全球远洋生态系统的结构驱动机制与营养功能调控：基于APECOSM模型的机理探索

本研究通过机理模型APECOSM（Apex Predators ECOSystem Model），首次系统解析了物理与生物地球化学环境对全球远洋生态系统三维结构和营养功能的约束机制。研究揭示了温度、光照、初级生产等关键驱动因素对6类典型群落（如热带金枪鱼、中层带迁移者等）空间分布的调控作用，为理解海洋生态系统异质性提供了普适性理论框架。

　　

海洋覆盖了地球71%的表面积，其中远洋生态系统（pelagic ecosystems）以其复杂的垂直分层、水平异质性和动态变化特性，成为全球生物地球化学循环的关键载体。然而，这种多维度的时空异质性使得传统模型难以准确刻画其结构与功能。尤其在全球气候变化背景下，理解物理环境如何塑造顶级捕食者的分布格局（如金枪鱼种群），以及能量如何通过不同营养级（trophic levels）传递，已成为海洋生态学的核心挑战。

为此，研究人员开发了APECOSM（Apex Predators ECOSystem Model）这一机理模型，通过整合流体力学、生物能学和摄食行为理论，首次实现了对6类典型远洋群落（包括小型中上层鱼类、热带金枪鱼、中层带定居者等）的三维动态模拟。该研究发表在《Progress in Oceanography》上，标志着生态系统建模从局部经验向全球机理的重大跨越。

关键技术方法包括：1）基于个体大小（size-structured）的群落参数化，将生物量分配与代谢尺度律结合；2）耦合物理-生物地球化学模块，整合温度、溶解氧和初级生产（primary production）等环境梯度；3）全球尺度三维网格化模拟，水平分辨率1°×1°，垂直分层0-1000米。

研究结果呈现三大突破性发现：

1. 空间分布验证
   模型输出的热带金枪鱼（tropical tunas）垂直迁移模式与卫星标记数据高度吻合，证实了光强和温度对中上层鱼类昼夜行为的关键调控。中层带群落（mesopelagic residents）的模拟分布则揭示了溶解氧最小值区对其栖息范围的限制。

2. 环境驱动解析
   温度梯度被证明是小型沿岸鱼类（small coastal pelagics）纬度分布的主控因素，而洋流输送决定了热带与温带金枪鱼种群的基因流隔离。特别值得注意的是，初级生产的季节性脉冲直接调控中层带迁移者（mesopelagic migrants）的昼夜垂直迁移幅度。

3. 营养功能异质性
   通过分析10⁴
   -10⁶
   克个体的摄食网络，发现中型中上层鱼类（medium epipelagics）的食性随体型呈非线性转变：小型个体主要摄食浮游动物（zooplankton），而超过500克的个体转向捕食其他鱼类，这一发现修正了传统线性营养级模型。

结论部分强调，APECOSM首次从统一机理出发，揭示了远洋生态系统"结构-功能"关系的普适性规则：环境过滤（environmental filtering）塑造群落的空间格局，而个体大小代谢约束（metabolic scaling）决定能量流动路径。该模型为预测气候变化下海洋顶级捕食者的分布变迁提供了新范式，其机理框架可扩展至濒危物种保护与渔业资源管理领域。讨论指出，未来需进一步整合微生物环（microbial loop）与颗粒沉降过程，以完善对深海碳泵（biological pump）的量化能力。