福田红树林自然保护区湿地生态系统模型框架的构建Word格式.docx
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福田红树林自然保护区湿地生态系统模型框架的构建Word格式.docx
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生态系统模型框架生态场景模型环境监测预测
一、问题重述
1.1引言
深圳福田红树林自然保护区位于深圳湾北岸,区域范围在北纬22°
30’-22°
32’,东经113°
56’-114°
3’之间,总面积3.68平方公里,是我国面积最小的红树林保护区,也是我国唯一处于城市腹地的国家级自然保护区。
福田红树林保护区是重要的鸟类栖息地,调查共记录鸟类108种,隶属13目35科。
水鸟(包括翠鸟科)有57种,其余的51种陆生鸟类主要为各种生境广泛分布的广布种以及多数在湿地活动的湿地依赖种类。
按照居留型划分,留鸟有51种,迁徙鸟有57种,其中以福田保护区作为越冬地的有42种。
受保护和受胁鸟种共有13种。
其中列入IUCN红皮书的有5种,包括有黑脸琵鹭-濒危(EN)、黑尾塍鹬-近危(NT)、大滨鹬-易危(VU)、小葵花鹦鹉-极危(CR)和白颈鸦-近危(NT);
属于国家二级保护动物的有9种,包括有黑脸琵鹭、隼形目7种猛禽和褐翅鸦鹃。
红树林湿地生态系统由红树植物、其它陆地植被、鸟类、两栖爬行动物、昆虫、底栖动物、浮游生物等生物以及其赖以生存的土壤、大气、海水等环境要素共同组成,通过物质循环和能量转换发挥生态功能。
深圳经济高速发展的30多年时间里,福田红树林湿地生态系统受城市扩张和环境污染影响较为严重,红树林湿地面积不断缩减,滩涂淤积导致海床升高、高楼林立阻断鸟类迁飞通道、水环境污染导致鱼虾死亡、外来物种海桑疯狂扩散已然构成生物入侵、虫害频繁爆发导致红树植物白骨壤不能自然繁殖等生态问题日益突出,整个生态系统在空间结构与生态过程、自我调节与更新能力以及对外部胁迫的恢复能力等方面,均呈现出不稳定性和不可持续性征兆。
1.2问题的提出
根据题目要求,这里一共提出了三个问题:
(1)根据福田红树林保护区的现状,请查询相关资料,为福田红树林湿地构建一体化生态系统模型框架,为生态系统动态监测提供大数据管理支撑平台。
(2)如果福田红树林自然保护区采用我们设计的模型框架来构建湿地动态监测和健康评估预警系统,我们将如何根据模型框架的数据构成要求设计保护区未来的生态环境监测方案?
对自己模型框架的后续完善工作有何建议?
(3)请查阅相关资料、收集数据,选取一个我们认为当下福田红树林最迫切需要解决的生态系统问题,基于我们构建的模型框架从健康预警的角度出发对其生态发展趋势进行预测分析,并给出具体的保护、管理建议。
二、问题分析
福田红树林自然保护区因其面积小,湿地生态系统的生态健康更加脆弱,迫切需要构建湿地动态监测、生态健康评估及预警系统来支撑其保护、管理工作。
目前由于该生态系统的管理和保护主要依赖于抽样监测数据和专家的经验,所以存在许多的弊端例如监测数据仅仅围绕主要生物因子开展调查而没有覆盖到噪声、大气等环境因子,而且监测点信息的时间、空间离散度较大(时间间隔较长、测点密度过于稀疏),致使难以完全满足福田红树林自然保护区科学管理的实际需要。
故本问题的目标就是建立一个一体化生态系统模型框架,利用数学知识把该生态系统抽象成一个完整的数学模型,利用计算机,加以人工干预以期为福田红树林生态系统的管理和保护提供科学支持。
问题一的分析
问题一要求综合考虑福田红树林的现状,建立一个由若干个生态场景组成的一体化生态系统模型框架。
通过查阅文献资料我们对福田红树林生态系统的基本情况具有了详尽的了解和认知。
就福田红树林生态系统的现状而言,我们决定采用EWE模型来构建这个一体化生态系统模型框架,,因为EWE模型是特定生态系统的快照,可以快速反应,分析福田红树林湿地生态系统的状态,特征及不同物种之间的营养关系等。
问题二的分析
问题二要求在第一问的基础上,构建基于该生态模型的湿地动态监测和健康评估预警系统,并且根据模型框架的数据构成要求设计保护区未来的生态环境监测方案。
红树林湿地除了具有陆地森林的特性和属性之外,还具有使其形成特殊的生理特性的海岸潮间盐滩土生境。
由于红树林的特殊性,在这里我们基于对红树林湿地的理解及对影响红树林湿地健康因子的分析,借鉴附件三红树林湿地健康评价指标体系,从生态学的角度,将红树林湿地健康评价与动态监测相结合,选择与红树林生态功能密切相关的植物群落结构,群落稳定性及土壤,水环境,生物干扰等方面的因子作为监测指标,设计监测方案。
问题三的分析
该问题要求我们选择一个迫切需要解决的生态系统问题,基于我们构建的模型框架从健康预警的角度出发对其生态发展趋势进行预测分析。
在这里我们选择气候变化对红树林的影响作为我们的研究方向。
我们查阅大量文献资料并进行一系列有依据的研究分析,对在气候变化影响下红树林生态的发展趋势作出预测。
三、模型假设
1假设生态系统是由一系列有生态关联的功能组组成。
2假设在建模过程中生态系统的功能组全部是相对稳定的。
3假设生态系统的总输入与总输出是相等的。
4假设研究过程中未出现不可抗拒因素。
5假设所分类的功能组完全覆盖该生态系统的全部因子。
6假设研究过程中未出现外界不可控因素的干扰。
四、符号说明及名词定义
是消耗量;
是生产量;
是呼吸量;
为未消化的食物量;
代表功能组
的总生产率;
的总渔获捕捞率;
总的被捕食死亡率;
指功能组
的净迁移率(迁出率迁入率);
的生物量累计率;
为功能组
的生态营养转化效率;
然而
代表功能组的其他死亡率;
是指功能组
的生产量与生物量比值,
是指功能组
的消耗量与生物量比值,
指被捕食生物
在捕食生物
的食物组成中所占比例。
五、模型的建立
5.1EWE模型的基本原理
,
。
一般来说,前四个参数中至少要有3个被输入,
则是要求必须输入的项,其他未知项可通过已输入参数在模型中自行运算得出。
EWE模型定义的生态系统是由一系列有生态关联的功能组组成,这些功能组包括有机碎屑、浮游生物、一种鱼类、一种鱼类的某一年龄组成或一类生态特性(如摄食相同的鱼种),一种植物或一种植物的某一年龄组等等,所有功能组要能够覆盖该生态系统能量流动的全部过程。
在建模过程中该生态系统的总输入与总输出是相等的,可以用公式表示如下:
根据热动力学原,EWE模型定义的生态系统中每个功能组的能量输入与能量输出保持平衡。
用一组联立的线性方程定义生态系统,没一个线性方程表示生态系统中的一个功能组,用数学公式表示为:
方程
(2)可以进一步表示为:
(3)
(4)
建立EWE模型需要输入的基本参数有
通过上述线性方程求解,就能定量能量在生态系统各个功能组之间的流动以及各个功能组的生物学参数。
进而对生物量在食物网中的流动进行定量描述,并对生态系统中各个营养级之间的相互作用进行分析。
5.2功能组的划分
EWE模型中功能组的划分,主要是根据整个系统的要求和相关生态学理论,将生态位(食物组成、摄食方式、个体大小、年龄组成等)重叠度高的种类进行合并以简化食物网。
一般来讲,EWE模型功能组的划分可以依据以下原则:
(1)在每个EWE模型功能组的划分过程中,至少需要一个碎屑组;
(2)从生态学的角度将生态位相同或相似的种群划分到同一个功能组,而不是用传统的生物分类学来划分;
(3)所划分的功能组要能基本覆盖所研究生态系统中能量流动的全部过程,尤其是优势种和关键种所在功能组不能缺少。
根据以上原则,并考虑到数据的可获得性,将福田红树林湿地生态系统划分为15个功能组,分别为:
桐花树、秋茄、秋茄、海榄雌、无花瓣海桑、海桑、甲壳动、软体动、弹涂鱼类、多毛类、其他底栖动物、浮游动、浮游植、鸟类和碎屑。
5.3功能组生物学参数来源
在本研究所建立的EWWE模型中,能量的流动用能量形式生物湿重来表示,时间为一年。
所有功能组的参数主要来源于实地调查和实验数据,同时主要参考《深圳湾红树林生态系统及其持续发展》和《深圳福田红树林湿地生态系统研究》等文献资料,并根据深圳湾红树林湿地生态系统的特殊性对调查和实验数据进行相应的调整。
5.4模型调试
本研究建立的EWE模型所包含的每个功能组的能量和物质流都必须保持平衡。
要使模型达到平衡首先必须保证
在任何生态系统内对生物的利用都不可能大于生物体本身的能量。
在初次建立的EWE模型中,一般都会出现一个或多个功能组的
这就需要通过模型的调试使
模型的调试过程是使系统的输入可输出保持平衡的过程,当输入原始数据进行初始参数估计后不可避免地得到一些功能组
这时可利用模型中的自动平衡函数设置置信区间(通常为20%),反复调整直至所有的
;
或可通过设定Ecoranger标准进行相应的模拟,由系统自动调整被输入参数,使所输入的参数达到所设定的标准之下的最优组合。
调试平衡后福田红树林湿地生态系统的EWE模型输入和输出结果见表1
表1福田红树林湿地生态系统EWE模型基本参数
编号功能组
1桐花树300.10.4000.7500.220
2秋茄(6年)433.10.5000.8000.350
3秋茄(20年)347.80.2500.4000.325
4海榄雌11.070.4000.7000.120
5无瓣海桑638.20.7000.9000.262
6海桑345.40.7000.9000.420
7甲壳动物7.8344.0005.2000.601
8软体动物7.7854.3205.0000.829
9弹涂鱼类1.2389.26512.710.818
10多毛类0.7707.00022.810.697
11其他底栖动物0.493143.0150.00.499
12浮游动物0.68240.00192.00.214
13浮游植物2.059252.0400.00.270
14鸟类0.4781.00099.001.000
15碎屑2147**0.026
六、模型求解
6.1各营养级之间的能量流动
为简化复杂的食物网关系,用聚合营养级的方法将来自深圳湾红树林湿地生态系统的15个不同功能组的营养流合并为6个整合营养级,其中营养级5和6的生物量,生产量和流量都很低,整个系统呈低营养级值大高营养值小的典型金字塔形,基本符合能量金字塔规律。
从表2可见,深圳湾红树林湿地生态系统的总流量为4158
其中总摄食消耗量为160.5
总输出量为3768
总流入碎屑量为123.6
总呼吸量为105.4
,和不再参与生态循环的矿化沉积物部分。
表2福田红树林湿地生态系统总能流
营养级摄食消耗输出流入碎屑呼吸总流量
Ⅵ0.0000830.0000600.0006650.002490.00329
Ⅴ0.003450.001840.01950.07140.0962
Ⅳ0.10000.05130.5321.9432.627
Ⅲ2.7981.40210.9834.9550.14
Ⅱ55.6317.38112.168.42253.5
Ⅰ101.937490.0000.0003851
Sum160.53768123.6105.44158
6.2各营养级之间能流的转换效率
由于系统中的初级生产者主要是红树植物,但在系统中没有被任何生物摄食,只能以碎屑的形式重新进入循环。
所以能量流动中,直接来源于碎屑的占总能流的几乎全部,这说明系统的能流以碎屑食物链为主导。
除第一营养级之外,营养级的总流量都随营养级的增加而有非常显著的降低,分别为253.5
、50.14
、2.627
、0.0962
和0.00329
,转化效率分别为28.8、8.4、5.8、5.5和4.4%,总体转化效率为11.2%。
表3深圳湾红树林湿地生态系统个营养级之间能流转化效率
能量来源营养级
ⅡⅢⅣⅤⅥ
生产者*****
碎屑28.88.45.85.54.4
总能流26.88.45.85.54.4
能流中来自碎屑的比例1.0
生产者转化效率0.00%
碎屑转化效率11.2%
总转化效率11.2%
6.3各功能组之间的相互关系
甲壳动物软体动物、弹涂鱼类、多毛类、其他底栖动物和浮游动物对大部分功能组产生积极影响。
由于捕食和被捕食的关系,甲壳动物、软体动、弹涂鱼类和多毛类对鸟类有非常明显的积极影响,浮游动物对甲壳动物有明显的积极影响其他底栖动物和浮游动物对浮游植物鸟类对甲壳类都有明显的消极的影响;
大多功能组对碎屑都产生消极影响,其中弹涂鱼类和多毛类对碎屑产生的消极影响特别明显。
6.4生态系统的总体特征
EWE模型可以导出一系列参数,可以在一定程度上表征所研究系统的规模、稳定性和成熟度等特征。
深圳湾红树林湿地生态系统的总体特征见表4
系统总流量是表征系统规模的参数,它是总消耗量、总输出量、总呼吸量和总流向碎屑量的总和。
深圳湾红树林湿地生态系统的总流量为4158.0
其中有123.6
流向碎屑,这说明有相当多的物质没有被生物利用而是转化为碎屑重新进入循环;
此外系统的总输出量为3768
占了整个系统流量的90%以上,这表明每年有相当大的一部分物质离开深圳湾红树林生态系统,这主要是因为深圳湾红树林湿地处于陆地和海洋的过渡带上,每年有相当多的物质被潮汐带入海洋,从而造成了非常高的系统输出能量。
表4深圳湾红树林湿地生态系统总体特征
参数值单位
总消耗量160.5
总输出量3768.0
总呼吸量105.4
总流向碎屑量123.6
系统总流量4158.0
总生物量/总流量0.163
连接指数0.123
系统杂食性指数0.018
七、讨论与结果分析
7.1模型结果
本研究利用EWE模型,从生态系统整体的角度出发研究了深圳湾红树林湿地生态系统的能量流动,营养关系和总体特征。
(1)各营养级之间的能量流动
由初级生产者和碎屑组成的营养级1是系统能量的主要来源,从被摄食消耗量来看,营养级1的被摄食消耗量为101.9
,几乎全部来源于碎屑,占系统总被摄食消耗量的63.5%。
从营养级的能流分布来看,营养级1和2的能流在系统中所占比例最大,分别占据系统总能流的92.6%和6.1%。
可见,深圳湾红树林湿地生态系统能流的最主要来源是碎屑,能流主要在营养级1
4之间流动且系统对营养级2的利用最为充分。
相比较而言,整个系统的能流中高营养及所占比例很少,营养级4以上的几乎可以忽略。
(2)各营养级之间能流的转化效率
深圳湾红树林湿地生态系统中高营养级能流转化效率较低,大部分流入碎屑,总体转化效率(11.2%)符合林德曼对生态系统能流效率的量化值(10%左右)。
能流效率最高发生在第1和第2营养级之间,食碎屑生物在此过程中起到了非常关键的作用,这也是整个生态系统的转化效率高于平均转化效率的原因,每年大量的能量流向碎屑,表明红树林湿地生态系统仍有大量的剩余营养物质,使很大一部分的能量在系统中沉积,从而增大了系统整体内源性污染的可能性。
(3)各功能组之间的相互关系
捕食者会对其他功能组产生消极影响,被捕食者会对其捕食功能组产生积极影响。
处于低营养级的功能组在系统能量传递的过程中起着非常关键的作用,他们对整个系统的影响非常强烈。
(4)生态系统的总体特征
生态系统中的总生物量主要由可利用的能流构成,总生物量总流量可以反映出系统的成熟度,在成熟的生态系统中,总生物量总流量的值一般比较大。
连接指数和系统杂食性指数反映的是系统内各功能组之间联系的复杂程度,成熟度越高系统中各个功能组之间的联系就越复杂,连接指数和系统杂食性指数就越接近1.深圳湾红树林湿地生态系统的总生物量/总流量仅为0.163,连接指数和系统杂食性指数分别为0.123和0.018,表明深圳湾红树林湿地生态系统目前有退化的趋势。
7.2福田红树林保护区生态环境监测方案的设计
关于生态环境的监测这里我们选择生境理化性质指标作为监测的对象。
红树林分布与生长状况受多种因素影响,如气温,洋流,波浪,岸坡,盐度,潮汐,底质等。
影响局部分布的最重要因素是波浪掩护条件和潮汐浸淹程度。
前者控制红树林沿岸分布,后者控制红树林在潮滩上的横向分布。
另外,盐度与底质也是直接影响红树植物生长发育最重要的环境因素之一,是决定红树林群落发育和稳定的关键因子。
综上所述,反映红树林生境特征的理化性质指标主要有潮滩土壤特征指标及水文,水质特征指标
(1)潮滩土壤特征指标、土壤结构、土壤盐度、土壤ph、土壤总有机碳、土壤硫化物、土壤养分、沉积物重金属含量;
(2)群落水环境特征指标、水文、盐度、水位、淹水的延时;
(3)水质指标、CO、BO、DO、P、无机氮、活性磷、重金属含量。
7.3气候变化对红树林生态系统的影响及红树林湿地生态发展趋势的预测分析
深圳福田红树林属于湿地生态系统,因此要想研究气候变化对深圳湾红树林生态系统的影响就必须从湿地着手。
而湿地是发育于水陆过渡带的独特生态系统,具有重要的环境调节功能和生态效益。
湿地生态水文由于对气候变化的高度敏感性和重要的反馈作用而备受关注。
气候变化影响下湿地系统的气候效应、环境效应和生态效应已成为国际气候系统及全球变化研究中最活跃的领域之一。
气候变化通过改变全球水文循环的现状而引起水资源在时空上的重新分布,导致大气降水的形式和量发生变化,对湿地系统的水文过程产生重要影响;
同时,气候变化对气温、辐射、风速以及干旱洪涝极端水文事件发生频率和强度造成直接影响,从而改变湿地蒸散发、径流、水位、水文周期等关键水文过程,对湿地生态系统的结构和功能产生深远的影响。
IPCC第四次评估报告指出,近百年来全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化,并且在过去30年里,气候变暖在全球尺度上已对人类社会和自然生态系统产生了诸多负面影响。
据中国《气候变化国家评估报告》,20世纪中国气候变化与全球变暖的总趋势基本一致。
在气候变化影响下,我国大面积湿地水资源系统的结构发生改变,引起湿地水资源数量减少和质量降低,导致湿地生态功能退化,已影响和危及到区域生态安全和社会经济可持续发展。
最新预测表明,这种变暖趋势将会继续,到21世纪末全球气温将会上升1.1~6.4°
C,降雨模式也会发生显著变化。
未来气候变化导致的湿地干旱缺水、面积萎缩和功能退化等现实背景下,关于气候变化对湿地生态水文影响的研究已引起国内外科学家的高度关注和重视,成为当前气候变化和可持续发展研究领域关注的热点,也是学术界关注的重点领域,因此气候变化未来对福田红树林生态系统的影响不容小觑。
而我们要想研究气候变化对深圳湾福田红树林的影响,则必须以气候变化对湿地生态系统的影响作为依据。
通过查阅大量文献资料,我们得出一些结论。
7.3.1.1国外气候变化对湿地生态水文影响研究动态
国际上关于气候变化对水文的影响方面的研究起步于20世纪70年代后期,在世界气象组织(WMO)联合国环境规划署(UNEP)、国际水文科学协会(IAHS)等国际组织的推动下,先后开展并实施了世界气候影响研究计划(WCIP)、全球能量水循环试验(CEWEX)等项目的研究,取得了一系列涉及气候变化、水资源、洪涝和干旱等方面的研究成果,到20世纪80年代气候变化对水文水资源的研究已经引起国际水文界的高度重视。
湿地由于其特殊的水文物理特性,对气候变化的响应极为敏感。
以下分为3个方面总结国外关于气候变化对湿地生态水文的影响研究动态。
7.3.1.2气候变化对湿地水文水资源的影响
气候变化是一项全球性的环境问题,不仅会引起水资源在时空上的分配变化,而且可能加剧洪涝、干旱灾害对的发生频率,影响到区域生态乃至人类的生存环境。
气候变化对湿地水文水资源的影响具体表现在以下两个方面:
一方面,气候变化将加速大气环流和水文循环过程,通过降水变化以及更频繁和更高强度的扰动事件(如干旱、暴风雨、洪水)对湿地能量和水分收支平衡产生影响,进而影响湿地水循环过程和水文条件。
另一方面,气候变化将会增加经济社会用水和农业用水,可能更多挤占湿地生态用水,使湿地水资源短缺状况更加严重。
湿地因其水源补给方式不同对气候变化的响应也存在显著差异。
大气降水是高位泥炭沼泽湿地的唯一补给水源,这也导致该类湿地对气候变化的响应最为敏感,比以径流为主要补给方式的湿地受气候变化的影响更大。
湿地类型的多样性和湿地生态系统内部的复杂性导致气候变化对湿地水文水资源的影响方式和程度不尽相同。
内陆河流域湿地水文水资源量的变化主要是由于气候变化影响下河流水文过程的变化引起的。
在波兰境内的雷夫河流域,气温升高、夏季降雨量减少,导致流域潜在蒸发增加了7%,河流水量减少,流域湿地水位随之下降60cm,湿地土壤含水量急剧降低。
在高海拔及北方高纬度地区,春夏季融雪径流是湿地水资源的主要补给来源,但气温升高导致冬季径流增加,春夏季洪水频率明显减小,湿地水量的时空分布特征及可利用性受到显著影响,导致以春夏季融雪径流为主要补给方式的湿地,其水资源量对气候变化的响应极为敏感。
内陆湖泊湿地主要受降水
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