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全球海洋生态系统多维稳定性与食物网结构的介导作用：Feng等人在《Science Advances》的研究
一、研究团队与发表信息
本研究由Jianfeng Feng（冯建峰，南开大学环境科学与工程学院）和Nils Chr. Stenseth（奥斯陆大学）共同领导，联合来自中国、法国、西班牙、挪威等多国科研团队合作完成，于2025年10月10日发表在《Science Advances》（期刊编号：Sci. Adv. 11, eadv3841）。
二、学术背景与研究目标
科学领域与背景：
生态学中长期存在“多样性-稳定性关系”（diversity-stability relationship）的争论。早期理论（如May, 1972）认为高多样性会通过随机相互作用削弱生态系统的局部稳定性（local stability），但后续实证研究表明，食物网结构（food web structure）可能通过介导物种间相互作用强度（interaction strength）和连接性（connectance）影响稳定性。然而，直接与间接路径如何共同作用尚不明确。
研究动机：
现有研究多聚焦单一稳定性维度（如局部稳定性或抵抗力）或单一驱动因子（如多样性或连接性），缺乏对多维稳定性（multidimensional stability）与食物网结构协同作用的系统性分析。本研究旨在通过全球尺度海洋食物网数据，揭示多样性通过结构介导对稳定性影响的二元路径（dual pathways）。
三、研究方法与流程
1. 数据采集与模型构建
- 研究对象：217个基于Ecopath with Ecosim (EWE)框架的全球海洋食物网模型，涵盖海湾（bay）、河口（estuary）、上升流（upwelling）等7类生态系统。
- 样本处理：从Ecobase数据库提取标准化参数，包括生物量（biomass）、生产/消耗率（P/B, Q/B）及食性组成（diet composition），构建稳态相互作用矩阵。
2. 稳定性指标量化
- 局部稳定性（local stability）：通过计算群落相互作用矩阵最大特征值的实部（dominant eigenvalue）评估小扰动下的恢复速率。
- 抵抗力（resistance）与恢复力（resilience）：通过Ecosim模拟随机死亡率扰动（5%~50%强度，持续5~25年），分别以扰动期间生物量最大变化率（resistance）和扰动终止1年后恢复比例（resilience）表征。
3. 结构指标计算
- 多样性：以功能群数量（number of living groups, NLG）替代传统物种丰富度（species richness），避免分类冗余偏差。
- 食物网结构：包括连接度指数（connectance index, CI）、相互作用强度标准差（interaction strength index SD, ISI_SD）、Finn循环指数（Finn’s cycling index, FCI）等8项指标。
4. 统计分析
- 广义线性混合模型（GLMM）评估稳定性与多样性/结构指标的线性关系。
- 结构方程模型（piecewise SEM）解析直接与间接路径贡献，并通过随机森林模型验证变量重要性。
- 敏感性分析：检验分辨率偏差（通过29个高分辨率模型验证）和扰动情景鲁棒性（9种扰动强度/时长组合）。
四、主要研究结果
1. 全球食物网稳定性分布特征
- 抵抗力呈高斯分布（中位数≈2），恢复力右偏（<10%）；局部稳定性在上升流区显著低于沿海潟湖（P<0.05）。
- 较高NLG的生态系统（如开放海域）具有更低CI（稀疏连接）和更高ISI_SD（异质相互作用）。
2. 结构介导的双重路径
- 间接正效应：NLG通过降低CI（路径系数=-0.32, P<0.001）提升抵抗力和恢复力（解释率R²=41%）。稀疏网络优化资源流动，缓冲扰动传播。
- 直接负效应：NLG与局部稳定性负相关（β=-0.45），但ISI_SD通过平衡强弱相互作用（β=0.28）部分抵消此效应。
- 净效应矛盾：忽略结构介导时，多样性-稳定性呈负相关；整合结构指标后，关系转为正相关。
3. 生态系统类型差异
- 上升流区因高营养级联（bottom-up cascades）和物质循环（FCI较高）导致稳定性最低。
五、研究结论与价值
理论意义：
1. 提出“结构介导范式”（structural mediation paradigm），统一多样性-稳定性争论，揭示稀疏连接（sparse connectance）与异质相互作用（heterogeneous interactions）的关键作用。
2. 证明多维稳定性评估的必要性：单一指标（如局部稳定性）可能掩盖抵抗力-恢复力的协同机制。
应用价值：
为海洋保护区设计提供网络管理策略——通过调控关键功能群（如高连接度捕食者）的相互作用强度，而非单纯追求物种数量目标。
六、研究亮点
1. 数据规模创新：首次整合全球217个海洋食物网模型，覆盖生态系统类型最全。
2. 方法论突破：将Ecopath稳态模型与Ecosim动态模拟结合，量化多维稳定性。
3. 概念革新：提出NLG作为功能多样性代理指标，优于传统物种丰富度。
七、其他重要发现
- 物质循环（FCI）与局部稳定性负相关，支持Ulanowicz (2004)的“胁迫稳态”理论。
- 上升流区的高生产力伴随低稳定性，对渔业管理提出权衡挑战。
该研究通过多尺度数据与跨学科方法，为生态网络稳定性机制提供了可操作的量化框架，相关代码与数据库已开源（Ecobase）。