重建海洋生态系统论文

重构被人类影响过的海洋生态系统一队莫冬腊田思濛刘子生摘要本文研究了虱目鱼养殖区的水质的水质特征，即珊瑚礁的生长条件，提出来一种科学的混养方法，以改善水质条件以使珊瑚重新繁殖成为可能。步骤一，针对实际情况和要求，提出了在不改变现有某些条件的基础上的养鱼方案：保留目前虱目鱼的箱养方式和规模；在箱子的外部水域添加多种生物物种构成一个简单的食物链和生态系统，添加有高经济效益的海带（藻类）、海参（棘皮类动物）、贻贝（软体类动物）、对虾（甲壳类动物）、梭鱼（草食性动物），虱目鱼。这样就形成了箱养和混养的两种模式共同进行，箱养保证了渔民的收益不会减少，外部混养则可以改善水质和提供额外收入。利用食物链中的供养关系，在每个物种的所捕获能量与所耗散能量和被捕食能量的平衡关系下构件物种数量稳定生态系统，得出食物链中各种物种同化量之间的约束关系。步骤二，用先线性拟合的方法得出水质特征与海水富营养度的关系，即得出水中叶绿素浓度和微生物浓度与水中溶解氮的约束式，在基于混养物种的影响改造约束式；分析了海水中溶解氮浓度的相关因素，得出溶解氮浓度的表达式。步骤三，要提出一种混养模式，兼顾水质和收益，这是多目标的线性规划。目标是水质达到珊瑚繁衍所需的水平（即溶解的总氮和叶绿素浓度达到取样点A和B的水质特征）和收益最大，约束是食物链能量传递规律以及渔民对混养系统物种的捕捞收获。合理的混养计划是虱目鱼，梭鱼，对虾，贻贝，海参，在收获期间收取虱目鱼，梭鱼，海参，对虾，使最大化收益的目标达到，海带渔民从箱外混养系统所获得的最大收益是88.48万元/（每月每公顷）。1问题重述建立一个混养系统来代替现有的虱目鱼单养系统。理想情况下的混养方案是多种生物混养在一起，一些生物的排泄物恰好是另一些生物的食物，这不仅会减少鱼养殖中向周围水体排放的富营养物质，同时也通过养鱼产生的大量副产品来增加渔民的收入。就建模的目的而言，生物多样性环境中的主要动物生物可细分为肉食性鱼类、草食性鱼类、软体动物、甲壳类动物、棘皮动物和藻类。根据供养种类，又初级生产者、滤食性动物、沉积性动物、食草动物、捕食性动物。在海洋中的食肉动物除了吃草食动物或小一些的肉食动物外，它们也吃滤食性动物和沉积动物。大多数动物的生长效率只有10-20%，所以它们摄入的80-90%的食物最终以不同的形式释放出来，有些作为热量散发出来，有些是排泄物。一个海域支持珊瑚生存的能力最重要的是水质。虱目鱼养殖所生产的过剩营养使得海藻快速增长，因而阻止了珊瑚的生长。同时由于虱目鱼养殖所产生的颗粒流入，降低了珊瑚的生长。因此在珊瑚幼虫能够生长之前，必须保持适当的水质。问题的任务是设计一个可行的混养系统，以取代目前单一的虱目鱼养殖，从而根本改善水质，让珊瑚幼虫得以在该地区生长和繁衍。你的混养方案无论在短期还是长期，都应该是有利于生态环境并具有好的经济效益。建议分为以下几个步骤来完成任务：1：建立一个完整的珊瑚礁食物链模型。其中包括作为唯一捕食性鱼类的虱目鱼，一种草食性鱼类，一个软体动物物种，一个甲壳类物种，一个棘皮动物物种，和一个藻类物种。确定每个物种你认为合理的数量。阐述你的模型，说明每个物种如何与其他物种相互作用。2：取得满意水质水平。调整每一个物种的数量，直到取得令人满意的水质水平，要清楚说明对哪个物种的数量进行了调整，以及为什么这种调整是合理的。3：最大化价值。保持一种在可以最大程度上接受的水质和获得最大化价值之间的平衡关系。改变你的模型来获得每种物质的固定产量。你能获得的总价值以及相对应的水质是多少？请尝试采用不同的收获策略及不同的虱目鱼养殖水平，同时画出反映收获价值与水质之间函数关系的曲线。给出结论：什么是最优收获？2模型假设1.水质不受季节和年份变化的影响2.无来自其他海域和陆地的食物来源3.每种生物在海里空间上均匀分布4.所有生物的鲜重和干重不因季节的变化而变化5.市场上的平均收购价格不因淡季，旺季的变化而变化6.每次捕捞都能精确地完成要求的数量7.所有生物每个月份同化量的不因为其年龄大小而不同8.海水平均深50米，且海床较平缓9.海水中浮游植物的浓度（叶绿素浓度）的增量与海水的富营养度（溶解氮浓度）的增量成正比10.虱目鱼的食物50%来自动物，50%来自海带；对虾的食物50%来自海带，50%来自浮游植物和微生物11.虱目鱼的捕捞量是虱目鱼同化量的10%3符号说明dw一公顷一个月海带的同化量dw人类每月对每公顷海域中海带的捕捞量xw一公顷一个月对虾的同化量xw人类每月对每公顷海域中对虾的捕捞量bw一公顷一个月贻贝的同化量bw人类每月对每公顷海域中贻贝的捕捞量yw一公顷一个月梭鱼的同化量yw人类每月对每公顷海域中梭鱼的捕捞量zw一公顷一个月虱目鱼的同化量zw人类每月对每公顷海域中虱目鱼的捕捞量sw一公顷一个月海参的同化量sw人类每月对每公顷海域中海参的捕捞量ylsC海水中叶绿素浓度wswC海水中微生物浓度NC溶解氮的浓度C箱养虱目鱼对海水氮溶解度的贡献dNum海带的植株数量ylsU珊瑚能够繁衍的海水中叶绿素含量的上限wswD珊瑚能够繁衍的海水中微生物含量的下限wswU珊瑚能够繁衍的海水中微生物含量的上限iU珊瑚能够繁衍的海水中允许物种i繁殖数目的上限21321bbkkk、、、、列举关系式时使用的参数。4模型的准备在生物种群数量稳定的生态系统生物链中，物种（处于食物链最高级的物种除外）所摄入食物的量有50%被排泄掉，剩下的被称为该物种的同化量。在同化量中，有70%在新陈代谢过程中被耗散掉，有10%最终存放在遗体中被分解掉，剩下的20%作为食物链上一级物种的食物。食物链最高级的因为没有捕食者所以它的同化量最终全部转化为遗体或排泄物。以上关系如下图所示图1食物链能量转换关系示意图5模型建立和求解5.1步骤一为确保混养方案无论是在长期还是短期都具有好的经济效益，我们提出的混养方案主体是：箱内保持单一的虱目鱼饲养；在箱外引进不同物种，改造养殖区的水质；箱外的物种在保持生态系统稳定的前提下被渔民适当捕捞，增加渔民收益。5.1.1各类别物种的选取我们选用的箱外混养的物种和经济价值及它们的供养关系表示如下物种名称类别名称供养种类获食对象平均体重（g）单价（元/kg）虱目鱼捕食性鱼类捕食性动物动物，藻类150034(鲜）梭鱼草食性鱼类草食性动物藻类43014（鲜）对虾甲壳动物滤食性动物浮游植物，微生物，藻类63241（鲜）贻贝软体动物沉积性动物有机泥43.464（干）海参棘皮动物沉积性动物有机泥115350（干）海带藻类初级生产者阳光10006.8（干）表1箱外混养的物种的有关信息根据所选物种的所属供养种类供养种类，明确他们之间的供养关系后可以建立食物链模型如下图2珊瑚礁食物链5.1.2生物链中物种间的供养关系在生态系统生物种群数量稳定的情况下，根据图1食物链能量转换示意图和图2食物链示意图以及假设11，得到下面的关系式dxyzsbxyz经整理得sbdzdxdy（1）由食物链和供养关系可知，海带、贻贝、对虾和海参的生存并不依赖其他物种的数量，所以它们的生存数量在环境的可承受范围内自由调节。为了限制它们过度增长，引进它们的捕食者（虱目鱼和梭鱼）。这样就可以把sbxd、、、当做自变量而zyww、作为自变量的因变量。5.1.3各物种的同化量同物种数量之间的关系根据资料（见文献[5]），海洋生物平均体重与总同化量的比例约为20%，我们由此估计出该生物一生同化量。假设9中我们假定：每个月物种的摄食量为平均。那么物种数量便可用以下等式求解:)4(物种寿命物种一生同化量物种本月总同化量同化量物种本月每单位个体的物种本月总同化量当前物种数量（物种寿命单位：月）要保持生态稳定，促进海水水质净化，必须控制海水中叶绿素的浓度和氮含量，使得氮含量合格，从而促进微粒，微生物的合格，而海带，贻贝，海参的同化量决定了该生态系统对水质中溶解氮的吸收，所有生物的排泄与遗尸又对环境氮的含量有所增益，而由等式4可知，物种需要的数量与需要净化的同化量成比例关系，我们由生物寿命，体重，同化率得到各个生物的每月单位个体同化量如下表：表2珊瑚礁食物链的同化量信息物种名称平均体重（g）寿命（y）总同化量（g）每个个体每月同化量（g）虱目鱼150017500625.0梭鱼43012150179.2对虾6323316087.8贻贝43.40.521736.2海参115257524.0海带10000.55000833.35.1.4海带数量的范围由A、B两点的水质特征知，当总氮的含量在7-8.2uM之间，叶绿素含量在0.22-0.31ug/L，微粒数量在3.34-4.71×310/mL时，珊瑚就可以正常繁衍。表3满足水质要求的各元素含量要求（每月每公顷）叶绿素溶解氮微粒数目（×610）含量110-155g49.0-57.4g1670-2355要满足水质健康的要求，就必须同时满足叶绿素，溶解氮，微粒数量三方面的要求，从叶绿素的方面，海带数量必须达到要求，同时对虾数量不能过多，从微粒数目，对虾数目也不能过多，从溶解氮含量，各种生物数量必须满足等式（4）。根据参考文献[]，叶绿素的含量和海带满足下式：7568.02785.1dylsNumC（5）dNum是指海带的数量。由叶绿素须满足每毫升海水中存在0.22-0.31ug/L，故海带数目为每公顷144996-1513108株，由表5知每月每公顷海带的同化量为120.4-126.1吨。5.2步骤二5.2.1拟合海水中溶解氮浓度与叶绿素浓度和微生物浓度的关系为了让养殖区具备珊瑚虫生长的水质条件，必须保证每毫升海水含有50万至100万微生物，以及每升海水中含有少于0.25ug的叶绿素（大量浮游植物的替代物）。由于水生微生物和浮游植物的的浓度和海水的富营养度有关，而溶解于海水的营养物质绝大部分是蛋白质，根据生物学的知识，100g蛋白质中含有6.25g氮，这样可以用海水中溶解氮的浓度来衡量海水的富营养度。根据题目给出的数据，整理溶解氮浓度与叶绿素浓度和微生物浓度的对照表如下：表4珊瑚生长不同情况下的各元素含量水域ABCD鱼类养殖箱总氮（溶解的，uM）7.4±0.48±0.214.2±0.730.5±1.339.8±2.7叶绿素（ug/L）0.25±0.030.28±0.030.38±0.034.5±0.210.3±0.2类似病毒的微粒浓度（710/mL）1±0.070.8±0.041.7±0.17±0.36.1±0.7非寄生菌的浓度（细胞510/mL）5.4±0.34.2±0.63±3.66.1±0.69.9±0.3寄生菌的浓度（细胞210/mL）5.3±2.23.9±0.6113.7±3.6144.5±5.6583.2±28.1总微生物的浓度（细胞710/mL）1.0540.8421.7317.0626.2假设11中，海水中浮游植物的浓度（叶绿素浓度）的增量与海水的溶解氮浓度的增量成正比，海水中微生物的浓度的增量也于海水的富营养度（溶解氮浓度）的增量成正比，于是，在引进箱外混养物种之前，有下式：2211;bCkCbCkCNwswNyls（2）其中ylsC，wswC分别是海水中叶绿素浓度和微生物浓度，NC是溶解氮的浓度，1k，2k是两个比例系数，1b，2b是两个常数。为了确定两个比例常量1k，2k我们对分别对表2中的叶绿素浓度和溶解氮浓度与微生物浓度和溶解氮的浓度用MATLAB进行线性拟合（附录I）,结果如下：图3叶绿素与溶解氮浓度的线性拟合（竖坐标表示叶绿素浓度，ug/L；横坐标表示溶解氮浓度，uM）图4微生物与溶解氮浓度的线性拟合（竖坐标表示微生物浓度：个/毫升；横坐标表示溶解氮浓度：uM）得各参数如下表5含氮量和叶绿素及微生物的拟合系数1k2k1b2b0.289519545-2.642-526235.2.2引进混养物种后对关系式