基于稳定性与最优化模型的海洋生态系统的重构

《基于稳定性与最优化模型的海洋生态系统的重构》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于稳定性与最优化模型的海洋生态系统的重构摘要本文通过建立种群间捕食—竞争稳定性模型，最优经济效益模型，最优捕捞与养殖模型，分别解决了珊瑚礁食物链中种群间相互作用的问题、最大化总价值与最佳收获策略问题及遮目鱼最佳饲养水平问题。对于问题一，我们首先分析了种群之间的捕食关系，将该生态系统分为三个营养层，作为唯一捕食性鱼类的遮目鱼位于最高营养层，草食性鱼类，软体动物，甲壳类动物，棘皮动物位于第二营养层，藻类植物作为生产者位于第一营养层。其次，分析了第二营养层中各物种间的竞争，即草食性鱼类，甲壳类动物，棘皮动物之间存在的种间竞争。再次，结合捕食食物链，分析了腐生食物链，腐生微生物分解动植物的

2、尸体，同时又被软体动物摄食。最后，分析了各物种的种内竞争，加上了自身阻滞作用的Logistic项，从而建立了种群间稳定性模型。根据模型求得各个生物的数量，经过分析，符合自然规律。对于问题二，首先根据问题一中确定的每一物种的稳定值和所查阅到的数据，计算出水体中颗粒有机碳与总氮量，得出水质介于A,B两地的水质之间。接下来，代入叶绿素的回归计算式，得出叶绿素水平超过B地海水中的水平，不适合珊瑚群的继续生长。最后，通过调整该生态系统中各物种的初值与环境最大容许值，使得叶绿素水平达到B地的标准，最后确定叶绿素值为0.1309μg/L，适合珊瑚群的生长。对于问题三的第一问，首先以经济效益的最大化

3、为目标函数，将颗粒有机碳，总氮量与叶绿素达到或超过B类水作为约束条件，结合问题一中的种群间稳定性模型，建立最优经济效益模型；通过环形仿真求出每一物种的最大值，最小值，从而对该模型进行了修改，再利用lingo软件求出每一物种的最优值，代入到经济效益函数中求出最大经济效益，最大经济效益为115223.6元，叶绿素的含量为0.124-0.131μg/L，颗粒有机碳为30.479-58.3μg/L，总氮为1.219-2.332μg/L。水质更安全，同时还能得到较高的经济效益。对于问题三的第二问，首先考虑捕捞强度，再将其代入问题一中的优化模型，分别求出不同捕捞强度和不同遮目鱼饲养水平下各个物种

4、的最优值。接下来利用该最优值计算出不同策略下的颗粒有机碳、总氮量、叶绿素量与总经济价值。最后，比较不同策略下的水质与经济效益得出最优捕捞与养殖策略，得到最优捕捞与养殖策略为捕捞强度为0.6，遮目鱼的初始数量为450个，最大经济效益为69219元。文章最后对模型进行评价，并结合实际对模型的推广加以分析。关键词：稳定性；最优化；食物链；水质；经济价值1一、问题重述由于商业化遮目鱼养殖的引入，题图中所示的区域生物多样性减少，淤泥覆盖了海域底部的珊瑚，从而使该海域的野生鱼数量急剧减少。该生物多样性环境中的主要动物生物体可细分为肉食性鱼类、草食性鱼类、软体动物、甲壳类动物、棘皮动物和藻类植物。

5、珊瑚的作用主要是划分空间，并通过让大量生物各自在一个狭小空间内获得适宜生存的环境，使物种能够集中共存，珊瑚还可以进行一定程度的滤食，这有助于水的净化。一个海域支持珊瑚生存的能力，取决于许多因素，其中最重要的是水质。现在问题要求建立一个混养系统来代替现有的遮目鱼单养系统，从而从根本上改善水质，让珊瑚幼虫得以在该地区生长和繁衍。目前有待解决的是以下问题。（1）建立一个完整的珊瑚礁食物链模型，并且确定每个物种合理的数量，并且说明物种间的相互作用；（2）说明如何预测水质的稳定状态，并且调整变量得到令人满意的水质水平；（3）找出一个最佳策略，使水质能在最大程度上被接受并且能使人最大化地获得经济

6、价值。二、模型的假设（1）假设物种增长率为常数；（2）假设物种产卵量的变异性符合正态分布；（3）假设该区域不是一个封闭系统；（4）假设该系统中，人类是遮目鱼的唯一捕食者（5）假设叶绿素只来自于海藻。三、符号说明表1符号说明表符号意义单位X1藻类个/养殖围栏X2草食性鱼类个/养殖围栏X3软体动物个/养殖围栏X4甲壳类动物个/养殖围栏X5棘皮动物个/养殖围栏X6遮目鱼个/养殖围栏X7微生物个/mlNi环境对物种的最大容纳量（1≤i≤7）ri物种的固有增长率（1≤i≤7）σi物种间的竞争系数（2≤i≤5）βi捕食者的捕食能力（2≤i≤9）2λ7腐生生物的腐生系数f收益价值元E人类的捕捞强度

7、四、问题分析问题要求设计一个可行的混养系统，以取代目前单一的遮目鱼养殖，这个系统里包含的主要动物生物体有遮目鱼、草食性鱼类（以蓝带狐狸鱼为例）、软体动物、甲壳类动物、棘皮动物和藻类，以便从根本上改善水质，让珊瑚幼虫得以在该地区生长和繁衍。针对问题一即建立食物链模型，我们认为该食物链应该包括捕食食物链和腐生食物链，完整的食物链里包括的动物生物体有遮目鱼，蓝带狐狸鱼（草食性），软体动物，甲壳类动物，棘皮动物，藻类物种和腐生生物，他们之间的关系如下图：遮目鱼(种