粒径谱模型是近年来新兴的一类基于个体体长或质量特征来描述种群动态的模型,它既可以通过个体特征来定义物种,刻画水生态系统中从多细胞浮游生物到鱼类的动态变化,也可以从个体层面上刻画生物的生长发育过程。本文拟在传统粒径谱模型的基础上,考虑鱼类的空间行为,探寻在全球变化背景下,水生态系统的种群动态和稳态变化。具体研究内容如下:第1章首先介绍了水生态系统的研究背景,包括海洋生态系统中斑图的形成机制、人类行为对水生态系统产生的影响以及湖泊生态系统中各物种与环境间的相互作用等;之后介绍了对应的研究方法,包括Lotka-Volterra模型、粒径谱模型等;最后阐述了本文研究的主要内容。第2章以海洋生态系统为研究对象,探究影响其稳定性的空间驱动因素。本章在生态系统层面上构建了一类综合考虑海洋生物生长、代谢、繁殖、死亡以及扩散和适应度趋化性行为的粒径谱模型,分别研究了局部和非局部系统,旨在探索海洋群落空间分布异质性产生的内在机制,并根据傅里叶分析和稳定性分析等方法,探索了模型的平衡解。结果表明,扩散对系统起到了稳定的作用,而适应度趋化性起到了不稳定的作用,二者存在着强烈的不对称性,且前者更具有优势。这些发现表明,在生物体大小高度多样化的生态系统中,适应度趋化性行为可能是诱导空间异质性产生的一种潜在机制,即使在空间均匀的初始环境中,也能推动空间异质性的出现。第3章关注浅湖泊生态系统,综合考虑光照和营养物质在水体上下分布的非对称性,建立了包括藻类、食草动物和具生长发育过程的鱼类在内的湖泊生态系统模型,旨在考虑鱼类生长过程的前提下,探究人类行为造成的湖泊环境变化将如何影响湖泊生态系统的稳态、种群结构和系统功能。结果支持了前人有关级联效应的阐述,并进一步提供了有关上行效应如何调控物种共存的重要理解;指出鱼类的生长发育会扰动生态系统的稳定性,并造成总生物量的减少;营养盐浓度和光照的增加会导致鱼类最大体长增加和平均体长减少;系统初级生产力与营养盐浓度之间呈拱形关系,且底栖藻类对整个湖泊的初级生产力具有重要贡献。本章强调了鱼类生长发育过程在调节浅水湖泊动态中的突出作用,警示研究人员需要综合考虑空间不对称性和鱼类生活史,以全面了解浅湖泊对人类导致的环境变化的应对机制。第4章着眼人类活动对水生态系统的影响,依据经验数据,定义了人类对鱼类行为影响程度的评价指标,综合考虑拟鲤的生长发育过程,建立了包含浮游动物、拟鲤和河鲈在内的三种群粒径谱模型,探究人类活动对鱼类个体行为的影响将如何波及至种群和生态系统层面。结果表明,化学物质、微塑料、声音污染和渔业养殖等人类活动会通过改变鱼类的觅食行为而引起生态系统稳态和结构的变化,例如导致稳态转变、鱼类个体大小分布的倾斜、生物量的减少以及繁殖率的降低等,且被捕食者的觅食行为受到影响可能会进一步导致捕食者的灭绝。因此人类活动对鱼类行为的影响可能是造成水生态系统结构变化的潜在机制。最后详细总结了本文研究的成果,并对未来的研究提出一些思考和展望。