基于拓扑学的体长结构食物网及其对捕捞的响应-以热带太平洋为例

Understanding food-web is fundamental to the ecosystem-based fishery management. The tropical Pacific Ocean (TPO) is the main fishing area of large-scale tuna fisheries over the past sixty years. However, our knowledge about the pelagic ecosystem of the TPO is still weak. We are also lack of the ability of understanding the impacts of long term commercial fishery on the pelagic food-web. This project is designed to address three questions: What are the key features of trophic structure of the TPO food-web? How to identify the key players and develop size-structured food-web? How can the food-web respond to the commercial fishery? The objective of this project is to quantify the trophic relationship and food-web structure, and develop a simulation procedure to efficiently evaluate the structural changes of the food-web in relation to fishing. The following contents and procedures are designed: (1) analyze and quantify the predator-prey relationships, trophic levels, and food-web structure, based on stomach content analysis. Field samplings are conducted by on-board observers based on the Chinese tuna longline fishery; (2) apply network topology analysis to identify the key players and reduce the complexity of the food-web, and develop a key player based, size-structured food-web by incorporating size-dependent predator-prey relationship; and (3) simulate and evaluate the responses of food-web to various fishing scenarios (combination of catch and size-based selectivity). The contribution and production of this project will considerably improve our knowledge of the TPO pelagic ecosystem structure and provide an important framework in evaluating the impact of tuna fishery on food-web.

食物网动态研究是基于生态系统的渔业管理的重要基础。热带太平洋是海洋生态系统动力学研究的薄弱区域，又是人类活动—大洋金枪鱼渔业重点捕捞的区域。项目以中、高级捕食者为主要研究对象，通过摄食生态和营养关系建立食物网，并运用网络拓扑学理论（网络节点重要性指标）筛选出关键种，从而构建以关键种为中心的简化食物网；接着结合体长结构的营养关系，建立基于关键种及其体长组的静态连续食物网；最后，通过与体长结构的单鱼种种群动力学模型相结合，建立起体长结构的动态连续食物网，模拟食物网对不同捕捞策略（捕捞量和渔具选择性的不同组合）的响应变化。本项目将较为系统地建立一套食物网简化和动态模拟的较为完整的工作模式。预期成果可以为今后评价金枪鱼渔业对食物网及其生态系统结构的影响、开发最适捕捞方案提供依据，也将有力地促进人们对热带太平洋生态系统的认识，为生态系统动力学研究奠定科学基础。

食物网动态研究是了解生态系统结构的重要基础，且基于生态系统的渔业管理方式已成为渔业管理发展中的主要趋势之一。热带太平洋是远洋金枪鱼渔业的主要作业海域，但该海域的生态系统动力学相关研究仍比较缺乏。本项目以热带太平洋东部海域的中、高级捕食者为主要研究对象，通过摄食生态和营养关系研究建立种间相互作用关系网，运用一系列拓扑学指标筛选出关键种，并结合体长结构构建了基于该海域的简化食物网，结果表明：不同拓扑学指标下物种排序存在一致性，筛选出的大多数关键种与太平洋其他区域的研究相同，且证实了捕食者体长和摄食偏好在维持食物网结构中的重要性。结合物种经济价值，构建了基于该海域9个物种（生物量占总渔获量的90%以上）的质量谱模型，并模拟不同捕捞策略对生态系统结构的影响，结果表明：渔业捕捞活动对群落结构的直接影响是大型个体数量的减少；捕捞死亡率越高，群落内的体长谱斜率越陡；在当前捕捞死亡率下，四种金枪鱼的生物量到2050年仍可以维持在较高水平。结合其他公开数据库，利用Ecopath with Ecosim 6.5软件构建了2017年东太平洋Ecopath模型，并与前人构建的1997年的模型进行对比发现：该海域生态系统总体能量转化效率、生态系统杂食指数和联结指数分别为18.78％、0.323和0.272，表明该生态系统能量的利用效率已达到最适程度，但食物网结构较易受到外界环境因素的干扰；与1997年相比，2017年生态系统复杂程度升高，成熟度增大但仍然处于发展阶段。本项目的完成提高了人们对热带太平洋海域食物网及其生态系统结构的认识，为开发最适捕捞方案提供了科学依据，也为后续该海域的生态系统动力学研究奠定了基础。