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Network models for ecosystem-based fishery analysis: a review of concepts and application to the Gulf of Alaska marine food web

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Abstract:

We apply graph theory and network analysis to the food web of the Gulf of Alaska marine ecosystem to classify its structural properties, which suggest how the ecosystem as a whole may respond to heavy fishing pressure on its components. Three conceptual models of network structure, random, small-world, and scale-free, each have different implications for system behavior and tolerance to perturbations. We constructed two food web network models using detailed quantitative information on the stomach contents of 57 predator (fish) species collected during trawl surveys of the Gulf of Alaska between 1981 and 2002. The resulting food webs displayed both small-world and scale-free network properties, suggesting that impacts on one species might spread to many through short interaction chains and that while most food web connections are not critical, a small set of fished species support critical structural connections. Ecosystem-based fishery management should therefore first focus on protecting the highly connected species in the network to avoid structural impacts of fishing on the food web.

Nous appliquons la théorie des graphes et l’analyse des réseaux au réseau alimentaire de l’écosystème marin du golfe de l’Alaska afin d’en classifier les propriétés structurales, ce qui laisse entrevoir de quelle manière l’écosystème dans son ensemble pourrait réagir à la forte pression de pêche exercée sur ses composantes. Trois modèles conceptuels de structure de réseaux, soit l’aléatoire, le petit monde et le modèle sans échelle, ont chacun des implications différentes sur le comportement du système et sa tolérance aux perturbations. Nous construisons deux modèles de réseau alimentaire à l’aide des renseignements quantitatifs sur les contenus stomacaux de 57 espèces de (poissons) prédateurs récoltés lors d’inventaires au chalut dans le golfe de l’Alaska entre 1981 et 2002. Les réseaux alimentaires obtenus possèdent des propriétés de réseau de type petit monde et sans échelle, ce qui indique que les impacts sur une espèce peuvent se transmettre à plusieurs autres à travers des courtes chaînes d’interaction et que, bien que la plupart des connections du réseau alimentaire ne soient pas critiques, un petit ensemble de poissons exploités sous-tend des connections structurales essentielles. Une gestion des pêches basée sur l’écosystème devrait se concentrer d’abord sur la protection des espèces fortement connectées dans le réseau, afin d’éviter les impacts structuraux de la pêche sur les réseaux alimentaires.

Document Type: Research Article

Publication date: September 1, 2008

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  • Published continuously since 1901 (under various titles), this monthly journal is the primary publishing vehicle for the multidisciplinary field of aquatic sciences. It publishes perspectives (syntheses, critiques, and re-evaluations), discussions (comments and replies), articles, and rapid communications, relating to current research on cells, organisms, populations, ecosystems, or processes that affect aquatic systems. The journal seeks to amplify, modify, question, or redirect accumulated knowledge in the field of fisheries and aquatic science. Occasional supplements are dedicated to single topics or to proceedings of international symposia.
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nrc/cjfas/2008/00000065/00000009/art00014
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