东海海区作为我国第二大海区,渔业资源丰富,是沿近海重要的渔区。2000年东海海洋捕捞产量达625.4×10~4 t,占全国海洋捕捞产量的42.33%。随着沿海经济的快速发展,各类陆源污染物排放量迅猛增加,东海海洋受污染的态势日益加剧。加之长期以来中国在东海的捕捞力量持续增长,东海底层主要经济鱼类资源显著衰退,渔获物日趋小型化,生命周期短、低营养级渔获物比例增加,渔业资源正在向低值、恶劣转化,资源状况令人担忧。沿岸与近海资源在充分或过度利用下仍处在衰退中,上层鱼类、头足类、小宗经济鱼类资源等潜力已经不足,小型鱼、小虾和杂蟹资源数量虽多,但利用价值不高。东海渔业正处在低值鱼、低龄鱼和小型鱼渔获量居高不下的高产假象中,而实际上海洋生物资源状况在继续恶化。然而,有关东海大陆架污染治理和渔业管理的工作尚未在“生态系统的架构”下统一开展,渔业生产仍然着眼于短期利益,捕捞结构不合理,捕捞强度控制不力,过度捕捞和养殖仍然在加速破坏东海大陆架生态系统的正常结构。为探讨东海大陆架生态健康恶化的成因,解决其环境污染和渔业资源衰退的问题,有关科研单位对东海大陆架的环境、生态、渔业和生物资源等,进行了多次大规模的调查和长期的监测统计工作,相继开展了许多相关的研究,积累了相当全面、系统的基础资料。但是,以往的研究大多只针对生态系统中一种或几种环境和生物因子,未能充分整合有关东海大陆架完备的基础数据和资料。采用基于食物网的生态系统模型,从整个系统的角度,并采用量化的方法来探讨渔业和环境影响的研究在国内尚不多见。本论文运用生态学、水生生物学、生态经济学并紧密结合渔业生态系统模型分析方法的国际前沿和我国的海洋渔业管理中的关键问题和迫切需求进行了系统的分析,得出了可量化和综合的结果,对东海大陆架的渔业和环境决策也具有一定的指导意义。从生态系统发育的角度,指出“幼态化”是东海大陆架生态系统结构的现状特征,其发育的过程是由“成熟态”向“幼态”逆向演替;对东海大陆架生态系统的发育进行了动态模拟,得出了与其发育进程相一致的结果。在对东海大陆架生态系统各功能组以及渔业之间的相互关系进行量化分析的基础上,对相关捕捞结构调整进行了动态模拟,提出了在保护和恢复生态系统正常功能结构的同时,兼顾渔业经济收益和社会效益最佳化的捕捞结构比例;根据生态系统资源保护的关键种理论,首次应用生态系统模型对东海大陆架生态系统的关键种进行了筛选。本文的具体结果及结论如下:1.东海大陆架生态系统结构和功能的Ecopath模型分析应用因子分析聚类分析,构建了一个具有38个功能组的东海大陆架生态系统的能量平衡模型,同时整合6种捕捞方式,并利用其基本分析和网络分析(Network analysis)功能,对1998～2001年间东海大陆架生态系统的结构和特征进行了量化和系统的研究。整个东海大陆架生态系统主要由7个整合营养级构成。其能流、生物量及生产量的分布呈金字塔型,能量流动主要发生在食物网底层部分,营养级Ⅰ的利用效率低下,大量初级生产力未进入更高层次的营养流动,从而造成生态系统营养流动的“阻塞”。主要经济鱼类功能组较高的渔业捕捞死亡率和生态转化效率,表明各功能组生物的渔业捕捞压力较大。混合营养影响(Mixed trophic impacts)研究表明,渔业对整个生态系统的负面影响显著,渔获物平均营养级(Mean trophic level of the catch)从1965年的3.5下降到2001年的3.01,尽管捕捞量不断提高,但来自低营养级的生物比例不断增加,渔获物低质化、小型化严重。过高的净初级生产力(NPP)、初级生产力/呼吸(TPP/R)以及较低的联结指数(CI)、系统杂食指数(SOI)和Finn’s循环指数(FCI)等生态系统参数,则表明东海大陆架生态系统的健康度较差、成熟度和稳定性较低,是一个典型的尚处于“幼态”的生态系统。2.东海大陆架生态系统发育的Ecopath比较研究采用Ecopath构建了东海大陆架1970(1969～1972)和2000(1998～2001)年代的生态系统模型。比较了这2个模型在基本生态参数、系统总体特征、食物网关系以及营养流的分布和循环等方面的差异。模型参数估计表明,东海生态系统结构正由底层系统向中上层系统转变,底层鱼类尤其是大型肉食性鱼类的生物量和流量呈现下降趋势,而中上层小型鱼虾类生物量和流量则显著上升。值得注意的是,水母类的生物量增加了近150%。各种鱼虾类的P/B系数以及捕捞死亡占鱼虾类生产量的比例均显著上升,表明捕捞的压力有日益增强的趋势。初级生产力、总生物量以及系统总输出均显著上升。渔获物平均营养级由1970年代的3.14下降到3.01,在表征生态系统“成熟度”的各项指标中,NPP、NPP/R、ascendency在模拟的两个年代之间急剧增加,而CI、SOI、FCI等指标则显著下降,因沉积而脱离系统的碎屑量增长了8%,食物链路径总数和平均长度也大幅度降低,表明食物网之间的联系减少。此外,营养级Ⅳ、Ⅴ的生物量、生产量以及流量所占的比例显著减小,而营养级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所占的比例则不断增大。上述指标的变化,恰恰与生态系统的正常发育进程相反,提示东海大陆架生态系统在这30年间的发育过程由成熟态向幼态发生了逆向演替。3东海大陆架生态系统发育和渔业影响的Ecosim动态模拟以1970年代的Ecopath模型作为初始状态,采用Ecosim对东海大陆架生态系统在1969～2000年间的发育动态进行了时间序列分析模拟。结果表明,在捕捞强度的时间强制序列的驱动下,大中型鱼类的生物量均显著下降,小型鱼虾类的生物量和捕捞量则显著上升。大部分鱼虾类捕捞量的模拟结果与统计值吻合较好,并给出了合理的预测趋势。系统总流量和初级生产力急剧增加,终末状态由碎屑沉积而脱离系统的物流增加26%。TPP/R增加了85.9%,FCI和FMPL分别下降了53.1%和14.9%,系统的成熟度显著降低,其预测趋势与东海大陆架生态系统的发育进程相符合。Ecosim的模拟结果较好地解释了东海大陆架生态系统的发育机制,即在不断增强的渔业捕捞压力下,大中型鱼类尤其是顶级捕食者的资源量更易遭到破坏,从而减少了对小型鱼虾类的捕食压力,使得这些r型种取代k型种占据系统的统治地位,这也很好的解释了渔获物中小型鱼虾类比例增加的现状。4.东海大陆架渔业政策的Ecosim模型分析系统的构建以2000年代的Ecopath模型为“核心”,输入时间序列模拟得出动态模拟关键参数vulnerability,应用Ecosim动态模拟建立了目前东海大陆架海区渔业政策模拟系统。通过此系统调节渔业捕捞结构比例,可以模拟分析在经济效益、社会效益和生态效益目标下,系统收入支出、生态系统的结构和功能的变化,从而筛选出最佳渔业捕捞政策。系统模拟输出结果显示,为了最大限度的提高经济效益和社会效益,生态系统受增加的渔业捕捞强的影响显著,系统中各主要功能组的生物量显著降低,生态系统多样性指数、系统成熟度,渔获物平均捕捞营养级显著降低。而单独以生态效益为发展目标时,整个渔业捕捞努力量降低70%,这将会导致严重的经济和社会问题的出现。系统权衡分析表明,对目前东海捕捞结构而言,严格控制捕捞结构比例,可以达到经济增长、社会稳定和保护生态环境的三赢局面。5.东海大陆架生态系统关键种的筛选的研究关键种可以为了最大程度地保护生物多样性而进行优先保护的目标,然而传统的“移除实验”方法在实验室条件下对生态系统中关键种的确定不是一件容易的事情。本节应用Ecopath with Ecosim模型的动态模拟功能,阐述了应用动态模型分析筛选生态系统关键种的全新方法。并以东海大陆架海洋生态系统为例,应用Ecosim动态模拟传统的“移除实验”方法通过4个传统生态学关键种确定指标(community importance,community longevity support,interaction strength index和keystoneness index)对系统关键种进行确定。海龟(Marine turtles)和海鸟(Seabirds)功能组被确定了目前东海大陆架生态系统的关键种,并分析了他们在东海生态系统中的调控作用。应用生态系统模型动态模拟分析功能,将有助于简化传统生态系统关键种的筛选方法并为海洋生态系统资源保护政策的制定提供理论指导。