伊利湖双壳贝类生物量首张跨国分布图的构建及其对磷循环调控的生态意义

为评估斑马贻贝(Dreissena polymorpha)和斑驴贻贝(Dreissena rostriformis bugensis)对伊利湖磷循环的调控作用，加拿大环境与气候变化部等机构联合开发了首个双壳贝类生物量空间预测模型。研究通过随机森林算法整合水深、缺氧天数等环境协变量，构建了高精度生物量分布图，揭示东部湖区为生物量热点区域(37.64 g SFDW m-2)，为湖泊养分管理提供了关键数据支撑。

　　

在北美五大湖生态系统中，两种入侵性双壳贝类——斑马贻贝(Dreissena polymorpha)和斑驴贻贝(Dreissena rostriformis bugensis)的生态影响持续引发关注。这些被统称为"斑马贝类(dreissenids)"的生物自1980年代入侵以来，已彻底改变了湖泊的物质循环路径，特别是将营养元素从水体(pelagic zone)转移至沿岸带(littoral zone)。更值得注意的是，最新研究表明它们可能已成为五大湖磷循环的主要调控者，甚至削弱了外部磷负荷管理的效果。然而，要准确评估这种调控作用，生态系统模型必须精确表征斑马贝类的空间分布模式——这正是当前研究的重大挑战。

加拿大环境与气候变化部(Environment and Climate Change Canada, ECCC)的科研团队在《Journal of Great Lakes Research》发表的研究，通过整合多国监测数据，首次构建了伊利湖斑马贝类生物量的跨国分布图。研究人员采用10折交叉验证比较了六种空间预测方法，发现随机森林(Random Forest, RF)模型最能准确捕捉生物量的空间异质性(RMSE=22.73 g SFDW m^-2)。这项突破性工作不仅为湖泊养分模型提供了关键输入参数，更揭示了缺氧天数(19.25% MSE贡献率)和水深(12.55%)是影响贝类分布的核心环境因子。

研究团队通过三大关键技术实现了这一目标：首先整合了ECCC潜水员采集的硬底质样本与NOAA/USGS的Ponar抓斗软底质数据，构建了覆盖全湖166个站点的生物量数据库；其次采用2×2 km网格整合了水深、缺氧天数、底质类型和底剪切应力等环境协变量；最后通过机器学习算法优化空间预测，其中RF模型在东部湖区表现尤为突出。

研究结果揭示：

1. 环境约束特征：缺氧天数成为中央湖区生物量的主要限制因子(12.95% MSE贡献)，而东部湖区生物量最高值(80.77%站点>1.8 g m^-2)主要受水深调控。

2. 空间分布格局：西部湖区呈现斑块化分布(RMSE=11.79)，中央湖区因长期缺氧生物量最低(18%站点>1.8 g m^-2)，东部深水区则因稳定的物理环境形成生物量热点。

3. 模型比较：RF模型在全湖尺度表现最优，但在西部湖区简单插值法(IDW)反而更准确，暗示该区域可能存在未被监测的驱动因素。

在讨论部分，作者指出这项研究改进了传统深度分箱平均(DBA)方法的局限性，首次实现了环境协变量与生物量分布的定量关联。特别值得注意的是，模型预测西部湖区缺氧带存在高生物量区，这可能暗示斑马贝类对间歇性缺氧具有更强耐受性，或是持续补充的幼体维持了种群稳定。研究同时指出当前硬底质采样不足的缺陷，建议未来结合视频观测技术提升预测精度。

这项研究的科学价值在于：为五大湖磷质量平衡模型提供了首个空间明确的生物量数据层，证实斑马贝类生物量与缺氧阈值的非线性关系，并为加美两国正在实施的磷负荷管理计划提供了评估基准。正如作者强调的，随着视频调查技术的普及，这种融合多源数据的空间预测框架可望扩展到其他大型水体，为入侵物种的生态影响评估树立新范式。