基于时间依赖拉格朗日流网络的半封闭海域海洋保护区连通性评估——以渤海为例

本研究针对海洋保护区(MPA)间物质交换与物种扩散的生态连通性问题，创新性地构建了时间依赖拉格朗日流网络(temporal LFN)模型，通过Dijkstra算法识别最可能路径(MPP)，揭示了渤海22个MPA的弱连通特征（平均连接时间44周）及四大地理集群结构，为优化MPA网络设计提供了量化依据。

　　

海洋生态系统保护面临的核心挑战之一是如何量化海洋保护区(MPA)之间的功能性连接。这种连接直接影响着物种扩散、基因流动和生态系统恢复能力，但在动态海洋环境中精确追踪物质传输路径始终是科学难题。渤海作为典型的半封闭海域，其22个主要MPA的连通性特征长期缺乏系统性研究，制约着区域海洋保护网络的有效规划。

中国海洋大学的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表创新成果，通过构建时间依赖的拉格朗日流网络(temporal Lagrangian Flow Network)模型，结合区域海洋模型(ROMS)模拟的水动力场，首次系统评估了渤海MPA间的连接路径、时间尺度与概率特征。研究采用每周时间步长的动态网络架构，运用Dijkstra算法识别最可能传输路径(MPP)，并创新性地提出MPP-betweenness指标来揭示关键物质运输走廊。

关键技术包括：1) 基于ROMS的渤海高分辨率(2.7km)水动力模拟；2) 0.06°网格划分的2195节点拉格朗日流网络构建；3) 时间依赖网络的最优路径搜索算法；4) Louvain社区检测分析MPA集群特征。研究覆盖全年52个初始释放时间窗口，每个MPA节点释放虚拟粒子模拟物质传输。

连接路径特征
通过分析#4、#8、#12、#19等代表性MPA间的最可能路径发现，渤海西部沿岸流主导着从辽东湾到渤海湾的物质传输，而中央反气旋涡旋则促进跨海盆连接。路径呈现显著方向不对称性，顺钟向路径（59周）比逆钟向（78周）快32%。

连接时间与概率
全部462对MPA连接分析显示，平均连接时间达42周，仅9%的MPA对能在3个月（典型浮游幼虫期上限）内建立连接。连接概率与时间呈强负相关(Spearman系数-0.958)，辽东湾集群内部连接概率最高（10^-1级），跨集群概率可低至10^-32。

网络中心性与集群
在12周PLD情景下，MPA网络形成辽东湾、秦皇岛、渤海湾和莱州湾四大地理集群。Daling河口(#4)、黄河口(#14)和莱州湾浅滩(#18)等节点表现出最高度中心性，成为集群间连接枢纽。MPP-betweenness分析进一步揭示这些枢纽与拉格朗日余流通道高度重合。

时间敏感性差异
通过量化路径初始时间敏感性发现，辽东湾节点作为终点时敏感性最高（平均路径偏离41km），而莱州湾节点作为起点时最敏感，这与区域复杂环流特征相关。研究据此提出"高敏感区需动态管理，低敏感区宜长期保护"的分区策略。

该研究建立的时空动态网络框架突破了传统静态连通性分析的局限，首次量化揭示了渤海MPA网络的层级结构和关键瓶颈。发现的四大生物地理集群为区域保护网络优化提供了科学依据，而创新的MPP-betweenness指标在污染物输运预警方面展现出应用潜力。研究结果对半封闭海域的生态廊道设计具有普适指导价值，方法论也可拓展至气候变化对海洋连通性影响的评估领域。