队发现这特别令人振奋，因为它可以鼓励帮助鲨鱼的行动，同时也吸引渔民。

热点和良好渔场之间的差异可能源于金枪鱼和鲨鱼之间的差异。“例如，我们注意到一些鲨鱼捕捞热点与在鲨鱼生命周期中发挥关键作用的区域重叠，”托马斯补充道。以纳米比亚海岸附近的海洋为例，这里是著名的蓝鲨育苗栖息地和幼年觅食地。

事实上，蓝鲨主导了与延绳钓捕鱼船队的互动。2012年至2020年间，这种常见且分布广泛的物种占金枪鱼区域渔业管理组织报告的鲨鱼总捕捞量的78%以上。因此，该论文对整个鲨鱼的大部分调查结果尤其受到蓝鲨捕捞量的推动。这是作者在其补充材料中分别调查12个物种的热点的原因之一。

该团队正在进行一项后续研究，估计全球鲨鱼因整体捕鱼而导致的死亡率——而不仅仅是延绳钓。他们还计划评估法规是否有助于防止鲨鱼捕捞。更重要的是，本文的随机森林模型可以提供对其他受过度捕捞威胁的物种的见解。

更好的数据将使团队能够改进他们的模型，但它已经提供了有用的经验教训。例如，我们可以设计管理策略来保护脆弱和受威胁的鲨鱼物种，而不会破坏主要的金枪鱼渔场。伯恩斯说：“对金枪鱼捕捞法规进行小幅调整以避免鲨鱼捕捞热点可能会对未来的鲨鱼种群产生巨大影响，同时还要确保金枪鱼渔业保持成功。”