[论文解读] Fish Biomass Structure at Pristine Coral Reefs and Degradation by Fishing

Abhinav Kumar Singh, Hao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2008

Coral and Marine Ecosystems Studies参考文献 21被引用 2

一句话总结

本文提出了一种基于庇护所的生态模型，解释了原始珊瑚礁中观察到的倒置生物量金字塔现象，其中顶级捕食者占鱼类总生物量的85%。通过将捕食者-猎物动态与庇护所机制相结合，该模型表明，珊瑚礁覆盖率的增加会提高捕食者：猎物生物量比，且表明捕鱼——尤其是猎物鱼类的捕捞——会破坏这种结构，使金字塔转变为底部更重的系统。

ABSTRACT

Coral reefs around the world have experienced a dramatic decline during the past 25 years. Overfishing is believed to play a major role. There is significant interest in stabilizing and restoring damaged reefs, and first steps include understanding the functioning of reefs in their natural state and examining the effects of fishing. The isolated Kingman and Palmyra reefs are believed to provide a baseline for the natural state of coral reefs. At Kingman, it was recently discovered that apex predators constitute 85% of the total fish biomass. This is in sharp contrast to most reefs, where the prey biomass substantially dominates the total fish biomass. The recent study at the two pristine reefs also indicates that the predator:prey fish biomass ratio is an increasing function of reef cover. Based on these field observations, we model the fish biomass structure at a pristine coral reef. Since the prey hide from predators in the coral, a key component of our model is a refuge. Our model yields both the inverted biomass pyramid and the increasing dependence of the predator:prey biomass ratio on reef cover. Thus, refuge may provide a general new mechanism in ecology to create an inverted biomass pyramid, that does not require mass action interactions between predators and prey. We add various forms of fishing to our model, and show that sufficiently high fishing pressure with quite general types of fishing transforms the inverted biomass pyramid to be bottom heavy. We also show that prey fishing alone has the same effect.

研究动机与目标

• 使用金曼礁和约翰斯顿环礁作为基线示例，理解原始珊瑚礁的自然生物量结构。
• 研究为何在原始珊瑚礁中顶级捕食者主导鱼类生物量，与退化系统中典型的底部更重的金字塔形成对比。
• 识别在不依赖大规模作用捕食者-猎物相互作用的情况下，实现倒置生物量金字塔的生态机制。
• 建立模型以模拟各种捕鱼压力对珊瑚礁鱼类生物量结构的影响，并评估其逆转自然金字塔结构的潜力。

提出的方法

• 开发一个数学模型，其中猎物鱼类享有庇护所，且捕食风险随珊瑚礁覆盖率的增加而降低。
• 使用捕食者和猎物种群来模拟鱼类生物量动态，其中捕食率取决于珊瑚礁覆盖率和庇护所的可用性。
• 将捕食者：猎物生物量比作为珊瑚礁覆盖率的函数，该函数源自金曼礁和约翰斯顿环礁的实地观测数据。
• 模拟各种捕鱼情景，包括选择性猎物捕鱼和泛化性捕鱼，以评估其对生物量结构的影响。
• 利用模型测试在不同捕鱼强度下，倒置生物量金字塔是否能够维持或被破坏。
• 将模型结果与实证数据进行验证，这些数据显示金曼礁的捕食者生物量占比为85%，且随着珊瑚礁覆盖率的增加，捕食者：猎物比也相应上升。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原始珊瑚礁中，何种生态机制使得顶级捕食者占鱼类总生物量的85%，从而形成倒置生物量金字塔？
• RQ2 珊瑚礁覆盖率在自然珊瑚礁系统中如何影响捕食者：猎物鱼类生物量比？
• RQ3 基于庇护所的模型是否能够在不依赖捕食者与猎物之间强烈的大规模作用相互作用的情况下，解释倒置生物量金字塔？
• RQ4 捕鱼压力——尤其是猎物鱼类的捕捞——在多大程度上会将生物量结构从倒置转变为底部更重？
• RQ5 该模型是否预测在不同类型的捕鱼和强度下，生物量结构会出现一致的转变？

主要发现

• 基于庇护所的模型成功再现了原始珊瑚礁中观察到的倒置生物量金字塔，其中顶级捕食者占总鱼类生物量的85%。
• 捕食者：猎物生物量比随珊瑚礁覆盖率的增加而提高，与金曼礁和约翰斯顿环礁的实地观测结果一致。
• 该模型表明，仅靠庇护所机制即可生成倒置生物量金字塔，而无需依赖经典的捕食者-猎物大规模作用动力学。
• 足够高的捕鱼压力，无论其选择性如何，都会使倒置金字塔转变为底部更重的结构。
• 仅对猎物鱼类进行捕捞就足以破坏自然的生物量结构，并逆转捕食者：猎物生物量比。
• 该模型表明，通过捕鱼导致的珊瑚礁退化会从根本上改变珊瑚礁生态系统的生态基线。