气候变暖对具尺度结构的水生态系统的影响机制研究

Climate change has been indirectly affecting density distribution of fish population and the dynamic balance of ecosystem functions through directly altering individual physiology, therefore threatening the safety of human life and environment. In this context, this project takes aquatic ecosystems as the main research object, and aims to develop a size-structured aquatic ecosystem accounting for both fish ontogeny and interactions among biotic and abiotic components. By mathematical analysis and numerical simulations, we explore a couple of scientifically fundamental research questions including the evolution of fish maturation size and regime shift of ecosystem. A by-product is to update and integrate existing Matlab-based numerical algorithms into an internet program of simulating lake ecosystem dynamics. The project studying climatic responses of aquatic ecosystems involves mathematics, aquatic ecology, and climate change, and is an interdisciplinary project. The results can potentially be of paramount importance, from the perspective of theoretical support and strategic guidance, for the protection of ecosystem functions and the emergence of warning signal for ecosystem collapse.

气候变暖通过直接影响鱼类个体的生理功能而间接地改变鱼类种群的密度分布和生态系统功能的动态平衡，从而影响人类的生产生活和环境安全。在此背景下，本项目拟以水生态系统为主要研究对象，将无机环境和有机生命之间的相互作用与鱼类的生长发育过程相结合，建立描述鱼类个体生长发育以及群体演化过程的具尺度结构的水生态系统动力学模型。综合应用微分方程等相关理论知识和数值模拟等手段，研究气候变暖对鱼类进化和生态系统稳态转换的影响机制等关键科学问题。在此基础上，改进并集成现有基于Matlab软件编程的数值程序，使之成为能够很好地模拟湖泊生态系统的动力学演化过程的网络程序。研究水生态系统对气候变暖的响应机制需要利用数学、水生态学、气候变化等多个学科的理论和工具，是真正意义上多学科的交叉和融合。其成果能够为水生态系统功能的保护和预警提供理论依据和策略指导。

人类活动如气候变暖、水质酸化、微塑料污染、药物污染等正在全球范围内影响生物个体的生理机能包括捕食率、新陈代谢率、繁殖率等，并且通过营养级联效应进一步影响生态系统的结构和功能。本项目围绕人类活动开展以湖泊为主要研究对象的数学建模研究。利用经验数据对模型进行校正，借助微分方程稳定性理论、分支理论和数值模拟对模型进行系统的分析，进而揭示人类活动影响生态系统的机理。首先从生物进化的角度，我们研究了湖泊水质退化和环境同质化对湖泊生物多样性的影响，结果表明逆进化虽然普遍存在且不易察觉，但却是导致生物多样性丧失的一个重要因素。接着，我们搜集全球20个水生食物网的数据，构建了基于物种属性的食物网模型，给出了生态系统功能差异与食物网物种丰富度之间的单峰关系。进一步，我们构建了基于物种生长发育的食物链模型，通过将人类活动对物种个体的影响转化为模型参数，阐述了人类活动可以导致鱼类种内结构的变化如体型变小，繁殖率降低等。在该模型的基础上，我们将物种对微塑料的摄食行为融入到模型中，并系统考虑微塑料对湖泊等生态系统的影响，研究表明微塑料摄食会导致生态系统发生稳态转换，危害生态系统的生产力。在该项目的支持下，项目组共发表SCI学术论文18篇，被引用114次（google scholar），研究结果受到新闻网和中国科学报等媒体的报道。同时，课题组积极组织和参与线上线下各类学术会议，此外，有2位博士研究生和5位硕士研究生顺利毕业并获得学位。