食物网动态中颜色变化的生态学意义：环境噪声与年龄结构对水生系统的级联效应

本研究通过Niche模型构建水生食物网，探究不同颜色环境噪声（白/红/蓝噪声）对物种动态的影响，结合年龄结构分析营养级联效应。发现除年龄结构鱼类外，食物网普遍存在营养级升高时噪声红化现象（CI>1），且自下而上自相关性增强。该成果为理解气候变化下环境波动对生态系统稳定性的影响提供了理论框架。

　　

在生态学领域，环境波动如何影响物种动态一直是核心科学问题。随着气候变化加剧，环境噪声的"颜色"——即其时间序列的频率特征（如红噪声代表低频长周期波动）——对生态系统的影响日益凸显。早期研究如Steele(1985)发现海洋环境更易出现红噪声，而Cohen(1995)则揭示单物种混沌模型产生蓝噪声的悖论。这些矛盾现象暗示：在多物种组成的复杂食物网中，环境噪声的传递可能具有更复杂的规律。尤其当考虑到鱼类等关键物种的年龄结构时，营养级联效应可能被显著改变。

为解决这一问题，由芬兰科学院资助的研究团队通过Niche模型构建了包含年龄结构的水生食物网，采用全度量营养网络（ATN）方法模拟生物量动态。研究设置白（β=0）、红（β=1）、蓝（β=-1）三种噪声场景，通过快速傅里叶变换（FFT）分析各营养级生物量时间序列的色度指数（CI）。

关键技术包括：1）基于Williams和Martinez的Niche模型生成随机食物网；2）扩展Bland等(2019)的年龄结构建模；3）通过1/f^β功率律引入环境噪声；4）使用FFT频谱分析量化CI值；5）双因素方差分析评估年龄结构与噪声颜色的交互效应。

食物网生成与模拟设置
研究采用Niche模型随机生成水生食物网，通过参数n_i~U(0,1)确定物种生态位，捕食范围r_j以c_j为中心。年龄结构模型将鱼类分为幼体和成体两个阶段，通过特定代谢率差异体现生活史特征。

结果
模拟显示：1）生产者CI中值精确反映输入噪声颜色（白噪声≈1，红噪声>1，蓝噪声<1）；2）非年龄结构食物网（A-B型）呈现显著营养级红化趋势（CI随营养级升高而增加），而年龄结构食物网（C-D型）该模式被打破；3）自相关性从底层到顶层营养级持续增强，表明高阶消费者更易保留环境波动的历史印记。

讨论
该研究首次系统验证了环境噪声在食物网中的"红化传导"规律，但发现鱼类年龄结构会中断这一模式。这可能是由于幼体/成体差异导致能量通道分化，削弱了营养级联的同步性。频谱分析证实Vasseur和Yodzis(2004)提出的1/f^β规律在复杂食物网中依然适用，但β值变化受生物组织层次（个体→种群→群落）调节。

这项由Milko Vesterinen等完成的研究发表于《Ecological Modelling》，其重要意义在于：1）建立噪声颜色-营养位置-年龄结构的三维分析框架；2）揭示年龄结构作为生态系统"缓冲器"的机制；3）为预测气候变化下不同水域（湖泊/海洋）的生态响应提供新视角。未来研究可结合实测数据验证这些理论预测，特别是在具有复杂生活史的水生生物群落中。