气候变化影响下海洋浮游生态系统的动力学模型研究

As the linkage in the transfer of material and energy in the marine ecosystem, marine plankton together with inorganic nutritive salt, invertebrate etc. constitute marine plankton interaction network. In recent years, due to the effect of increasing human activity and associated climate change, marine ecosystem presents some serious tendencies, including declined primary productivity, reduced species diversity, increased eutrophication degree and so on. The existing marine dynamical models are difficult to well describe the impact of climate change on the dynamics of plankton ecosystem. Based on deep statistical analysis on the environment and resources survey data of East China Sea, in view of the impact of environmental fluctuations caused by climate change on marine plankton populations, this project will propose several types of appropriate stochastic multi-nutrition level population dynamics model driven by different types of random process, and study the effect of climate change on the evolution dynamics of the population with different nutrition level; on this basis, construct marine spatial dynamical models with climate factors, study the evolution mechanism of the spatiotemporal distribution pattern of population system under the influence of climate change, assess the impact of climate change on the diversity, the geographic distribution and the biomass of the marine organisms, and use the actual data to check analysis. The results obtained can provide reliable mathematical basis for the prediction of the evolution trend of the marine species, the maintenance of the ecosystem balance, the control of the harmful algae outbreak and so on.

作为海洋生态系统中物质能量传递的纽带，海洋浮游生物与无机营养盐、无脊椎动物等共同构成海洋浮游生物交互网络。近年来，由于人类活动日益加剧而导致的气候变化影响, 海洋生态系统呈现出基础生产力下降、种群多样性减少、富营养化程度加剧等严重趋势。已有的海洋动力学模型难以很好地刻画气候变化对浮游生态系统动力学的影响。本项目拟基于对我国东海环境与资源调查数据的深度统计分析，针对气候变化导致的环境波动对海洋浮游生物种群的影响，提出几类由不同类型随机过程驱动的多营养层级随机种群模型，研究气候变化对海洋浮游生物种群动力学演化的影响；在此基础上，构建具有气候因素的海洋空间动力学模型，研究气候变化影响下种群系统时空分布格局的演变机理，评估气候变化对海洋生物的多样性、地理分布及生物量的影响，并利用实际数据进行校验分析。所得结果可为预测海洋物种的演化趋势、维持生态系统平衡和控制有害藻类暴发等问题提供可靠的数学依据。

该项目以气候变化对海洋浮游生态系统的影响为实际背景，利用随机微分方程、反应扩散方程、非线性泛函分析中的半群理论和谱理论、扩散过程等相关理论和方法，通过建立由不同随机过程驱动的随机微分方程模型或偏微分方程模型，研究了气候变化影响下海洋浮游生态系统动态演化过程中所涉及的一系列数学问题。具体内容包括：1）针对基于海洋食物链中物质和能量转换以及浮游植物植化相克等不同机制、考虑气候变化和人类活动等随机因素影响和产毒浮游植物的浮游生态动力学模型，分析了引起赤潮暴发的藻类种群绝灭、持续和周期演替的动力学机理，结果表明浮游植物释放毒素、植化相克可作为控制有害藻类暴发的有效措施；2）基于中国东海原甲藻的实测数据，研究了一类考虑季节光照变化和营养有效性的化学计量学随机藻类增长模型，得到了藻类周期性振荡演替和绝灭的阈值条件，探讨了控制赤潮暴发的有效途径；3）基于在24˚C下对磷耗竭和磷充盈条件下东海原甲藻的短期磷吸收过程的实验数据，提出了藻类磷吸收过程的两阶段模型，并基于该模型进一步建立了考虑藻类生物量及细胞配额的藻类增长模型，很好地解释了现场实测数据中所呈现的赤潮周期演替现象；4）针对考虑气候变化和生物个体营养配额的随机非光滑化学计量学能量生产者-食草动物模型，基于海洋实测数据，利用随机敏感性分析技巧研究了系统在营养富裕和贫瘠状态两个随机吸引子间的频繁切换现象；5）针对产毒浮游植物具有空间聚集行为的反应扩散浮游植物-浮游动物模型，分析了模型时空分布格局的演化规律、空间斑图形成以及其稳定性的条件；6）基于上述研究，进一步探讨了气候变化对浮游植物细胞大小的进化，以及处于海洋食物链中更高营养层级的鱼类种群影响的动力学建模及其相关的收获策略问题。这些研究结果对实际从事海洋物种演化趋势预测、维持生态平衡及生态系统种群的多样性、控制有害藻类暴发等研究的海洋工作人员在某种程度上具有重要的理论和实际指导意义。