C福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)模型框架的構(gòu)建 (2)

1、福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)模型框架的構(gòu)建及應(yīng)用實(shí)例研究摘要濕地作為一種重要的自然資源和生態(tài)環(huán)境的組成部分，具有多種獨(dú)特的生態(tài)功能，素有“地球之腎”、“海岸衛(wèi)士”和“造陸先鋒”美稱(chēng)。紅樹(shù)林是亞熱帶濱海濕地的代表植物，科學(xué)保護(hù)紅樹(shù)林濕地是環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，越來(lái)越受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。為了更好地保護(hù)、管理福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)，我們運(yùn)用Ecopath with Ecosim（EWE）軟件構(gòu)建EWE模型分析紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、特征及不同物種之間的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系等，在附件9 EWE模型的基礎(chǔ)上添加白骨壤、海欖雌瘤斑螟、八點(diǎn)廣翅蠟蟬、報(bào)喜斑粉蝶這四個(gè)功能組，并考慮昆蟲(chóng)對(duì)紅樹(shù)林的攝食。利用附件九

2、的數(shù)據(jù)并對(duì)未知數(shù)據(jù)作合理的假設(shè)得出：紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的最主要來(lái)源是碎屑；總體轉(zhuǎn)化效率為11.05%；總生物量/總流量?jī)H為0.192，連接指數(shù)和雜食性指數(shù)分別為0.136和0.025.運(yùn)用EWE可以快速反應(yīng)該紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、特征及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系等，并以量化方式描述紅樹(shù)林濕地中各種生物、生境的空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能；通過(guò)刻畫(huà)生態(tài)場(chǎng)景模型之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)等物種依存競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的動(dòng)態(tài)描述。我們根據(jù)所建EWE模型框架的數(shù)據(jù)構(gòu)成要求對(duì)保護(hù)區(qū)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)做了一定的規(guī)劃，經(jīng)相關(guān)查詢(xún)后我們認(rèn)為病蟲(chóng)害是當(dāng)下紅樹(shù)林最迫切需要解決的生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題，根據(jù)附件2和附件9的相關(guān)數(shù)據(jù)我們構(gòu)建紅

3、樹(shù)林中同一地域不同時(shí)期（19931994、20122013）的Ecopath模型，分析害蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)種的變化情況，利用EWE中的MIT（mixed impact trophic）模塊研究害蟲(chóng)與紅樹(shù)林之間的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系后得出結(jié)論：害蟲(chóng)的優(yōu)勢(shì)種發(fā)生明顯變化， 過(guò)去報(bào)道當(dāng)?shù)丶t樹(shù)林的主要害蟲(chóng)是海欖雌瘤斑螟、雙紋白草螟和蓑蛾.，模型仿真后的結(jié)果表明除海欖雌瘤斑螟仍嚴(yán)重危害白骨壤外，而其它的優(yōu)勢(shì)種類(lèi)已轉(zhuǎn)變?yōu)槲：η锴训燃t樹(shù)植物的八點(diǎn)廣翅蠟蟬和危害海桑的報(bào)喜斑粉蝶，而且這兩種害蟲(chóng)數(shù)量非常大，危害十分嚴(yán)重。利用EWE中的ecosim對(duì)生態(tài)系統(tǒng)做預(yù)測(cè)得 ，若不控制害蟲(chóng)的數(shù)量，在未來(lái)的3-5年后，福田紅樹(shù)林的生物量會(huì)急劇下降

4、，濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性銳減，最終會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化。1 問(wèn)題的重述與國(guó)內(nèi)外其他大規(guī)模濕地生態(tài)系統(tǒng)相比，福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)因其面積小，濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康更加脆弱，迫切需要構(gòu)建濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)健康評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)來(lái)支撐其保護(hù)、管理工作。但目前的生態(tài)健康評(píng)價(jià)主要采用基于抽樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的靜態(tài)方法，僅僅圍繞主要生物因子開(kāi)展調(diào)查而沒(méi)有覆蓋到噪聲、大氣等環(huán)境因子，而且監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息的時(shí)間、空間離散度較大（時(shí)間間隔較長(zhǎng)、測(cè)點(diǎn)密度過(guò)于稀疏），致使難以完全滿(mǎn)足福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)科學(xué)管理的實(shí)際需要。因此，保護(hù)區(qū)準(zhǔn)備用三至五年的時(shí)間完成保護(hù)管理數(shù)字化支撐平臺(tái)建設(shè)，其中構(gòu)建新型的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和健

5、康評(píng)估及預(yù)警科學(xué)管理支撐體系是重要工作內(nèi)容。現(xiàn)需完成以下三項(xiàng)內(nèi)容一、 構(gòu)建一體化生態(tài)系統(tǒng)模型框架，為生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估及預(yù)警提供大數(shù)據(jù)管理支撐平臺(tái)。二、 根據(jù)模型框架的數(shù)據(jù)構(gòu)成要求設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。三、 取一個(gè)我們認(rèn)為的當(dāng)下福田紅樹(shù)林最迫切需要解決的生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題，基于我們構(gòu)建的模型框架從健康預(yù)警的角度出發(fā)對(duì)其生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。2問(wèn)題的分析對(duì)問(wèn)題一，我們構(gòu)建EWE模型，通過(guò)輸入一定的數(shù)據(jù)，可以得到許多生態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)，為以后的管理提供大量數(shù)據(jù)。對(duì)問(wèn)題二，我們根據(jù)EWE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做出生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案。對(duì)問(wèn)題三，通過(guò)查閱相關(guān)資料我們認(rèn)為在紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)中，病蟲(chóng)害對(duì)其

6、影響很大，產(chǎn)生危害嚴(yán)重，是急需解決的一個(gè)生態(tài)問(wèn)題，3 符號(hào)約定Q:消耗量；P:生產(chǎn)量；B: 生物量；R:呼吸量；U:未消化的食物量；Pi：功能組i的總生產(chǎn)率；Yi：功能組i的總漁獲捕撈率；M2i：功能組i總的被捕食死亡率；Ei：功能組i的凈遷移率（遷出率-遷入率）；BAi：功能組i的生物量積累率；EEi：功能組i的生態(tài)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化效率；MOi=Pi（1-EEi）：功能組i的其它死亡率；P/Bi：功能組i的生產(chǎn)量與生物量的比值；Q/Bi：功能組i的消耗量與生物量比值；DCi,j:被捕食者生物i在捕食者生物j的食物組成中所占的比例。4 模型的假設(shè)假設(shè)生態(tài)系統(tǒng)中的全部功能組都是相對(duì)穩(wěn)定的，即表示該生態(tài)系

7、統(tǒng)的總輸入與總輸出是相等的，因濕地的哺乳動(dòng)物相較其它生物所占比重極小，所以在生態(tài)系統(tǒng)中不考慮哺乳動(dòng)物。5 問(wèn)題一模型的建立生態(tài)通道Ecopath with Ecosim(EWE)模型是一種利用營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)原理直接構(gòu)造生態(tài)系統(tǒng)，描述生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的平衡模式，最初由Polovina建立，隨后該軟件結(jié)合了Odum和Ulanowiez等的生態(tài)學(xué)理論研究成果，用以分析生態(tài)系統(tǒng)各功能組間的物流以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成熟度等。目前EwE主要由Pauly、Waiters(加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)漁業(yè)中心，UBCFC)以及Christensen(國(guó)際水生生物資源管理中心，ICLARM)等進(jìn)行開(kāi)發(fā)和推廣工作。EWE

8、模型是特定生態(tài)系統(tǒng)在某一時(shí)期的快照(Snapshot)，可以快速反應(yīng)該生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、特征及營(yíng)養(yǎng)關(guān)系等。5.1 EWE模型的原理EWE模型定義的生態(tài)系統(tǒng)是由一系列有生態(tài)關(guān)聯(lián)的功能組(group或box)組成，這些功能組包括有機(jī)碎屑、浮游生物、一種魚(yú)類(lèi)、一種魚(yú)類(lèi)的某一年齡組成或一類(lèi)生態(tài)特性(如攝食)相同的魚(yú)種、一種植物或一種植物的某一年齡組等等，所有功能組要能夠覆蓋該生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的全部過(guò)程。在建模過(guò)程中假設(shè)生態(tài)系統(tǒng)中的功能組全部是相對(duì)穩(wěn)定的，即表示該生態(tài)系統(tǒng)的總輸入與總輸出是相等的?？梢杂霉奖硎救缦拢篞=P+R+U其中，Q是消耗量；P是生產(chǎn)量；R是呼吸量；U為未消化的食物量。根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)原

9、理，EWE模型定義的生態(tài)系統(tǒng)中每個(gè)功能組的能量輸入與輸出保持平衡。用一組聯(lián)立的線(xiàn)性方程定義生態(tài)系統(tǒng)，每一個(gè)線(xiàn)性方程表示生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)功能組，用數(shù)學(xué)公式表示為Pi = Yi + Bi·M2i + Ei + BAi + M0i上式中，Pi代表功能組i的總生產(chǎn)率，Yi代表功能組i的總漁獲捕撈率，M2i代表功能組i總的被捕食死亡率，Ei指功能組f的凈遷移率(遷出率遷入率)，Bi指功能組i的生物量累積率，EEi為功能組i的生態(tài)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化效率，而MOi=Pi·(1-EEi)代表功能組i的其他死亡率。上述方程可以進(jìn)一步的表示為：其中P/BI是指功能組f的生產(chǎn)量與生物量比值，Q/B，指功能

10、組i的消耗量與生物量比值，DCi,j指被捕食生物i在捕食生物j的食物組成中所占的比例。建立EWE模型需要輸入的基本參數(shù)有Bi，P/Bi，Q/B，EEI，DCi,j，和EI。一般來(lái)說(shuō)，前4個(gè)參數(shù)中至少要有3個(gè)被輸入，DCi,j，和EI則是要求必須輸入的項(xiàng)，其他未知項(xiàng)可通過(guò)已輸入?yún)?shù)在模型中自行運(yùn)算得出。通過(guò)對(duì)上述線(xiàn)性方程求解，就能定量能量在生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)功能組之間的流動(dòng)以及各個(gè)功能組的生物學(xué)參數(shù)。進(jìn)而對(duì)生物量在食物網(wǎng)中的流動(dòng)進(jìn)行定量描述，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的相互作用進(jìn)行分析。5.2 功能組的劃分EWE模型中功能組的劃分，主要是根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求和相關(guān)生態(tài)學(xué)理論，將生態(tài)位(食物組成、攝食方

11、式、個(gè)體大小、年齡組成等)重疊度高的種類(lèi)進(jìn)行合并以簡(jiǎn)化食物網(wǎng)。一般來(lái)講，EwE模型功能組的劃分可以依據(jù)以下原則：l 在每個(gè)EWE模型功能組的劃分過(guò)程中，至少需要一個(gè)碎屑組；l 從生態(tài)學(xué)的角度將生態(tài)位相同或相似的種群劃分到同一功能組，而不是用傳統(tǒng)的生物分類(lèi)學(xué)來(lái)劃分。l 所劃分的功能組能基本覆蓋所研究系統(tǒng)中能量流動(dòng)的全部過(guò)程，尤其是關(guān)鍵種和優(yōu)勢(shì)種所在功能組不可缺少。5.3模型調(diào)試本論文建立的EWE模型是靜態(tài)的模型，模型所包含的每個(gè)功能組的能量和物質(zhì)流都必須保持平衡。要使模型達(dá)到平衡首先需要保證0<EE<1，在任何生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)生物的利用都不可能大于生物體本身的能量。在初次建立的EWE模型

12、中，一般都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)功能組的EE>1，這就需要通過(guò)模型的調(diào)試使EE<1。模型的調(diào)試過(guò)程是使系統(tǒng)的輸入和輸出保持平衡的過(guò)程，當(dāng)輸入原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初始參數(shù)估計(jì)后不可避免地得到一些功能組的EE>1，這時(shí)可利用模型中的自動(dòng)平衡函數(shù)設(shè)置置信區(qū)間(通常為20)，反復(fù)調(diào)整直至所有的0<EE<1；或可通過(guò)設(shè)定Ecoranger標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)模擬，由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整被輸入的參數(shù)使所輸入的參數(shù)達(dá)到所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)之下的最優(yōu)組合。調(diào)試后的結(jié)果如下。編碼功能組名稱(chēng)生物量（濕重）生產(chǎn)量/生物量（每年）消耗量/生物量（每年）效率1桐花樹(shù)323.70.4200.7600.2602秋茄（6年）387.

13、40.5500.7900.3903秋茄（20）357.90.2400.4000.3254白骨壤423.00.4000.3900.3245海欖雌11.270.3000.7000.1206無(wú)瓣海桑675.20.7000.9000.2627海桑342.90.7000.9000.4208海欖雌瘤斑螟0.0392123.0137.00.4009八點(diǎn)廣翅蠟蟬0.0416129.0158.00.48010報(bào)喜斑粉蝶0.0237143.0123.00.50011甲殼動(dòng)物7.9764.0005.7000.60112軟體動(dòng)物7.7984.2305.1000.87913彈涂魚(yú)類(lèi)1.0989.26512.710.81

14、814多毛類(lèi)0.7197.00022.810.69715其它底棲動(dòng)物0.0505143.0150.00.49916浮游動(dòng)物0.69740.00192.00.24117浮游植物1.987252.0400.00.27018鳥(niǎo)類(lèi)0.4561.00099.001.00019碎屑17980.023營(yíng)養(yǎng)級(jí)攝食消耗輸出流入碎屑呼吸總流量VI0.0000830.0000600.0006650.002490.00329V0.003450.001840.01950.07140.0962IV0.10000.05130.5321.9432.627III2.7981.40210.9834.9550.14II55.631

15、7.38112.168.42253.5I101.937490.0000.0003851總消耗160.53768123.6105.44158能量來(lái)源營(yíng)養(yǎng)級(jí)IIIIIIVVVI生產(chǎn)者1.8碎屑24.87.45.85.54.4總流量24.89.25.85.54.4能流中來(lái)自碎屑的比例 0.92轉(zhuǎn)化效率生產(chǎn)者轉(zhuǎn)化效率 0.12碎屑轉(zhuǎn)化效率 10.93總轉(zhuǎn)化效率 11.05圖表 1 EWE工作流程圖首先，輸入基本數(shù)據(jù)，通過(guò)ecopath對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估得出參數(shù)，同時(shí)利用EWE中的tools畫(huà)出生態(tài)系用的能流金字塔、MIT得出營(yíng)養(yǎng)關(guān)系圖，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)分析生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模、穩(wěn)定型、成熟度，最后總結(jié)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)關(guān)系、總體特征。問(wèn)題三通過(guò)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為病蟲(chóng)害是當(dāng)下紅樹(shù)林最迫切需要解決的問(wèn)題，根據(jù)附件2和附件9的相關(guān)數(shù)據(jù)我們構(gòu)建紅樹(shù)林中同一地域不同時(shí)期（19931994、2012201