水生生态系统食物网稳定性评估新方法：白洋淀湖案例研究揭示碎屑能流的关键作用

这篇研究通过经典和修正的Lotka-Volterra方程，结合白洋淀湖食物网模型（Ecopath），创新性量化了浮游植物和碎屑（Detritus）食物网的相互作用强度。研究提出环权重（Loop weight）和对角强度（Diagonal strength, S）作为稳定性指标，揭示1958-2009年间食物网稳定性受碎屑→浮游动物→滤食性鱼类三链环主导，而2009-2019年转变为碎屑→浮游动物→浮游植物的新调控模式，表明顶级捕食（Top-down）向资源驱动（Bottom-up）的生态级联效应转变。作者提出的捕食者-猎物生物量几何平均比（PBR）与S显著相关（R2=0.6645），为生态系统管理提供了简易预警工具。

　　

摘要

研究聚焦水生生态系统中物种与碎屑的复杂相互作用，通过整合未同化食物、非捕食性死亡等过程，构建了包含碎屑能流的食物网稳定性评估框架。基于白洋淀湖1958-2019年Ecopath模型数据，研究发现三链杂食性环（如Detritus→Zoop→FilF）的权重变化直接决定系统稳定性，其机制与捕食者-猎物生物量比（如FilF/Detr）动态密切相关。2019年关键环转变为Detritus→Zoop→Phyt，标志着调控模式从顶级捕食主导转向资源驱动。

1 引言

食物网稳定性定义为系统受扰动后恢复初始状态的能力，其数学表征依赖于群落矩阵（Jacobian matrix）最大特征值实部符号。传统研究多忽略碎屑路径，但碎屑既是能量源又是营养库，在湖泊能流中占比常超过浮游植物路径。白洋淀湖作为华北最大淡水湖，1960年代筑坝和1990年代富营养化导致生物多样性持续下降，为探究碎屑能流对稳定性的影响提供了理想案例。

2 材料与方法

2.1 研究地点

白洋淀湖（38°44′-38°59′N, 115°45′-116°07′E）年均水深2-3米，1980年代曾近干涸。Ecopath模型将生物划分为12个功能组（如Detr、Phyt、Zoop、FilF等），生物量数据涵盖1958-2019年五个时期。

2.3 相互作用强度计算

基于Lotka-Volterra方程，种间相互作用强度（a_ij）通过Ecopath输出的摄食率（F）、生物量（B）和死亡率（M）计算。碎屑相关相互作用包含三类：

1. 捕食效应：a_Detr→j = -F_j→Detr/B_Detr

2. 碎屑输入：来自功能组i的非捕食死亡（M_i·B_i）和未同化食物（0.2×∑F_k→i）

3. 自相互作用：a_ii = -s·M_i，其中s为稳定性参数

2.4 环权重分析

三链环权重（如Detr→Zoop→FilF）通过几何平均计算，最大环权重（MLW）近似对角强度（S）。研究发现1958-2009年MLW由滤食性鱼类主导，而2019年转为浮游植物主导，反映调控机制的根本转变。

3 结果

• 碎屑食物网稳定性趋势与浮游植物基网差异显著（平均偏差34.9%）

• 1958-2009年关键环Detr→Zoop→FilF的PBR（FilF/Detr）与S呈正相关（R²=0.71）

• 2019年新关键环Detr→Zoop→Phyt的PBR（Zoop/Detr）决定稳定性，其较低值（0.285）对应更高稳定性

4 讨论

碎屑路径的纳入使稳定性评估更接近真实生态系统。建议管理实践中监测关键环物种生物量比（如Zoop/Detr），当比值超过阈值时实施生物操纵（如调控滤食性鱼类密度）。研究提出的几何平均比指标（PBR）虽精度中等（R²=0.6645），但避免了复杂能流计算，适合作为预警工具。

5 结论

该研究首次系统量化了碎屑能流对湖泊食物网稳定性的影响，揭示了白洋淀湖从顶级捕食调控到资源驱动调控的转变机制。未来需加强物种动态长期监测，建立能量特征数据库，推动稳定性理论在生态管理中的实际应用。