應(yīng)用線性規(guī)劃模型研究濕地生態(tài)系統(tǒng)健康問(wèn)題—以福田紅樹(shù)林濕地為例

(吉林師范大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

深圳福田紅樹(shù)林濕地位于深圳灣北部。該自然保護(hù)區(qū)位于北緯22°30’ - 22°32’，東經(jīng)113°56’ - 114°3’之間，總面積約為3.68平方公里，是我國(guó)現(xiàn)存的唯一一個(gè)處于城市腹地的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，同時(shí)也是我國(guó)目前占地面積最小的紅樹(shù)林濕地保護(hù)區(qū)。30年的時(shí)間里，深圳經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，環(huán)境污染和城市擴(kuò)張對(duì)該濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的影響。[2]高大的建筑物阻礙了鳥(niǎo)類(lèi)的遷徙、水污染導(dǎo)致了魚(yú)蝦的大量死亡，紅樹(shù)林濕地面積日益減少、海床逐漸上升、蟲(chóng)害頻繁爆發(fā)，該生態(tài)系統(tǒng)的健康問(wèn)題日益引發(fā)關(guān)注。因此，從健康預(yù)警的角度預(yù)測(cè)紅樹(shù)林濕地的生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)極其必要。

1 應(yīng)用線性規(guī)劃研究福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康問(wèn)題

針對(duì)紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題，應(yīng)用線性規(guī)劃模型，分析過(guò)程如下：

1.1 模型假設(shè)與約定

1)假設(shè)在短期內(nèi)把福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)看作一個(gè)獨(dú)立封閉的系統(tǒng)，不考慮自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)、傳染病，鳥(niǎo)類(lèi)遷徙等可能導(dǎo)致物種數(shù)量急劇變化的因素；

2)假設(shè)忽略氣候變化如氣溫、降雨量、太陽(yáng)輻射量等因素對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的影響；

3)假設(shè)不考慮空間對(duì)紅樹(shù)林種群的限制；

4)假設(shè)該生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞短期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，總輸入與總輸出是相等的；

5)xt是本地植物和昆蟲(chóng)兩種群在時(shí)刻t的數(shù)量；

6)r是它們的固有增長(zhǎng)率；

7)N是該生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境資源容許的種群最大數(shù)量。

1.2 建立線性規(guī)劃模型

1.2.1 紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)

將鳥(niǎo)類(lèi)數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行擬合I得：

二次擬合函數(shù)f2=-6.2841e-13x2-1500x+6500三次擬合函數(shù)f3=6.1972e-13x3-5.0219e-

12x2-1500x+6500

七次擬合函數(shù)f7=-6.7956x7+38.9088x6-

205.8812x4+5173.768

將浮游植物的種類(lèi)組成數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行擬合II得：

二次擬合函數(shù)f2=-4.7857x2-19227.0714x+

19311522.9165

三次擬合函數(shù)f3=4.5833x3-27642.308x2-

570631.2919x+3723879.5834

七次擬合函數(shù)f7=-1.4463e-16x7+5.8104e-

13x6-5.8358e-10x5

將大型底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行擬合III得：

二次擬合函數(shù)f2=-0.125x2-1.2841x+7.85

三次擬合函數(shù)f3=0.049534x3-0.94231x2-

5.0536x+3.6

七次擬合函數(shù)

f7=0.0026436x7-0.097819x6-1.4576x5-

11.2108x4+47.4387x3-109.145x2+

126.1566x-46.6

由函數(shù)解析式及其性質(zhì)可知，紅樹(shù)林濕地本地物種數(shù)量呈下降趨勢(shì)。

1.2.2 紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)生物安全性

將害蟲(chóng)對(duì)本地植物的危害程度用MATLAB進(jìn)行擬合IV得：

二次擬合函數(shù)f2=0.49943x2-5.2859x+45.9977三次擬合函數(shù)f3=0.10563x3-1.5604x2+

5.8584x+31.5788

七次擬合函數(shù)

f7=-0.0028745x7-0.13376x6-2.5296x5+

24.9197x4-135.8179x3+399.3549x2-

565.519x+319.4061

將昆蟲(chóng)數(shù)量用MATLAB進(jìn)行擬合V得：

二次擬合函數(shù)f2=97.2321x2-1718.4393x+

7717.3786

三次擬合函數(shù)f3=2.0278x3+39.4405x2-

1179.6587x+6076.0952

七次擬合函數(shù)

f7=0.049733x7-2.3705x6+44.604x5-

412.8504x4+1873.4917x3-3319.1659x2

綜上，可以看出：害蟲(chóng)的數(shù)量呈上升趨勢(shì)，昆蟲(chóng)的數(shù)量呈J型增長(zhǎng)，對(duì)本地植物的危害逐漸增大，也將不利于該生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

上文為研究福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的物種數(shù)量變化趨勢(shì)建立了線性規(guī)劃模型，得出該系統(tǒng)物種數(shù)量呈下降趨勢(shì)而害蟲(chóng)和昆蟲(chóng)數(shù)量卻呈上升趨勢(shì)。為了探究該生態(tài)系統(tǒng)的植物和昆蟲(chóng)兩個(gè)種群相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)局，即t趨于無(wú)窮時(shí)x1t，x2t的趨向，下面對(duì)它的平衡點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析[3]。

解代數(shù)方程組

得到4個(gè)平衡點(diǎn)：

因?yàn)槠胶恻c(diǎn)只有位于平面坐標(biāo)系的第一象限時(shí)x1,x2≥0才有實(shí)際意義，所以對(duì)P3而言，要求σ1，σ2同時(shí)大于1.

于是，按照判斷平衡點(diǎn)穩(wěn)定性的方法，進(jìn)行如下計(jì)算：

p=-fx1+gx2|pi,i=1,2,3,4

q=detA|pi,i=1,2,3,4

將4個(gè)平衡點(diǎn)p，q的結(jié)果及穩(wěn)定條件列入表1.

表1 種群競(jìng)爭(zhēng)模型的平衡點(diǎn)及穩(wěn)定性

由于1.2中所建立的線性規(guī)劃模型中簡(jiǎn)化了紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)存問(wèn)題，只計(jì)算了標(biāo)志性物種，導(dǎo)致結(jié)果存在些許誤差。通過(guò)上述對(duì)于該生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行的定性分析可知，該生態(tài)系統(tǒng)確實(shí)存在不穩(wěn)定性。

2 結(jié) 論

根據(jù)上述模型的求解過(guò)程和結(jié)果分析，紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)本地物種如植物的數(shù)量呈下降趨勢(shì)，而昆蟲(chóng)、害蟲(chóng)的數(shù)量顯著增長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)刂参锏奈：Τ噬仙厔?shì)，這嚴(yán)重危及到該生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

研究表明，福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況不容樂(lè)觀。因此，有必要建立一個(gè)健康預(yù)警系統(tǒng)對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]，便于對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)遭到威脅時(shí)提前發(fā)出預(yù)警。適當(dāng)完善相應(yīng)的紅樹(shù)林濕地保護(hù)制度，形成上下聯(lián)動(dòng)的濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)機(jī)制。此外，充分發(fā)揮相關(guān)專(zhuān)家的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備對(duì)紅樹(shù)林濕地進(jìn)行恢復(fù)也尤為重要。

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