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珊瑚礁生態系統動力學模型與仿真模擬 版權信息
- ISBN：9787030665614
- 條形碼：9787030665614 ; 978-7-03-066561-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
珊瑚礁生態系統動力學模型與仿真模擬 本書特色
適讀人群 ：地理學、生態學、環境科學和海洋科學等相關領域研究人員，相關專業本科生和研究生本書可供環境科學、生態學、地理科學和海洋科學等學科專業的高年級本科生、研究生以及從事上述相關專業的教學、科研人員學習和參考；同時本書也可為政府人員提供決策參考。
珊瑚礁生態系統動力學模型與仿真模擬 內容簡介
本書從系統科學的視角構建了兩沙珊瑚礁生態系統動力學模型，并從環境脅迫和診斷修復的角度探討了西沙珊瑚礁生態系統的整體演化過程，同時基于適應性循環給出了西沙珊瑚礁生態系統的適應性管理方式，為西沙珊瑚礁生態系統的保護和修復提供借鑒和參考。 本書可作為地理學、生態學、環境科學和海洋科學等相關領域研究人員的參考書，也可作為相關專業本科生和研究生的教材。
珊瑚礁生態系統動力學模型與仿真模擬 目錄
目錄
序一
序二
前言
1 緒論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 環境脅迫國內外研究進展 3
1.2.1 海水溫度對珊瑚礁生態系統影響研究進展 3
1.2.2 海水pH對珊瑚礁生態系統影響研究進展 4
1.2.3 營養鹽對珊瑚礁生態系統影響研究進展 4
1.2.4 陸源沉積對珊瑚礁生態系統影響研究進展 5
1.3 診斷修復國內外研究進展 6
1.3.1 海洋生態修復研究 6
1.3.2 珊瑚礁生態修復研究 8
1.4 研究內容和技術路線 10
1.4.1 研究內容 10
1.4.2 技術路線 12
2 理論基礎和研究方法 15
2.1 理論基礎 15
2.1.1 系統科學理論 15
2.1.2 生態彈性理論 17
2.1.3 生態系統完整性理論 20
2.1.4 人工生態學理論 21
2.1.5 適應性管理理論 22
2.2 研究方法 23
2.2.1 實地調查法 23
2.2.2 數學建模法 23
2.2.3 系統動力學 24
2.2.4 綜合集成方法 24
3 西沙珊瑚礁生態系統概況及退化原因分析 26
3.1 西沙珊瑚礁生態系統概況 26
3.1.1 自然地理與社會經濟概況 26
3.1.2 西沙珊瑚礁群落概況 27
3.1.3 西沙珊瑚礁水質概況 28
3.2 西沙珊瑚礁生態系統退化原因分析 29
4 環境脅迫下西沙珊瑚礁生態系統動力學模型構建及敏感性分析 31
4.1 模型構建 31
4.1.1 系統邊界和結構 31
4.1.2 系統因果回路分析 33
4.1.3 模型變量及流圖構建 34
4.1.4 模型檢驗 39
4.1.5 結果與分析 40
4.2 敏感性分析 41
5 環境脅迫下西沙珊瑚礁生態系統多情景模擬 47
5.1 環境脅迫模擬方案 47
5.1.1 單因子擾動 48
5.1.2 雙因子擾動 50
5.1.3 多因子擾動 54
5.2 西沙珊瑚礁人工生態系統應對環境脅迫的動態仿真模擬 56
5.2.1 應對單因子脅迫西沙珊瑚礁人工生態系統動力學動態仿真模擬 57
5.2.2 應對多因子脅迫西沙珊瑚礁人工生態系統動力學動態仿真模擬 59
6 西沙珊瑚礁人工生態修復動態仿真模擬研究 62
6.1 西沙珊瑚礁生態系統動力學模型構建 62
6.1.1 系統結構與回路 62
6.1.2 模型變量及流圖構建 63
6.1.3 模型檢驗 67
6.1.4 結果與分析 68
6.2 敏感性分析 69
6.3 多情景模擬 75
6.3.1 人類活動干擾 75
6.3.2 生物災害暴發干擾 83
7 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價及修復模式研究 89
7.1 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價基礎研究 89
7.1.1 西沙珊瑚礁生態系統完整性指標體系 90
7.1.2 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價方法 91
7.1.3 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價標準 93
7.2 西沙珊瑚礁生態修復模式基礎研究 93
7.2.1 基于完整性評價的修復類型分類方法 94
7.2.2 常用珊瑚礁生態修復技術歸納 95
7.3 西沙珊瑚礁診斷及修復模型構建 95
7.3.1 診斷修復模型建構原理、控制及優化 97
7.3.2 基于系統動力學的修復模式探究 97
7.4 典型情景診斷及修復模擬 98
7.4.1 基礎情景模擬 98
7.4.2 干擾情景模擬 103
7.4.3 珊瑚礁修復效果評價及分析 109
8 西沙珊瑚礁生態系統適應性循環和適應性管理 112
8.1 珊瑚礁生態系統適應性循環 112
8.2 西沙珊瑚礁生態系統適應性循環 113
8.3 西沙珊瑚礁生態系統適應性管理 116
9 結論與討論 117
9.1 結論 117
9.2 討論 119
參考文獻 121
附錄A 珊瑚礁生態系統動力學仿真模型相關變量 132
附錄B 珊瑚礁生態系統動力學仿真模型主要方程式 137
序一
序二
前言
1 緒論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.2 環境脅迫國內外研究進展 3
1.2.1 海水溫度對珊瑚礁生態系統影響研究進展 3
1.2.2 海水pH對珊瑚礁生態系統影響研究進展 4
1.2.3 營養鹽對珊瑚礁生態系統影響研究進展 4
1.2.4 陸源沉積對珊瑚礁生態系統影響研究進展 5
1.3 診斷修復國內外研究進展 6
1.3.1 海洋生態修復研究 6
1.3.2 珊瑚礁生態修復研究 8
1.4 研究內容和技術路線 10
1.4.1 研究內容 10
1.4.2 技術路線 12
2 理論基礎和研究方法 15
2.1 理論基礎 15
2.1.1 系統科學理論 15
2.1.2 生態彈性理論 17
2.1.3 生態系統完整性理論 20
2.1.4 人工生態學理論 21
2.1.5 適應性管理理論 22
2.2 研究方法 23
2.2.1 實地調查法 23
2.2.2 數學建模法 23
2.2.3 系統動力學 24
2.2.4 綜合集成方法 24
3 西沙珊瑚礁生態系統概況及退化原因分析 26
3.1 西沙珊瑚礁生態系統概況 26
3.1.1 自然地理與社會經濟概況 26
3.1.2 西沙珊瑚礁群落概況 27
3.1.3 西沙珊瑚礁水質概況 28
3.2 西沙珊瑚礁生態系統退化原因分析 29
4 環境脅迫下西沙珊瑚礁生態系統動力學模型構建及敏感性分析 31
4.1 模型構建 31
4.1.1 系統邊界和結構 31
4.1.2 系統因果回路分析 33
4.1.3 模型變量及流圖構建 34
4.1.4 模型檢驗 39
4.1.5 結果與分析 40
4.2 敏感性分析 41
5 環境脅迫下西沙珊瑚礁生態系統多情景模擬 47
5.1 環境脅迫模擬方案 47
5.1.1 單因子擾動 48
5.1.2 雙因子擾動 50
5.1.3 多因子擾動 54
5.2 西沙珊瑚礁人工生態系統應對環境脅迫的動態仿真模擬 56
5.2.1 應對單因子脅迫西沙珊瑚礁人工生態系統動力學動態仿真模擬 57
5.2.2 應對多因子脅迫西沙珊瑚礁人工生態系統動力學動態仿真模擬 59
6 西沙珊瑚礁人工生態修復動態仿真模擬研究 62
6.1 西沙珊瑚礁生態系統動力學模型構建 62
6.1.1 系統結構與回路 62
6.1.2 模型變量及流圖構建 63
6.1.3 模型檢驗 67
6.1.4 結果與分析 68
6.2 敏感性分析 69
6.3 多情景模擬 75
6.3.1 人類活動干擾 75
6.3.2 生物災害暴發干擾 83
7 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價及修復模式研究 89
7.1 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價基礎研究 89
7.1.1 西沙珊瑚礁生態系統完整性指標體系 90
7.1.2 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價方法 91
7.1.3 西沙珊瑚礁生態系統完整性評價標準 93
7.2 西沙珊瑚礁生態修復模式基礎研究 93
7.2.1 基于完整性評價的修復類型分類方法 94
7.2.2 常用珊瑚礁生態修復技術歸納 95
7.3 西沙珊瑚礁診斷及修復模型構建 95
7.3.1 診斷修復模型建構原理、控制及優化 97
7.3.2 基于系統動力學的修復模式探究 97
7.4 典型情景診斷及修復模擬 98
7.4.1 基礎情景模擬 98
7.4.2 干擾情景模擬 103
7.4.3 珊瑚礁修復效果評價及分析 109
8 西沙珊瑚礁生態系統適應性循環和適應性管理 112
8.1 珊瑚礁生態系統適應性循環 112
8.2 西沙珊瑚礁生態系統適應性循環 113
8.3 西沙珊瑚礁生態系統適應性管理 116
9 結論與討論 117
9.1 結論 117
9.2 討論 119
參考文獻 121
附錄A 珊瑚礁生態系統動力學仿真模型相關變量 132
附錄B 珊瑚礁生態系統動力學仿真模型主要方程式 137
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珊瑚礁生態系統動力學模型與仿真模擬 節選
1 緒論 1.1 研究背景和意義 珊瑚在生物學中的分類屬于腔腸動物門、珊瑚蟲綱，其中珊瑚蟲綱又包括六射珊瑚（觸手數目為六或者是六的倍數）和八射珊瑚（觸手數目為八或者是八的倍數）兩個亞綱。其中八射珊瑚亞綱又被稱為軟珊瑚，包括匍匐珊瑚目、全腔目、軟珊瑚目、共鞘目、柳珊瑚目、海鰓目；六射珊瑚亞綱因質地堅硬、富含碳酸鈣，又被稱為硬珊瑚，包括海葵目、石珊瑚目、六射珊瑚目、角珊瑚目、角海葵目[1]。六射珊瑚亞綱中的石珊瑚目按照生態功能和棲息環境分為造礁石珊瑚和非造礁石珊瑚兩大類，其中造礁石珊瑚具備造礁能力，是海洋生態系統中的重要類群，對于珊瑚礁的形成和維持起著十分重要的作用。 造礁石珊瑚對水溫、水質等生存條件要求極為苛刻，適宜水溫在20～29℃，溫度過高或過低都會造成與造礁石珊瑚共生的蟲黃藻逃逸從而使珊瑚白化死亡。造礁石珊瑚珊瑚蟲死亡之后的骨骼覆蓋在珊瑚基地之上，長此以往就形成了珊瑚礁。珊瑚礁大致可分為暗礁、堡礁和環礁三大類，是地球上生產力較高、生物種類較豐富的生態系統之一，具有為人類提供食物、藥物和海岸保護等功能，存在巨大的生態和經濟價值，對區域經濟發展具有重大意義，被稱為“海洋中的熱帶雨林”和“熱帶沙漠中的綠洲”[2]。然而由于海水升溫、海洋酸化和過度捕撈等原因，珊瑚礁正承受著人類活動影響和全球氣候變化的雙重壓力，全球性衰退已達40%～50%，若不采取有效措施，約60%的珊瑚礁將在2030年前滅亡[3]。 2004年的世界珊瑚礁調查報告中指出全球有超過20%的珊瑚礁被徹底破壞[4]；2008年的科學研究表明，全球超過三分之一的珊瑚礁已經嚴重退化[5]；2015年開始的全球珊瑚白化事件使聯合國教科文組織（United Nations Educational，Scientific and Cultural Organization，UNESCO）《世界遺產名錄》中約72%的遺產礁區遭受了嚴重或反復的破壞[6]；2016年世界著名珊瑚礁——大堡礁連續出現珊瑚白化事件，海水升溫在大堡礁遠北部和北部分別造成超過26%和67%的珊瑚死亡；2017年大堡礁珊瑚進一步白化，海水升溫對中部影響更為嚴重[7]。 我國珊瑚礁面積大約占全球珊瑚礁總面積的13%，主要集中分布在中國南海的南沙群島、西沙群島、東沙群島，以及臺灣島、海南島周邊，少量不成礁的珊瑚分布在香港、廣東、廣西的沿岸等[8]。我國珊瑚礁形勢亦不容樂觀，截至2010年，我國廣東、廣西和海南沿岸的珊瑚礁在過去的30年間由于人類活動破壞和污染，造礁石珊瑚數量減少了80%；而南海的珊瑚島礁盡管污染較小，但由于漁業過度捕撈、長棘海星暴發、海洋酸化和海水升溫等因素的影響，截至2018年，我國南海離岸造礁石珊瑚覆蓋率在過去10～15年內從60%左右降低至20%左右。珊瑚礁生態系統退化趨勢明顯，保護和修復珊瑚礁生態系統迫在眉睫，這對于保持生物多樣性、維護區域生態安全和促進經濟社會可持續發展具有重要意義[9]。 面對各種環境因子導致的全球珊瑚礁退化危機，各國科學家都在致力于主要環境因子對造礁石珊瑚的脅迫作用研究和如何去除脅迫因素使珊瑚礁生態系統達到良性發展的目的。然而珊瑚礁生態系統由自然和社會相耦合而構成復雜的動態系統，因其變量多、反饋回路多和非線性，常規實驗無法精準模擬預測復雜巨系統的內生性變化及其脅迫機理。針對以上要解決的問題，必須采用系統科學理論和珊瑚礁生態系統模型來研究珊瑚礁系統[10-11]。但已有模型大多集中于個體模型或靜態分析，缺乏對系統演變過程和機理的整體把握，難以做長期的、動態的及戰略性的模擬研究。 基于此，本書以中國西沙監控區為研究對象，綜合考慮西沙珊瑚礁生態系統與環境間的多重反饋關系，分析西沙珊瑚礁生態系統的影響因素，將海水溫度、海水 pH、陸源沉積和長棘海星暴發四類典型環境因子引入西沙珊瑚礁生態系統，構建了環境脅迫下的西沙珊瑚礁生態系統動力學模型，分析了西沙珊瑚礁生態系統的多情景動態演變過程，并通過診斷修復模擬，分析了代表性的人類活動和生物災害暴發干擾下的西沙珊瑚礁生態系統的演化軌跡，昀后從適應性循環的視角給出了西沙珊瑚礁生態系統的適應性管理模式，以期為西沙珊瑚礁生態系統的保護和修復提供借鑒和參考。系統動力學的應用為快速模擬珊瑚礁受損與生態修復過程、多元化探索珊瑚礁生態系統的彈性提供了一種科學可行的方法；研究結果為實現西沙珊瑚礁生態系統人工干預提供了可控政策選擇與參考，也為我國后續的西沙珊瑚礁生態系統退化診斷與人工生態修復理論模式研究奠定了基礎。 1.2 環境脅迫國內外研究進展 1.2.1 海水溫度對珊瑚礁生態系統影響研究進展 造礁石珊瑚適宜生活在20～29℃的熱帶海洋中，溫度過高或者過低都會造成珊瑚白化。早在1914年，美國海洋生物學家佛根（T. W. Vaughan）就指出珊瑚在一些異常或環境因子改變的情況下會變白，形成白化的現象，但并不清楚是何種環境因子和脅迫機理使珊瑚變白。直到1930年，數位英國學者用實驗證明了大堡礁珊瑚白化是海水溫度過高導致蟲黃藻逃逸所致。 海水溫度對珊瑚礁生態系統的影響十分復雜。不同種類和不同生長環境的珊瑚對海水溫度的敏感性具有較大差異，不同生長環境下的同一種珊瑚對海水溫度的敏感性也不同。聶寶符等研究表明，珊瑚生長率與海水表面溫度呈顯著正相關[12]；時小軍等認為造礁石珊瑚生長和凋亡的平均周期與海水平均溫度高度相關[13]；李秀保等研究表明，高溫削弱了珊瑚共生蟲黃藻的光合作用能力，對珊瑚礁生態系統產生重要影響[14]；吳佳慶、 Hoegh-Guldber、Warner、Salih、雷新明等均研究了海水溫度對珊瑚礁生態系統的影響，指出海水溫度的變化是造礁石珊瑚白化的主要因素[15-19]。除此之外，亦有研究表明，南海西沙群島大規模的厄爾尼諾現象會造成海水大面積升溫，對珊瑚礁生態系統亦造成較大影響[20-21]。 珊瑚有冷水珊瑚和暖水珊瑚之分，溫度過高或者溫度過低都會對珊瑚造成較大影響。與傳統的高溫脅迫相比較，“冷白化”研究近些年逐漸受到重視。如 Muscatine等研究表明，在極端低溫冷水脅迫下，蟲黃藻逃逸致使熱帶珊瑚白化[22]；趙美霞等綜述了冷水珊瑚礁研究進展并對中國南海冷水珊瑚礁研究提出意見和建議[23]；李淑等對造礁石珊瑚對低溫的耐受力及相應模式做了較深入的研究和分析，結果顯示塊狀珊瑚的耐低溫能力明顯高于樹枝狀珊瑚，塊狀澄黃濱珊瑚受到低溫脅迫時表面形成黏膜，阻止珊瑚繼續排出蟲黃藻[24]；Roberts等研究了珊瑚的致死低溫度[25]。 1.2.2 海水pH對珊瑚礁生態系統影響研究進展 工業革命以來，大氣中 CO2濃度不斷升高，其中有三分之一的 CO2進入海洋造成海水 pH不斷降低。政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告指出：自工業革命以來海水 pH下降了0.1，預計再過一百年海水表層 pH能下降0.3～0.4[26]。海水 pH的下降對珊瑚礁生態系統具有很大影響[27]。造礁石珊瑚需要吸收海洋中的 Ca2+和 CO32-來形成珊瑚礁的碳酸鈣骨骼，而這種造礁能力很大程度上取決于海水中文石飽和度的值。海水 pH下降使得海水中文石飽和度下降，進而促使珊瑚的鈣化速率下降，降低其造礁能力，威脅珊瑚的生存環境[28-30]。 造礁石珊瑚對海洋酸化的響應及珊瑚礁未來的發展趨勢，目前已成為國際珊瑚礁研究的前沿和熱門[31-33]。如陳雪霏等研究表明，珊瑚礁海水 pH具有明顯的代際-年際變化特征，并揭示了不同海域珊瑚礁海水對海洋酸化的響應不同[34]；鄭梅迪等通過模擬4種典型濃度路徑（representative concentration pathways，RCP）情景表明海洋酸化對全球海洋化學環境和珊瑚礁的生存環境具有重要影響[35]；Comeau等研究表明，隨著大氣 CO2濃度升高，海洋酸化可加速珊瑚礁生態系統的溶解[36]； Hoegh-Guldberg等研究了海水 pH對珊瑚礁生態系統的影響，并指出了在氣候變化下珊瑚礁生態系統的生態反饋過程[37]；劉麗等通過研究海水 pH對澄黃濱珊瑚和斯氏角孔珊瑚的脅迫實驗，表明海水 pH對蟲黃藻密度和葉綠素 a含量具有重要影響[38]。此外也有研究表明，海水 pH對珊瑚小穗具有重要影響[39]。 當前關于海水 pH對珊瑚礁生態系統的影響研究雖然取得一定進展，但總體上仍集中于實驗階段，研究內容涉及蟲黃藻密度和葉綠素 a含量等方面，珊瑚礁退化機理較為缺乏，對系統理解珊瑚礁整體退化過程和珊瑚礁后期修復指導性不足。 1.2.3 營養鹽對珊瑚礁生態系統影響研究進展 珊瑚礁生態系統具有極高的初級生產力和生物多樣性，然而珊瑚礁海水營養鹽較缺乏，無機鹽濃度較低。一般而言，珊瑚礁海水硝酸鹽濃度為0.1～0.5μmol/L，銨鹽濃度0.2～0.5μmol/L，無機磷濃度小于0.3μmol/L。N、P等營養元素的大量輸入造成海水富營養化。海水富營養化對珊瑚礁存在顯著影響：一方面海水營養鹽含量的升高會造成藻類大量繁殖，與珊瑚競爭陽光、空氣和生存空間等[40-41]；另一方面海水營養鹽含量的升高會造成細菌大量繁殖，大量消耗海水溶解氧，使珊瑚窒息死亡[42-43]。 大量研究表明，海水營養鹽含量的高低對珊瑚礁生態系統具有較大影響[44-45]。 Radecker等研究表明，過量的可溶性氮和可溶性磷會造成珊瑚白化[46]；王章義等研究表明，珊瑚增長率與水質呈負相關，而營養鹽濃度的升高是造成水質下降的主要原因[47]；李銀強等研究表明，海洋酸化會抑制珊瑚藻的生長和鈣化，破壞其生理結構，對珊瑚礁生態系統造成嚴重威脅[48]；此外還有研究表明，高濃度的無機氮、磷酸鹽對造礁石珊瑚的鈣化作用、組織生長及共生藻的生長具有直接的影響[49]。 但珊瑚礁生態系統對海水營養鹽的需求存在一個范圍，海水營養鹽濃度超出這個范圍，珊瑚礁生態系統平衡就會被打破[50-51]。朱葆華等研究表明，海水溶解氧濃度降低造成珊瑚共生蟲黃藻逃逸誘使珊瑚白化[52]；黃玲英等研究表明，海水營養鹽濃度過高會對珊瑚造成生理壓力，降低珊瑚對病毒的抵抗力，也有可能增大病原體的毒力，加速疾病擴散，降低活珊瑚覆蓋度和生物多樣性，給珊瑚礁生態系統帶來很大影響[53]；錢軍等通過對大洲島珊瑚礁的研究表明，珊瑚月平均增長速率與化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、溶解無機磷（dissolved inorganic phosphorus，DIP）和溶解無機氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN）存在明顯的負相關關系[54]。 1.2.4 陸源沉積對珊瑚礁生態系統影響研究進展 由各種環境因子等造成的海水沉積物增加對珊瑚礁生態系統具有明顯影響。一方面海水沉積物的增加會造成透光率下降，珊瑚共生蟲黃藻光合作用減弱，珊瑚會缺乏能量而死亡[55]；另一方面由于沉積物阻塞珊瑚呼吸通道，珊瑚窒息而死。另外，還有許多造成水體渾濁的因素是人類活動引起的，尤其是對于近岸珊瑚礁，陸源輸入的懸浮顆粒物和細菌等，都會造成水體渾濁度的升高，從而使蟲黃藻光合作用的能力受到影響[56-57]。 目前關于陸源沉積對珊瑚礁生態系統的影響已經成為研究熱點，圍繞海水沉積物的來源、沉積物對珊瑚共生蟲黃藻的作用等方面已經取得了一定的研究成果[58]。 Costa等通過對巴西珊瑚礁海區的調查研究表明，強降雨條件下地表徑流使海水渾濁度增加是造成珊瑚共生蟲黃藻密度降低的主要因素[59]；Lambo 等通過對肯尼亞海域珊瑚礁的調查研究表明，距離河流站點越近則珊瑚死亡率越高且恢復率越低，這種現象被認為是與距離河流越近，懸浮顆粒物和泥沙造成的水體渾濁度越高引起的[60]；邢帥
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