上海交大刘权兴教授团队在海洋捕捞数学模型研究领域获得进展 - 海洋地质学家研究领域

原标题：上海交大刘权兴教授团队在海洋捕捞数学模型研究领域获得进展

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近日，上海交通大学数学科学学院刘权兴教授的研究小组，通过建立生态过程和种群进化的跨时间尺度个体发育数学模型，系统地分析了海洋保护区的设计策略如何影响鱼类的种群动态涨落行为以及最大可持续渔获量问题。研究结果发现保护区规模与种群进化均匀加剧生态系统的瞬态转变、降低渔获量影响，这表明未来对鱼类种群管理的研究应该考虑到苗圃和生长栖息地之间转变的种群进化行为。该成果发表在2023年11月13日《美国科学院院刊》。

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图1 海洋渔业资源分配与管理。（图片来源：Blue Planet Archive / Alamy Stock Photo）

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物种保育与资源的最大化可持续利用的理论在指导农、林、渔业的发展与管理中起到关键的指导作用。由于副捕问题，海洋中那些生命周期长、繁殖能力较弱的物种面临着高度的灭绝威胁（如图1所示）。当前，众多研究均表明设立海洋保护区不仅能提高强势种群库存的渔获量，同时还能确保那些弱势物种的稳定和持续。这在渔业资源管理中是一项最优的管理策略。随着全球人口的快速增长，海洋渔业资源的过度捕捞问题日益突出。海洋保护区目前覆盖了全球海洋的3-7%，而国际组织提议到2030年将这一比例增加到30%。为了平衡生态与经济的双重效益，世界各国正逐步设定更多的海洋保护区。许多海洋保护区的模型研究都认为，设立这些保护区能助推弱势物种库存逐渐回归到生态系统的稳定状态。特别在那些受到过度捕捞影响的区域，海洋保护区的理论体系在增加渔获总量以及预防弱势物种灭绝上都有着显著效果。然而，气候变化和捕捞压力会导致许多鱼类在种群水平体尺上发生进化现象，这会导致现有仅基于生态过程的理论模型因为时间尺度问题在评价和预测保护策略的有效性方面可能失效。

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研究团队构建了一种融合生态系统时间尺度与种群进化动态的理论模型，并针对种群的进化过程与海洋保护区规模管理所带来的渔获量和种群波动行为进行了对比研究（图2）。在综合评估鱼群个体大小对死亡率的反应、鱼群的洄游模式以及捕捞强度的影响后，研究发现海洋保护区可能加强了鱼类种群的波动性。这种波动在生态瞬态时间尺度和进化时间尺度上均得到验证，从而挑战了二十年来普遍认为海洋保护区能够稳定种群的观点。这一重要发现进一步完善了海洋保护区效益的全貌，强调了除了其正面效应外，海洋保护区可能还伴随着增加物种灭绝风险的潜在负面影响。这一结论对于渔业资源的分配及确保稳定的渔获量具有实际的指导意义。此外，文章还探索了导致这一意外结果的生态学内在机制和关键因素，揭示了物种间竞争、性状的进化以及海洋保护区的规模在影响鱼群动态和渔获量方面的协同作用。

该研究的作者，刘权兴教授解释说：“我们观察到，生态进化和保护区设置都可能导致种群的波动。这种剧烈的波动可能会导致处于弱势的种群库存突然崩溃。为了防止这种崩溃，渔业管理需要实施兼顾两方面策略：一方面保持适当的渔获量，另一方面预防明显的鱼体大小结构变化。这种管理策略旨在应对由捕捞和种群进化导致的两重风险，也就是预防鱼体大小结构的改变和种群波动的加剧。

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图2 种群进化与生态系统时间尺度耦合的生物量和资源量动态行为。（上图）无进化情况下的渔获量波动，（下图）有进化情况下的渔获量波动。

在实际的捕鱼中，与幼鱼相比，成鱼往往具有更高的经济价值，因此更受渔民青睐。持续性地过度捕捞大鱼可能催生鱼类种群的生态进化，使得生长缓慢或较早达到性成熟的鱼类更有可能存活并进行繁殖。这会使得鱼群中的平均体型逐渐缩小。但该研究指出，海洋保护区的设立使得渔业更多地依赖于幼鱼的捕捞，而大鱼对渔业总产量的贡献相对减少（如图3所示）。该研究预示海洋保护区对于渔业资源的分配和管理起着关键作用，需要进行全面评估并进行精心规划。

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图3 保护区大小对总渔获量和成年渔获量的影响

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上海交通大学刘权兴教授为该论文通讯作者，山西师范大学陈仁飞副教授和瑞士联邦水产科学技术研究所P. Catalina Chaparro-Pedraza博士为论文共同第一作者。此外，华南师范大学生命科学学院贾璞副研究员，荷兰阿姆斯特丹大学André Roos教授和山西师范大学肖苏平参与了该项目研究。该研究成果得到了国家自然科学基金、山西省应用基础研究计划的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2307529120

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