海山幼体扩散网络：保护深海采矿活动带来的生态连通性的潜在策略

《Ecological Applications》：Seamount larval dispersal networks: A potential strategy for conserving ecological connectivity from deep-sea mining

　　本研究通过生物物理建模量化了西北太平洋18个海山的幼虫扩散网络，发现保留2024年放弃采矿权的海山AR和MA对维持单一扩散网络至关重要。模型验证了Argo浮标轨迹和 amphipod基因流数据，揭示了深层海山（≥700米）东向或西向扩散特征与北赤道中流层水流密切相关，提出基于上游幼虫来源的保护区网络设计策略，为深海采矿环境影响评估提供科学依据。

　　在深海环境中，海山作为独特的生态系统，承载着丰富的生物多样性。然而，随着人类活动的增加，尤其是未来可能进行的深海采矿，这些生态系统正面临前所未有的压力。为了有效保护这些分布不均的海洋栖息地，建立能够维持个体间连通性的保护区网络显得尤为重要。本研究通过生物物理建模，分析了北太平洋18个海山之间的幼虫扩散情况，为采矿区域的环境管理计划提供了科学依据。研究结果表明，尽管海山之间地理上相互分离，但通过幼虫扩散，它们构成了一个统一的扩散网络。然而，如果排除具有采矿潜力的海山，该网络可能会被分割成多个部分，从而影响生态系统的连通性。

本研究聚焦于北太平洋海域，该区域的海山中，一些具有钴矿资源的海山（称为“钴矿层”）正成为未来采矿的目标。这些海山的开采活动可能对周围甚至远处的生态系统产生影响，包括栖息地破坏、悬浮颗粒物增加、噪音污染、重金属扩散等。国际海底管理局（ISA）正在制定区域环境管理计划（REMP），以评估深海采矿的环境影响，其中包括北太平洋区域。然而，目前对于海山生态系统的生物物理连接机制了解有限，特别是在幼虫扩散方面的研究较为缺乏。因此，本研究通过生物物理建模，探讨了这些海山之间的幼虫扩散路径，并结合现场数据和基因流动分析，验证了模型的可靠性。

研究选取了六个具有采矿合同的海山（包括Malony Guyot、Xufu Guyot、Arnold Guyot、Scripps Guyot、Lamont Guyot和Zhinyu Guyot），以及12个未受合同影响但具有相似特征的海山。这些海山的深度范围在900–1700米之间，且面积大于185平方公里，以确保其在水动力模型中能够被准确解析。研究发现，当这些具有采矿合同的海山被排除后，原本连通的网络被分割为两个或三个区域，但在某些深度范围内，如500米和700–900米，网络仍然保持连通。这表明，某些海山在维持整个网络的连通性方面具有关键作用，特别是在排除采矿合同后，海山AR和MA成为连接不同区域的重要“跳板”栖息地。

在生物物理建模中，幼虫的扩散路径被模拟为一个有向网络，其中边的权重代表不同海山之间的扩散概率。研究发现，在不同深度，扩散方向存在显著差异。例如，在200–600米深度，扩散方向主要向西，这可能与北赤道中间流（NEIC）有关。而在700–1700米深度，扩散方向则呈现出东、西交替的特征。此外，研究还利用了Argo浮标的数据来验证模型的物理合理性。这些浮标在1000米深度处漂移，其轨迹与模型模拟的扩散路径在总体方向上一致，尽管在某些局部区域存在偏差，这可能与模型未能解析更细尺度的水流动态有关。

同时，研究还通过基因流动分析，提供了生物层面的支持。通过对刮食性十足类甲壳动物的DNA条形码分析，研究人员发现这些甲壳动物在不同海山之间的基因流动方向与模型预测的扩散路径高度一致。例如，在MOTU1和MOTU2中，从SC到AR的基因流动比从AR到SC更为频繁，这与模型中SC到AR的扩散概率较高相吻合。同样，从AR到ZH的基因流动也比从ZH到AR更为显著。这些结果表明，生物模型与物理模型在扩散路径上具有高度一致性，为理解海山生态系统的连通性提供了重要依据。

在分析中，研究还发现，尽管某些海山之间的地理距离较远，但它们在维持生态连通性方面可能比邻近的海山更为重要。例如，从SC到AR的扩散路径中，位于SC东侧的海山07是主要的幼虫来源，而位于AR西侧的海山03则对SC的扩散贡献较小。这种现象可能与洋流的稳定性有关，某些远离采矿区域的海山可能作为稳定的上游来源，持续向下游区域输送幼虫，从而维持整个生态网络的连通性。此外，研究还指出，如果仅依赖地理距离来估算幼虫扩散，可能会忽略一些重要的远距离上游来源，导致生态连通性的低估。

尽管本研究提供了重要的科学证据，但仍然存在一些局限性。首先，幼虫的发育周期（PLD）和其在水体中的活动模式对于准确模拟扩散路径至关重要，但目前对于深海物种的PLD数据仍然有限，因此研究采用了社区平均模型进行估算。其次，基因流动分析虽然能够提供生物层面的证据，但其覆盖范围有限，且难以获得足够多的样本，特别是对于那些分布稀疏、难以接近的物种。此外，幼虫的定居行为可能受到多种环境因素的影响，如化学信号、水流和声波，但目前对于这些因素如何影响幼虫选择特定海山作为定居地点仍缺乏深入研究。

考虑到这些挑战，研究建议在制定深海采矿的环境管理计划时，应将重点放在那些可能作为关键“跳板”栖息地的海山上，以确保整个生态网络的连通性。此外，研究还指出，未来需要进一步开展对海山生态系统的生物物理研究，以更全面地理解幼虫扩散的模式和机制。这不仅有助于制定更有效的保护策略，还可以为其他受人类活动影响的深海生态系统提供借鉴，如因拖网捕捞而受损的海山或海底热液喷口。

研究强调，通过综合生物和物理数据，可以更准确地识别关键的生态连接点，并据此设计合理的保护区网络。这不仅有助于维持生态系统的完整性，还能增强其对环境变化的适应能力，降低物种灭绝的风险。在深海环境中，由于生物多样性高且生态过程复杂，保护策略需要更加细致和系统化的规划。因此，未来的研究应进一步探索不同深度、不同洋流条件下幼虫扩散的具体机制，并结合更多的实地数据和基因流动信息，以优化保护网络的设计。

总体而言，本研究为深海海山的生态连通性提供了重要的科学依据，并为未来的环境管理提供了新的思路。通过生物物理建模，研究人员揭示了海山之间如何通过幼虫扩散维持生态联系，同时指出了某些关键海山在维持整个网络连通性中的重要性。此外，研究还强调了环境管理计划中应考虑上游扩散路径，以确保即使某些海山被开发，其他区域的生态连接仍能得以维持。这些发现不仅有助于保护北太平洋海山生态系统，还可能为全球其他深海区域的生态管理提供参考。