基于數學模型研究三亞市區綠地生態破壞后蓋度恢復

王湘君,陳 文,杜 宇,黎 明,符家磊,王勝楠

(瓊州學院 a.熱帶生態與環境保護學院;b.兩棲爬行動物研究省級重點實驗室; c.食品學院; d.熱帶生物與農學院;e.數學系, 海南 三亞 572022)

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基于數學模型研究三亞市區綠地生態破壞后蓋度恢復

王湘君a,b,陳 文c,杜 宇b,d,黎 明d,符家磊e,王勝楠a

(瓊州學院 a.熱帶生態與環境保護學院;b.兩棲爬行動物研究省級重點實驗室; c.食品學院; d.熱帶生物與農學院;e.數學系, 海南 三亞 572022)

用生態數學模型方法研究三亞市區綠地生態破壞后物種在自然狀態下蓋度恢復的程度、速度和難度.在某高校A的四塊區域選擇12個天然草地樣方,人為破壞樣方內的全部表層植被,并使其自然恢復.結果表明:15周以后,實驗區域的物種蓋度基本恢復到破壞前水平;Logistic擬合曲線作為植物蓋度恢復的生態數學模型,擬合度均為0.999左右.

綠地生態;自然恢復;蓋度;數學模型

0 引言

生態學在自然科學中是一門年輕的學科,也是最有活力的學科之一[1].城市綠地生態系統,復合生態系統中的子系統,具有生產能力和自我調節能力[2].數學模型常用于生態系統的研究過程中,可以通過綜合分析環境信息,定量刻劃生態系統功能(如完整性、穩定性、靈敏度、多樣性等)[3].本研究選取海南島南部城市三亞,某所高校內四塊天然綠地,建立蓋度恢復數學模型.

1 材料與方法

實驗時間與地點:2014年10月1日至2015年1月31日,在某高校A移動與電信營業廳、體育館足球場、學生宿舍公寓樓、行政大樓旁邊的天然草地,每個區域隨機選取3塊1m2作實驗標準樣方,每周測量一次參數變化.

實驗方法:測出各樣方的蓋度等指數后,將樣方內全部草本植物和矮灌木地面莖葉和淺層地下根鏟除,再使其自然恢復.蓋度測量采取拍照后,用CAD軟件輔助計算.

2 結果與分析

12個標準樣方破壞前的植物蓋度信息統計如下表1樣方破壞前,蓋度較高的植物有牛筋草、牽牛花、鴨跖草等.

表1 樣方破壞前的原初蓋度及植物種類

續表1

4個區域,12個標準樣方破壞后,連續16周記錄蓋度恢復信息,統計如表2.

表2 實驗樣方蓋度恢復(%)

蓋度按照所選的四個區域來分析,以恢復周數為X軸,取每個區域內的三個樣方每周蓋度的平均數為Y軸,繪制散點圖,添加擬合曲線.

2.1電信營業廳區樣方恢復

運用Origin7.5軟件,采用線性擬合、指數擬合、對數擬合、多項式擬合、乘冪擬合、Logistic曲線擬合等方法,建立數學模型,見表3.

表3 電信營業廳區樣方蓋度恢復擬合數學模型

續表3

圖1 電信營業廳區蓋度恢復的Logistic擬合曲線

由表3可知,Logistic曲線的擬合度超過0.999,故選擇此作為擬合曲線.由圖1得知,電信營業廳綠地的蓋度在4-8周期間恢復速率較快;第6周為拐點周,對應蓋度為40.5%,此時的恢復度為42.3%;9周以后恢復速率減慢,15周以后基本飽和.而此區域的初始平均蓋度為91.7%,蓋度恢復到破壞前的104.6%.

2.2 行政大樓區樣方恢復

同理,運用Origin7.5軟件,采用線性擬合、Logistic曲線等方法進行擬合,建立6種數學模型,見表4.

表4 行政大樓區樣方蓋度恢復擬合數學模型

圖2 行政大樓區蓋度恢復的Logistic擬合曲線

由表4可知,Logistic曲線的擬合度最接近0.999,故選擇此作為擬合曲線.由圖2可知, 行政大樓區草坪蓋度在5-7周期間恢復速率較快;其拐點周為第6周,對應蓋度為51.9%,此時的恢復度為54.7%;9周以后恢復速率減慢,14周以后基本飽和.而此區域的初始平均蓋度為95.3%,蓋度恢復到破壞前的103.7%.

2.3 學生公寓區樣方恢復

同理,運用Origin7.5軟件,建立6種數學模型,見表5.

表5 學生公寓區樣方蓋度恢復擬合數學模型

圖3 學生公寓區蓋度恢復的Logistic擬合曲線

由表5可知,Logistic曲線的擬合度最接近0.999,故選擇此作為擬合曲線.由圖3可知,學生公寓區草坪蓋度在4-8周期間恢復速率較快;其拐點周為第6周,對應蓋度為36.8%,此時的恢復度為42.3%;9周以后恢復速率減慢,15周以后基本飽和.而此區域的初始平均蓋度為88. 7%,蓋度恢復到破壞前的101.4%.

2.4 足球場區樣方恢復

同理,運用Origin軟件,建立數學模型,見表6.

表6 足球場區樣方恢復擬合數學模型

圖4 足球場區蓋度恢復的Logistic擬合曲線

由表6可知,Logistic曲線的擬合度高于0.999,因此作為數模擬合曲線.由圖4可知,足球場區草坪蓋度在4-7周期間恢復速率較快;其拐點周為第6周,對應蓋度為37.2%,此時的恢復度為40.7%;10周以后恢復速率減慢,15周以后基本飽和.而此區域的初始平均蓋度為79.3%,蓋度恢復到破壞前的115.4 %.

3討論

通過建立某高校A四塊區域天然草坪蓋度恢復的數模可以得出:對于乘冪擬合和指數擬合,都不適合;線性擬合和對數擬合的擬合度不算高,僅0.990;三項式擬合的擬合度較高,約0.995;Logistic曲線擬合的擬合度最高,約0.999.

四個區域的蓋度恢復過程非常相似,快速恢復期都在5-7周,Logistic曲線拐點都在第6周,此時對應的蓋度為40%左右,恢復度為40-50%,平均45.0%.10周以后,恢復速度明顯減慢,此時對應的蓋度為75%左右,恢復度為78-90%,平均84.0%.15周以后基本飽和,此時對應的蓋度為92%左右,恢復度為101-106%,平均106.3%.

結合此前進行的豐度恢復分析可以看出[4],豐度的快速恢復期主要在2-5周,拐點在第3周,而蓋度恢復的拐點在第6周;大約7周后,豐度恢復趨于平穩,而蓋度恢復須15周.豐度恢復明顯快于蓋度恢復,符合島嶼物種侵入理論[5].蓋度略高于被破壞前,符合中度干擾理論[5].

4 結論

三亞某高校A的綠地樣方植被破壞后,植被未經人為再次干擾,自然狀態下,15周以后蓋度基本恢復到破壞前水平.經過16周,移動與電信營業廳、行政大樓、學生公寓宿舍區、體育館足球場旁的草坪恢復蓋度值分別為90.1%、86.1%、81.3%、78.5%,分別恢復到破壞前的104.6%、103.7%、101.4%、115.4%;其蓋度恢復情況采用Logistic擬合曲線的擬合度分別為0.999、0.998、0.999、0.999,擬合優度都高度接近1,故Logistic曲線作為蓋度恢復的相對生態數學模型,與豐度恢復模型曲線類型相同[4].

[1]Pielou E C. 數學生態學[M].盧譯愚，譯.北京:科學出版社,1988:2-35.

[2]李鵠鳴,王菊鳳.生態對策影響種群增長的數學模型研究[J].生物教學學報,1994,9(4):207-213.

[3]劉利民,吳素文.生態學中的數學模型[J].沈陽農業大學學報,2000,31(3):295-299.

[4]王湘君,陳文,杜宇,等.三亞市區綠地生態破壞后豐度恢復的數學模型研究[J].瓊州學院學報,2015,22(2): 90-94.

[5]牛翠娟,婁安如,孫儒泳,李慶芬.基礎生態學[M].北京:高等教育出版社,2002:109-118.

[6]徐天華,馬麗蓉,帥維成.一類含擴散時滯的生態模型的周期解存在與穩定性[J].廣西民族大學學報(自然科學版),2009,16(3):51-53.

[7]王平建.城市綠地生態建設理論與實證研究[D].上海:復旦大學,2005:8-9.

Research of Coverage Restoration on Green Space in Sanya City Based on Mathematical Model

WANG Xiang-juna,b, CHEN Wenc, DU Yub.d, LI Mingd, FU Jia-leie, WANG Sheng-nana

(a. School of Tropic Eco-Environment Protection,b. Provincial Key Laboratory of Amphibious and Reptile Research, c. School of Food Science and Technology,d. School of Tropic Biology and Agronomy, e. Department of Mathematics,Qiongzhou University,Sanya Hainan,572022, China)

By using ecological mathematical models, the current research studied the coverage, the extent of spontaneous recovery, spontaneous recovery rate and spontaneous recovery difficulty of species after the species were damaged in Sanya city. Firstly, chosen were twelve natural grassland samples, 1 square meters each, in four sections on campus in University A. Then the whole surface vegetation was damaged within all samples and underwent natural restoration. It showed that the abundance restores after 15 weeks. The fitting degree of the logistic curve-ecological mathematics model of plant coverage recovery-is about 0.999.

green space ecology; natural restoration; coverage; mathematical model

2015-02-10

三亞市院地科技合作項目(2014YD31)三亞市區綠地生態破壞后恢復的數學模型研究;動物學海南省普通高等學校省級重點(扶持)學科資助(HNZ201502)動物生存環境研究;瓊州學院校級青年教師科研基金項目(QZQN201444)

王湘君(1982-),女,重慶馬南人，瓊州學院熱帶生態與環境保護學院副教授,南京師范大學生態學專業2015級博士研究生，研究方向為生態學、動物學.

陳文(1980-),男,重慶馬南人，瓊州學院食品學院副教授,碩士,研究方向為化學.

X176

A

1008-6722(2015) 05-0086-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．05．19