海水温変動が沿岸生態系のレジームシフトを発生させる原理の力学系理論に基づく解明

基于动力系统理论阐明海水温度变化引起沿海生态系统格局转变的原理

• 批准号: 22KJ0243
• 负责人: 行平 大樹
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0243/
• 关键词: 沿岸生態系; レジームシフト; 気候変動

環境変動により生態系を構成する種組成などが急激に変化する現象はレジームシフトと呼ばれる。レジームシフトは生態系の安定性が環境変動によって失われることで生態系の変動パターンが変化する現象であると理論的に説明されてきたが、実際のデータから生態系の安定性などを定量して検討した研究は多くない。本研究は、海水温変動が引き起こす沿岸生態系のレジームシフトに着目し、レジームシフトが発生する原理を力学系理論に基づいて解明することを目的とする。具体的には、2017年8月から続く黒潮大蛇行と呼ばれる海流の大規模な変動に伴う海水温分布の変動が日本沿岸の生態系のレジームシフトを発生させる可能性に着目する。日本沿岸の多地点の環境DNA時系列データを対象に非線形時系列解析という手法を用い、レジームシフト発生に伴う力学系のアトラクター（力学系の変動パターン）の遷移や安定性の変化がみられるかを検討する。非線形時系列解析による理論的検討を行うためには実際に海水温変動によりレジームシフトが発生した地点を特定する必要があるので、初年度の研究は、日本沿岸の多地点・多種の環境DNA時系列データを用いて、黒潮大蛇行前後で日本沿岸の生態系でレジームシフトが実際に発生したかを記述的に検討した。具体的には、各地点で黒潮大蛇行前後での各生物種の在・不在のパターンに注目して次元削減によって群集全体の変化を可視化した。さらに、種の在・不在のパターンの変化が海水温変動により引き起こされたものかどうかを検討するため、各地点で種の在・不在の時間的変化が海水温変動の影響を受けると想定した統計モデルを用いて時系列解析を行った。その結果、いくつかの地点で海水温変動が各生物種の存続率に影響を与えることを通じて種の在・不在に影響を与えている可能性が示唆された。

生态系统的物种组成因环境变化而迅速变化的现象称为制度转变。制度转变在理论上被解释为由于环境变化导致生态系统失去稳定性而导致生态系统波动模式发生变化的现象，但很难使用实际数据来量化生态系统的稳定性。许多研究对此进行了检验。本研究重点关注海水温度变化引起的沿海生态系统的体制转变，旨在基于动力系统理论阐明体制转变背后的原理。具体来说，我们将重点关注自2017年8月以来持续的黑潮曲流大规模洋流变化导致的海水温度分布变化，是否会导致日本海岸生态系统的格局发生变化。我们使用一种称为非线性时间序列分析的方法，对日本沿海多个点的环境 DNA 时间序列数据进行观察，观察到动力系统吸引子（动力系统波动模式）稳定性的转变和变化。考虑是否发生政权更替。为了利用非线性时间序列分析进行理论研究，需要确定由于海水温度变化而实际发生政权转变的点，因此第一年的研究将集中于多个地点的环境DNA时序和我们利用系列数据，描述性地调查了黑潮曲流前后日本海岸生态系统是否确实发生了政权转变。具体来说，我们关注每个地点黑潮曲流前后每个物种存在/不存在的模式，并使用降维来可视化整个群落的变化。此外，为了检查物种存在/不存在模式的变化是否是由海水温度变化引起的，我们假设每个位置物种存在/不存在的时间变化受到海水温度变化的影响。使用统计模型进行。结果表明，海水温度的变化可能通过影响某些地点每个物种的存活率来影响物种的存在或不存在。