环境DNA技术在渔业资源生物量评估中的研究进展:现状与展望

近年来,由于过度频繁的人类活动,导致全球渔业资源正遭受威胁.与传统渔业评估方法相比,环境DNA(eDNA)技术具有操作简便、侵入性低、灵敏度高等优点,因而在渔业资源评估中应用广泛.eDNA技术在物种丰度和生物量评估中已经被证明是可行的,本文总结了eDNA技术在渔业资源生物量评估中的研究现状,从eDNA技术与传统方法互补...     

环境DNA技术在生态保护和监测中的应用

生物多样性减少、生态系统功能退化、全球气候变化是全球性重大问题，在避免对当前生态环境再破坏的前提下，开展全面准确的生态监测来查清和明确生物多样性，对生态保护和可持续利用极其重要。环境DNA技术（eDNA）的发展提供了一种生态和生物多样性监测的新手段，是近年来的前沿热点技术之一。国际上已经将其广泛应用于生态监测中，而我国的相关研究成果，尤其是在海洋生态监测中的研究成果则相对缺乏。本文综述了eDNA技术的发展和国内外基于eDNA技术取得的相关成果，主要从eDNA技术与传统监测方法的互补性、基于eDNA技术监测物种生活史过程、基于eDNA技术推算物种丰度、基于eDNA技术研究生态系统结构变化等几个主要方面进行了介绍；阐释了eDNA技术应用的研究领域和方向；揭示了eDNA技术在生态监测中的适用性和重要性；指出了eDNA技术存在的一些问题。本综述对于生态保护与监测、资源的保护和可持续利用具有一定的参考价值。     

适用于短生命周期种类资源评估模型的研究现状与展望

近几十年来随着传统鱼类资源衰退,短生命周期种类的资源量和捕捞产量出现了增长,并已成为世界海洋捕捞业的重要捕捞对象,为使渔业资源可持续利用,必须制定合理的渔业管理计划,实现对渔业资源的科学管理。对渔业资源进行科学的评估是制定渔业管理计划的基础,渔业资源评估模型则是进行渔业资源评估的重要工具,对短生命周期种类资源进行科学评估和管理是一个极为重要的课题。但是短生命周期种类具有生命周期短、生长快、资源丰富以及产卵种群多的特点,资源量极易受海洋环境影响的独特的生活史特征,使得世界各国对短生命周期种类资源评估和管理的研究处在发展初期。本文首先介绍了短生命周期种类的生物学特点,接着简要介绍了传统资源评估模型的分类,最后详细阐述了目前应用于短生命周期种类的资源评估模型与方法,同时,本文对渔业资源评估模型中存在的问题进行了探讨,并对其未来的发展进行了展望。     

机器学习方法在舟山渔场主要经济蟹类生物量估算中的应用

扫海面积法因其操作简单、计算方便,被广泛应用于渔业生物量评估工作中。但该方法需假设资源均匀分布,若要提高生物量评估的准确性,则须增加站位数量,进而增加经费预算。本研究基于2006年8月和2007年1月、5月、11月在舟山渔场海域开展渔业资源底拖网调查所获得的多种经济蟹类数据资料,模拟分析扫海面积法与机器学习模型(随机森林(RF)、梯度提升回归树模型(GBRT)、极限梯度提升(XGBoost))对舟山渔场海域三疣梭子蟹(Portunustrituberculatus)、双斑鲟(Charybdisbimaculata)、日本鲟(Charybdisjaponica)、细点圆趾蟹(Ovalipespunctatus)4种主要经济蟹类生物量的对比评估效果。结果显示,随着投入站点数目的减少,在数据不集中、波动较大的秋、冬季节XGBoost方法对生物量的评估效果明显优于扫海面积法,误差降低7.49%～21.34%;而在较为均匀的春、夏两季,扫海面积法与机器学习方法两者结果的差异不显著(P<0.05)。本研究以几种经济蟹类为例,探索使用机器学习方法评估其生物量,达到了提高评估准确性并节省资源调查...     

利用生物量动态模型与Euler-Lotka方程估算亲体-补充量模型的陡度参数

陡度是亲体与补充量模型中的关键参数,能反映补充量受亲体量的约束程度,但该参数难以通过渔业资源评估模型直接估计,而随意假设则可能会降低渔业资源评估结果的可靠性。因此,本文提出了利用生物量动态模型(Biomass dynamic model)与Euler-Lotka方程估计陡度经验分布的方法。先利用贝叶斯生物量动态模型估计内禀增长率的分布,在此基础上,利用Euler-Lotka方程估计陡度的经验分布,再以印度洋长鳍金枪鱼(Thunnus alalunga)陡度估计为例,展示了该方法。研究表明:陡度的估计受资源丰度指数、自然死亡系数、性成熟率、生长参数等数据的影响;当使用中国台湾延绳钓渔业在15°S~45°S、55°E~100°E海域的标准化CPUE、4种自然死亡系数与4种性成熟率时,生物量动态模型能较好估计内禀增长率,估计的陡度均值在0.80~0.87之间,与大西洋、北太平洋长鳍金枪鱼陡度值基本一致,估计结果具有合理性;同时,本文陡度估计支持印度洋长鳍金枪鱼资源处于健康状态的判断。研究结果将进一步丰富陡度估计方法,为陡度的合理假设及印度洋长鳍金枪鱼的资源评估提供理论支持。     

基于生态通道模型的我国渔业资源生态容量研究进展

随着人类活动对于海洋资源的开发和利用不断深化,许多渔业资源的开发速度已经超过其再生能力的上限,渔业资源衰退趋势愈发显著。因此,渔业资源亟待科学合理的理论指导来保护和利用有限的渔业资源。Ecopath生态通道模型是一种研究生态系统特征与变化的经典模型,除了可用于分析生态系统结构与功能以及评估生态系统的成熟稳定程度外,该模型还可以评估物种的生态容量,为增殖放流活动等渔业资源保护措施提供科学依据,因此被广泛应用于渔业资源生态容量研究。本文综述了Ecopath模型的原理、建立和调试方法,归纳了生态容量的概念以及国内基于生态通道模型评估渔业资源生态容量的进展以及不同水域生态系统下的特征参数对比,最后提出了模型的限制性以及发展前景。本综述重点归纳了不同水域生态系统下的物种生态容量评估研究,旨在为不同生态环境下的增养殖活动提供科学参考。     

剩余产量模型在不同渔业中的应用

剩余产量模型因其简单和所需数据较少的特点为渔业资源评估广泛采用.本文应用目前常用的四种剩余产量模型对五种渔业下的渔业生物种群及北大西洋箭鱼种群xiphias gladius评估效果作了比较.四种剩余产量模型在渔业1中的评估效果较好,而在渔业2中的效果较差;Schnute模型在充分捕捞的渔业,如渔业3、4、5,尤其是在低生物量的渔业3中评估效果较好,但不适合评估未充分捕捞的渔业.Walters-Hilborn模型(W-H模型)适用于各种渔业,尤其是渔业1、4、5.在过度捕捞渔业中如渔业3、4,模型对参数q的估计较其它参数接近真值.在北大西洋箭鱼(xiphias gladius)渔业的评估中,W-H模型对MSY的估计约为14000吨,接近于Prager(1996)的结果.     

渔获量时间序列长度对基于CMSY方法的资源评估结果的影响

大多数渔业种类由于数据缺乏,无法使用传统的渔业资源评估方法开展评估和管理。越来越多的研究采用CMSY等基于有限数据的评估方法,但CMSY方法在渔获量数据时间序列长度有限、存在误差等情况下的评估可靠性尚有待验证。本研究运用CMSY方法对黄海3种产量较高的经济鱼类开展资源评估,探索渔获量数据时间序列长度、不同渔业发展阶段,以及观测误差水平对评估结果的影响。结果表明,鲐、带鱼和银鲳在2000年后均出现产量高于最大可持续产量(MSY)的情况,资源处于过度利用状况(B/B_MSY<1、 F/F_MSY>1),近10年来开发强度降低,但生物量仍处于较低水平(B/B_MSY<1)。评估模型的回溯性分析结果差异较小,表明评估结果稳定。从数据长度上看,使用遍历产量上升和下降过程的长时间序列数据,其评估结果更为稳定。在观测误差大于20%的情况下,模型对MSY和B_MSY出现高估,但结果仍较为稳健。在CMSY方法的应用中应注意选取长时间序列的产量数据,在评估结果不确定性高的情况下应采取相对保守的渔业管理措施。     

基于增殖放流的定栖性种类剩余产量模型及其模拟分析

为应对渔业资源的日益衰退,增殖放流成为了目前补充资源、维持资源可持续利用的主要手段之一。增殖放流实施后,渔业资源的可持续特征是学者们普遍关心,却又无法使用传统剩余产量模型有效解决的问题。本研究基于传统的Schaefer剩余产量模型,提出了一个适用于增殖放流情况下的剩余产量模型(增殖剩余产量模型),模拟分析了不同增殖放流和捕捞策略对模型的影响。该模型的形式与Schaefer剩余产量模型相似,但加入了描述增殖群体增长特征的参数—有效增殖率,以此来表示增殖放流的群体对产量产生的影响。结果显示,合理的增殖放流可以起到增加最大可持续产量的效果,使用增殖剩余产量模型能够得到合理的最大可持续产量等关键指标的估算结果。与无增殖放流情况相比,在增殖放流影响下,海域原存资源(海域原本存在的群体)达到最大可持续产量时所需的生物量较小,而可承受的捕捞努力量则有所增加。增殖剩余产量模型所反映的原存群体和增殖群体之间会产生抑制作用。在该作用影响下,不同增殖放流和捕捞策略会对模型的评估结果产生影响。与传统模型相比,该模型将增殖放流纳入最大可持续产量的评估过程,提高了增殖放流影响下最大可持续产量评估的准确性,可用于诸如海洋牧场等边界较清晰的海域内增殖定栖性种类最大可持续产量的估算。     

水环境生态系统中环境DNA脱落、衰变和运输过程的研究进展

环境DNA(eDNA)通过从环境样品中采集DNA的存在性、位置、丰度等指标来进行样品中生物多样性和微生物的研究方法。近年来,环境DNA(eDNA)的研究得到了巨大的发展,目前已广泛应用于各个领域。虽然eDNA的研究越来越多,但围绕影响eDNA在环境中的发展变化规律的不确定性依然存在。由于eDNA研究使用生物DNA片段来作为研究的对象,因此需要考虑采集eDNA时的动态、复杂的生物环境的生态特性,以便使研究结果更加准确。本综述中,我们讨论了在不同的环境中,水样品DNA脱落的环境因素和水生态系统中eDNA衰变的主要影响因子,以及eDNA在不同水环境中运输的发展过程,以便对水环境中DNA脱落、衰变和运输整个过程的发展变化作出更准确的预测。最后,为更加优化eDNA研究应用价值,提出多项建议,以推进并支持eDNA发展持久性。     

环境RNA技术在水生生态系统生物多样性监测中的应用

随着人类活动在全球范围内的不断增强，水生生态系统的生物多样性丧失，群落结构发生巨大变化。因此，进行准确可靠的生物多样性监测来确定目标区域的物种丰度和群落结构对生态保护和资源可持续利用至关重要。环境DNA技术（eDNA）作为一种非入侵性的新手段，正在迅速发展，然而，eDNA技术易出现假阳性，从而导致实时生物多样性监测不准确的现象仍然普遍存在。与eDNA技术相比，环境RNA技术（eRNA）的快速降解使得它具有减少eDNA监测结果假阳性的潜力。本文概述了eRNA技术在水生生态系统的生物多样性监测中的可行性，主要从eRNA技术在水生生态系统中的可检测性和提高检测分辨率的潜力两个方面来介绍；综述了eRNA技术目前在水生生态系统生物多样性监测方面的研究进展；指出了eRNA技术目前存在的问题并分析了未来的研究方向。本文对未来将eRNA技术实际应用于水生生态系统的生物多样性监测、生态保护和资源可持续利用具有一定的参考价值。     

环境DNA技术在长江口水生生物监测中的应用潜力

环境DNA(Environmental DNA, eDNA)技术是一种正在蓬勃发展的生物采样监测技术,可以根据需要同时监测特定对象或多种水生生物,因其便利快捷,对检测对象和生态环境友好等优点而在水生生物资源监测中具有广阔的应用潜力。长江口水域作为我国最大的河口,是诸多水生生物季节性洄游、觅食和栖息的重要场所,因此对该水域水生生物资源的动态变化进行准确监测是开展相应生态保护的必要基础。本文归纳分析了环境DNA技术的监测原理,以及在濒危珍稀物种、入侵物种、生物多样性、资源量和遗传多样性监测方面的应用现状及限制条件,并结合长江口水域监测工作的具体需求,展望了在该水域应用环境DNA技术进行水生生物资源监测的应用前景和研究方向,并提出相关建议。     

人地复合生态系统韧性研究进展及其对海岸带生态系统韧性研究的启示

在全球气候变化与人类高强度开发的双重影响下,人地复合生态系统和受陆海系统交互影响的海岸带地区生态脆弱性更加明显。如何有效把握人地复合生态系统发展动向,合理规划与调控社会经济活动、促进人地关系协调发展一直是可持续发展领域研究的重点课题。韧性作为系统的内在特征,在防范化解灾害风险、维护区域生态安全中发挥着重要作用,是人地复合生态系统可持续发展能力的重要表现。然而,目前关于人地复合生态系统韧性的内涵、评估方法等方面尚未形成统一的范式,韧性的量化评估方法存在较大差异。通过梳理和归纳现有研究成果认为,韧性经历了从工程韧性、生态韧性到演进韧性的转变,其概念及内涵仍在不断拓展与深化;总结对比了基于过程形成性和状态总结性的韧性评估方法发现,将韧性作为过程与结果的综合评估研究仍较为缺乏;在抵抗扰动、维持稳定和协调发展的韧性理念下,生态系统的保护与修复等将是区域可持续发展应用中人地复合生态系统安全的重要保障。根据人地复合生态系统韧性研究进展的分析结果,结合海岸带生态系统韧性研究的现状及不足,认为未来需要在加强海岸带生态系统韧性内涵挖掘、完善海岸带生态系统韧性评价体系、提高海岸带生态系统韧性监测精度、促进学...     

现代海洋环境监测体系和海洋管理背景下的浮游生物监测

浮游生物在海洋生态系统中处于基础性地位,为促进我国浮游生物监测工作的发展,文章在现代海洋环境监测体系和海洋管理的背景下,从海洋生态系统保护、全球变化研究和现代海洋管理3个方面,系统梳理和分析浮游生物监测的意义和价值,并对我国相关领域的工作提出启示和展望。研究结果表明:浮游生物的恶性暴发和入侵对海洋生态系统造成严重影响,各类国际公约和政府间协议都将浮游生物监测作为保护海洋生物多样性的重要内容;浮游生物的分类信息以及其分布区和物候学特征对气候变化和海水温度的指示信息,可作为全球变化研究的重要指标;浮游生物监测已被广泛应用于国内外现代海洋管理中,主要包括海洋生态系统服务评价、海洋环境影响评价和海洋生物资源评价3个方面;我国浮游生物监测工作在浮游生物分类和鉴定以及大数据应用方面存在不足,未来应加强相关能力考核、标准化计量认证、数据整合共享和新技术手段运用。     

Ecosystem exploitation and trophodynamic indicators: A comparison between the Northern Adriatic Sea and Southern New England

In an ecosystem-based resource management context, it is crucial to assess the relationships between community structure and ecosystem function and how those relationships change with resource extraction. To elucidate how changes in resource use can affect community structure and ecosystem function, we executed a comparative analysis of two different ecosystems subjected to notable fishing pressure. We contrasted the Northern Adriatic Sea (NAS) and Southern New England (SNE) ecosystems by examining outputs from comparable steady-state models. Both ecosystems have relatively high fishing pressure and a high biomass of benthic invertebrates. The basic structure of the food webs shows differences both in the number and definition of the functional groups, as described in the models. Fisheries, on the contrary, show similarities both in terms of catches and discards. Almost all statistics summarizing the structure and flows showed values three times higher in the SNE than in the NAS ecosystem, but despite this difference the two ecosystems exhibited similar, overall properties. Biomass ratios and the Mixed Trophic Impact (MTI) analysis showed that both ecosystems are dominated by the benthic compartment. Removing the biomass effect, however, shows a clear top-down effect, with a high rank achieved by fishing activities. In general terms, the low mean trophic level of catches and the high primary production required (PPR) values result in a high overexploitation level of the ecosystem, as highlighted by the L index. We conclude by exploring how comparative studies will continue to be valuable as ecosystem-based management is further implemented.     

海岛生态综合评价方法探讨

从海岛生态状态及生态服务功能两个方面，探讨了海岛生态综合评价的指标和方法．其中海岛生态状态评价从海岛景观和生态系统两个层次进行分析．前者主要利用3S技术所获取的信息，从宏观角度定量分析海岛景观格局变化；后者从海岛生物和非生物环境两部分，采用与历史资料及相关环境质量标准对比的方法，分析海岛岛陆、潮间带及近海海域生态系统现状．海岛生态服务功能评价则从海岛物质生产、调节功能、支持功能及社会文化功能4个方面，分析海岛生态系统的服务能力．文中提出的海岛生态综合评价的框架、方法，可为海岛生态系统综合评价与管理提供参考．     

Modeling environmental effects on the size-structured energy flow through marine ecosystems. Part 2: Simulations

Numerical simulations using a physiologically-based model of marine ecosystem size spectrum are conducted to study the influence of primary production and temperature on energy flux through marine ecosystems. In stable environmental conditions, the model converges toward a stationary linear log–log size-spectrum. In very productive ecosystems, the model predicts that small size classes are depleted by predation, leading to a curved size-spectrum.It is shown that the absolute level of primary production does not affect the slope of the stationary size-spectrum but has a nonlinear effect on its intercept and hence on the total biomass of consumer organisms (the carrying capacity). Three domains are distinguished: at low primary production, total biomass is independent from production changes because loss processes dominate dissipative processes (biological work); at high production, ecosystem biomass is proportional to primary production because dissipation dominates losses; an intermediate transition domain characterizes mid-production ecosystems. Our results enlighten the paradox of the very high ecosystem biomass/primary production ratios which are observed in poor oceanic regions. Thus, maximal dissipation (least action and low ecosystem biomass/primary production ratios) is reached at high primary production levels when the ecosystem is efficient in transferring energy from small sizes to large sizes. Conversely, least dissipation (most action and high ecosystem biomass/primary production ratios) characterizes the simulated ecosystem at low primary production levels when it is not efficient in dissipating energy.Increasing temperature causes enhanced predation mortality and decreases the intercept of the stationary size spectrum, i.e., the total ecosystem biomass. Total biomass varies as the inverse of the Arrhenius coefficient in the loss domain. This approximation is no longer true in the dissipation domain where nonlinear dissipation processes dominate over linear loss processes. Our results suggest that in a global warming context, at constant primary production, a 2–4 °C warming would lead to a 20–43% decrease of ecosystem biomass in oligotrophic regions and to a 15–32% decrease of biomass in eutrophic regions.Oscillations of primary production or temperature induce waves which propagate along the size-spectrum and which amplify until a “resonant range” which depends on the period of the environmental oscillations. Small organisms oscillate in phase with producers and are bottom-up controlled by primary production oscillations. In the “resonant range”, prey and predators oscillate out of phase with alternating periods of top-down and bottom-up controls. Large organisms are not influenced by bottom-up effects of high frequency phytoplankton variability or by oscillations of temperature.