福田红树林湿地生态系统

1、2015年“深圳杯”数学建模夏令营C题：福田红树林自然保护区湿地生态系统模型框架的构建及应用实例研究【论文摘要】福田红树林自然保护区是我国五个国家级红树林自然保护区之一，是我国面 积最小的国家级自然保护区，同时也是我国唯一一个位于城市腹地的自然保护 区。由于城市化进程中不可避免的噪声、光、化学污染，加之自身面积较小，福 田红树林湿地生态系统更加脆弱，单纯依靠抽样检测数据以及专家意见构建的静 态健康评价系统难以实现对福田红树林湿地生态系统的科学管理。本文将构建一 体化湿地生态系统模型，实现动态预测、健康评估、预警科学管理三项功能。针对动态监测功能，模型构建的基本思路是将福田红树林湿地生态系统分为

2、 鸟类、浮游植物、潮间带大型底栖动物、植物、水域及昆虫六部分进行监测，除 了物种数量以及种群密度等常规的监测数据之外，还要分别统计对各部分有重大 影响的环境因素的量化数据（列如噪声对鸟类有影响，要将噪声系数作为统计数 据记录）以及各部分之间相互影响的交互因子，利用各个部分的环境因子和交互 因子分别建立多元线性评分模型，得分表示监测时段内环境因子对各部分的影响 程度，而且考虑到了各部分之间的能量流动及物质循环。将统计数据建立为数据 库之后，该动态监测模型不仅可以反映红树林湿地生态系统的当期状态，还可以 进行趋势化分析进而制定科学管理方案。对于健康评估功能，通过构建红树林湿地生态系统健康评价体系实

3、现。采用 综合指标与单项指标相结合的双层评价方式，以生物安全性、群落稳定性等6 项为综合指标，当某综合指标得分异常时逆向寻找其“根源”（单项指标），根据 模型中单项指标的得分系数及其对其他指标的影响设计合理的解决方案使综合 指数恢复正常值。预警科学管理功能的实现要基于前两项功能积累的数据进行趋势分析，主要 是对影响福田红树林湿地生态系统的各项因素进行趋势分析，进而分析6部分的 趋势。因子除了考虑季节等自然想象之外还要根据特定的事件（旅游旺季等）。【关键词】【问题重述】与国内外其他大规模湿地生态系统相比，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、

4、生态健康 评估及预警系统来支撑其保护、管理工作。但目前的生态健康评价主要采用基于 抽样监测数据和专家经验的静态方法，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。因此，保护区准备用三至五年的时间完成保护管理数字化支撑平 台建设，其中构建新型的生态系统动态监测和健康评估及预警科学管理支撑体系 是重要工作内容。鉴于上述情况，请你们查询相关资料，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，为生态系统健康评 估

5、及预警提供动态模拟分析支撑平台。例如，模型框架可由若干生态场景模型组成，生态场景模型以量化方式描述 红树林湿地中各种生物、生境的空间结构和生态功能；模型框架应能通过刻画生 态场景模型之间的关系实现对湿地生态系统能量流动、物质循环等物种依存竞争 关系的动态描述；依托具体的生态场景模型可建设具体的保护、管理业务场景信 息系统；全体保护、管理业务场景信息系统基于一体化生态系统模型框架，可以 形成完整的生态系统动态监测和健康评估及预警科学管理支撑体系。然后，请你们基于自己构建的模型框架完成下述工作：1、如果福田红树林自然保护区采用你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，你们如何根据模

6、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？你们对自己模型框架的后续完善工作有何建议？2、请查阅相关资料、收集数据，选取一个你们认为当下福田红树林最迫切需要 解决的生态系统问题，基于你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。【模型假设】将福田红树林湿地生态系统分为鸟类、浮游植物、潮间带大型底栖动物、植物、水域及昆虫六部分。 一个年度的监测周期为每年4月1日至次年3月31日，按照4月份（春）、7月份（夏）、10月份（秋）、1月份（冬季）进行监测，所有6个监测项目 同步进行； 保护区内设置4处永久监测样地：分别是沙嘴码头S、凤塘河

7、口 F、观鸟亭G 及基围鱼塘Y （详见下图）。所有6个监测项目的监测点包括但不仅限于这4 处永久监测样地。【模型一：动态监测】福田红树林湿地生态系统背景监测根据湿地生态系统动态监测规程，针对湿地生态环境监测的具体范围， 在正式开展生态环境监测以前，应进行湿地生态环境的背景调查监测，以便确定 常规生态环境监测指标体系及生态环境评价的背景值。背景值主要包括湿地地理 位置，湿地面积，水域面积，植被面积，水体总量，地表径流量，年排入量，降 雨量，蒸发量，湖、沼湿地与地下水的交换量，供给水量等。背景调查监测应在 一个年度内完成，调查频率应不少于4次，分别在春、夏、秋、冬四季各开展一 次调查监测。福田红树

8、林东起新洲河口，西全海滨生态公园。红树林的北面是基围鱼塘、 芦丛水洼；而南面是广阔的海岸滩涂。三者共同组成福田红树林湿地生态系统， 总面积约368公顷。沿海岸线长约9km，平均宽度约0.7km，区域范围在北纬22 30 - 22 32，东经113 56 - 114 3之间，与深圳特区城市新中心区 相距2.2km。本地区主要地貌类型有冲积平原、沿海沙堤、红树林滩涂、泥质光 滩涂、滩涂潮沟水道等类型。福田红树林区域属东亚季风区，南亚热带海洋性季风气候区。全年平均气温 22.4C，1月份气温最低，月平均气温14.1C，最低温度为0.2C，7月份最高， 月平均气温28.2C，最高气温38.7C。年平均

9、降雨量17001900mm，集中在49月。年蒸发量15001800mm。年平均相对湿度80%。全年日照时数约2000小 时。常风较大，主导风向为东南风，夏秋多台风，年受台风袭击24次。二监测指标及检测方法鸟类（1）福田红树林鸟类调查与监测点共7个，分别为深圳湾公园东观光道东侧 水域（SZWD）、东观光道南侧水域（SZWN）、凤塘河口（FTHK）、沙嘴鱼塘（SZYT）、 观鸟屋对面基围鱼塘（GYT）、凤塘河口西侧基围鱼塘（XYT）、避风塘东侧基围鱼 塘（DYT）及深圳河口（SZHK）。（2）福田红树林鸟类调查与监测要求秋冬春时段（10月到4月）每月调查2次， 共14次，夏秋时段（5月到9月）每月

10、调查1次，共5次，合共19次；（3）每次调查需要记录鸟类的种类、数量、分布地点及生境等数据。常规监测 项目如下表绘制鸟类监测数据表序号名称保护等级数量栖息地繁殖期除了常规的鸟类监测项目以外，鸟类还受到如下环境因子的影响:光污染X ,对鸟类影响最严重的是光污染中的人工白昼。夜幕降临后，商场、11酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目。有些强光束甚至直冲云霄，犹如白昼。即所 谓人工白昼。会伤害鸟类和昆虫，强光可能破坏昆虫在夜间的正常繁殖过程。可 以测试21： 00至次日4:00的平均光强作为X11的量化指标。噪声污染X12，随着城市化的快速发展，人为噪声对鸟类的声通讯产生了重大 干扰，因此鸟类只能通过调整

11、自己的发声使声通讯有效地进行，进而保证物种能 够在噪声环境中得以生存繁殖。可以将道路噪声声压级作为x12的量化指标。化学污染X13，根据美国康奈尔大学生态学家迪一利昂教授和她的研究小组公 布的研究报告，多氯联苯会影响鸟类的发声系统。因为鸟类主要是靠声音来吸引 异性进行交配的，这个影响可能会进一步扩展到鸟类的生殖繁衍。因此，以福田 红树林地区的类似多氯联苯的有毒化学物质浓度为X13的量化指标。温度X/湿度X ；15深圳福田自然保护区鸟类主要捕食的底栖动物为羽须鳃沙蚕和腺带刺沙蚕，其 数量可视为交互因子Z11量化指标。建立得分Y1 （10分制）与X1 X5的线性回归方程，由于Y没有实际观测值， 所

12、以将最适宜鸟类生存的这六个影响因子的最佳值对应的Y值定为10，根据鸟 类生存的适应程度依次设置10、8、6、4、2、0六个Y值，然后根据最小二乘法 建立回归方程y = E x +B x +E x +E x +B x +B z11111121213131414151516 11每日统计六个因素量化指标数值进而计算得分，实现对红树林鸟类的日动态 监测，如得分骤降或低于6,则查阅近日统计数据可知造成影响的具体因素，进 而得以有效的管理。浮游植物（1）通过对水体浮游生物的监测，获得福田国家级自然保护区水体浮游生物的 种类组成、优势种和丰度分布（时间，空间）及季节变化，建立数据库。常规 检测项目如下表所

13、示：浮游生物监测数据表检测地点种名生物量密度除了常规检测项目以外，还需关注以下影响浮游植物的因素：总氮（TN）氨氮（NH4-N）总磷（TP）可溶磷（PO -P）， ，4、硅酸盐（SiO-Si） 盐度3PH水温影响因素1至6以100ml水中的含量为量化指标。（2）对保护区内的赤潮进行有效的监测预警，并通过数据库分析发生原因。（3）类似于鸟类得分方程的建立过程，利用最小二乘法建立得分方程，用以判 断目前环境的浮游植物的影响。y =B x +B x +B x +B x +B x +B x +B x +B x221212222232324242525262627272828植物植物多样性及生长状况监测

14、主要从群落结构、外来种入侵（特别观察海桑、 无瓣海桑的扩散）、植被变化三个宏观方面开展：群落结构：对主要乡土红树植物群落秋茄群落、木榄群落、桐花树群落、白 骨壤群落进行生长调查与监测；外来物种入侵：对外来红树植物海桑及无瓣海桑群落进行生长调查与扩散监 测；植被变化：对福田红树林保护区的沿岸带进行每年一次的植被调查，记录各 植被类型和斑块，记录各主要种群。其中沙嘴码头S天然红树林群落固定样地继续进行监测；观鸟亭G对植物海 桑林、无瓣海桑林及其混交林生长调查与监测；凤塘河口F重点监测小岛样地、 基围鱼塘Y主要检测红树植物、基围植被及湿地植物。水质（1）在观鸟亭（G）、凤塘河口（F）、沙嘴码头（S）

15、红树林区及其附近滩涂和基 围鱼塘（Y）进行水质监测。于每年1,、4、7、10月四期，分别取高潮和低潮时 水样各一次，分析水质情况。（2）水质监测项目：理化指标：盐度、浊度、氧化还原电势、电导率、pH值、溶解氧；营养盐和有机物污染指标：总氮、氨氮、硝酸盐氮、总磷、可溶磷、COD、BOD；微生物污染指标：大肠菌群总数、致病性肠道菌数；重金属污染物：Cd、Pb、Ni、Cr和As。（3）对于水污染的程度，利用单因子评价指数法进项度量评价方法：单因子评价指数法、，一“. C单因子评价指数计算公式：P 匕，C.io.式中：Pi一某污染因子的污染指数即单因子污染指数；Ci一某污染因子的实测浓度；Cio 一某

16、污染因子的评价标准。水质指标评价标准依据为地表水环境质量标准（GB3838-2002）。每日数据 实时更新，利用单因子评价指数法评价各项因子是否超标或过低，进而制定具体 的解决方案，进行科学有效的针对性治理。大型底栖动物（1）在观鸟亭（G）、凤塘河口（F）、沙嘴码头（S）红树林区及基围鱼塘（Y） 进行大型底栖动物生态状况监测，每年4、7、10月以及次年1月在各取样点进 行取样检测；（2）通过对大型底栖动物调查，主要测定底栖动物的种数、密度、鲜重生物量、 多样性指数、污染指数的变化，充分掌握底栖动物及其优势种的生态动态变化情 况，建立数据库；（3）深圳福田自然保护区鸟类主要捕食的底栖动物为羽须鳃

17、沙蚕和腺带刺沙蚕， 所以对这两项的取样检测可以反映鸟类对大型底栖动物的影响。（4）运用生物指数评价福田红树林湿地生态和环境状况：在拟评价的河段把各种大型底栖无脊椎动物尽量采到，把采到的大型底栖无 脊椎动物分成两类：（I类和II类动物种类数目分别以A和B表示。）I类是对有机物污染缺乏耐性的（即敏感的）种类；II类是对有机物污染有中等程度耐性的（即不敏感的）种类。贝克-津田生物指数公式为：I=2A+B以所得数值I为标准，05为严重污染，610为中度污染，1119为较 清洁，大于20为清洁水体。昆虫（1）采用五点取样法在四个检测区每年4、7、10月及次年1月进行四次昆虫取 样，建立数据库。绘制如下取

18、样表：地点土壤植被情况样坑号样坑深度害虫名称虫期害虫数量备注（2）还要对害虫取样点的植物进行采样，进而分析害虫对植物的影响:被害率=有虫（发病）单位数/取样单位总数X100%虫口密度=调查总虫数/调查总单位数3病情指 Z （各级病情数x各级样本数）.病情指数=最高病情级数x调查总样本数【模型二：健康评价体系】根据红树林生态系统的保护和管理目标考虑健康评估指标。通过查阅资料， 我们得知：“红树林湿地的保护和管理目标是发挥其防风消浪护堤、保持生物多 样性、净化污染物、生态旅游等生态服务功能，健康的标准是保持红树林群落结 构和功能完整性、稳定性和可持续发展能力，同时满足人类对资源的需求。”考 虑到选择指标要具有代表性，且具有易控制、易操作的特点，便于监测，计算简 单，具有技术和经济可行性。在对红树林健康稳定性的主导因子正确理解的基础 上，所选群落指标要能够反映红树林的生态功能和生物多样性，并具有早期预警 和诊断性。我们按照自然性指标、群落结构完整性与稳定性指标、生物安全性指 标、群落稳定性指标、生境理化性质指标、生物因子指标六个方面，选取有代表 性的重要指标构建评价指标体系。经过查阅资料，我们得出红树林湿地群落健康评价