海洋生态系统动力学.ppt

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1、定义研究的意义研究进展研究进展主要内容动力学模型动力学模型一、定义一、定义中文名称：海洋生态系统动力学中文名称：海洋生态系统动力学 英文名称：英文名称：marine ecosystem dynamics marine ecosystem dynamics 定义：研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下定义：研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下动态变化的学科。动态变化的学科。二、二、海洋生态系统动力学研究的意义海洋生态系统动力学研究的意义 到到2121世纪中叶，我国人口将达到世纪中叶，我国人口将达到1616亿，耕地减少和人口亿，耕地减少和人口增加的矛盾更加突出，满足日益增长的食物和优质动物蛋增加的矛

2、盾更加突出，满足日益增长的食物和优质动物蛋白的需求是一个十分艰巨的任务，而海洋是尚未充分开发白的需求是一个十分艰巨的任务，而海洋是尚未充分开发利用的最大疆域，具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作利用的最大疆域，具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础，己引起国为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础，己引起国家和社会的高度重视。家和社会的高度重视。我国海洋渔业发展过程中，产业的母体我国海洋渔业发展过程中，产业的母体近海生态系近海生态系统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化，明显影响了统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化，明显影响了海洋产业的可持续发展，经济损失

3、巨大。海洋产业的可持续发展，经济损失巨大。海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统（如东海洋生态系统动力学研究把我国近海生态系统（如东、黄海生态系统）视为一个有机的整体，以物理过程与生物黄海生态系统）视为一个有机的整体，以物理过程与生物过程相互作用和耦合为核心，研究生态系统的结构、功能过程相互作用和耦合为核心，研究生态系统的结构、功能及其时空演变规律，定量物理、化学、生物过程对海洋生及其时空演变规律，定量物理、化学、生物过程对海洋生态系统的影响及生态系统的响应和反馈机制，并预测其动态系统的影响及生态系统的响应和反馈机制，并预测其动态变化，有望在我国近海生态系统动力学关键过程和生物态变化，有望在

4、我国近海生态系统动力学关键过程和生物资源补充机制研究上取得突破。资源补充机制研究上取得突破。海洋生态系统动力学研究不仅能使集多种机制于一体的海洋生态系统动力学研究不仅能使集多种机制于一体的我国近海陆架生态系统动力学科学理论体系和研究队伍进我国近海陆架生态系统动力学科学理论体系和研究队伍进入国际先进行列，推动全球海洋生态系统动力学研究发展，入国际先进行列，推动全球海洋生态系统动力学研究发展，同时对解决我国近海海洋可持续发展过程中出现的资源和同时对解决我国近海海洋可持续发展过程中出现的资源和环境问题也具有典型的科学意义，为建立我国近海可持续环境问题也具有典型的科学意义，为建立我国近海可持续发展的生

5、态系统、合理的渔业管理体系和负责任的捕捞制发展的生态系统、合理的渔业管理体系和负责任的捕捞制度提供科学依据。度提供科学依据。三、三、生态系统动力学研究进展生态系统动力学研究进展全球海洋生态系统动力学全球海洋生态系统动力学国外研究进展简况国外研究进展简况国外研究进展简况国外研究进展简况国外研究进展简况国外研究进展简况19911991年在国际海洋的推动下年在国际海洋的推动下，G GLOBECLOBEC开始筹划开始筹划。19951995年被遴选为国际地圈生物圈计划（年被遴选为国际地圈生物圈计划（IG-BPIG-BP）的核心计）的核心计划划，使海洋生态系统动力学研究成为海洋科学跨学科研究使海洋生态系统

6、动力学研究成为海洋科学跨学科研究的国际前沿领域。的国际前沿领域。国际国际IG-BP/GLOBECIG-BP/GLOBEC科学指导委员会于科学指导委员会于19971997年公布年公布GLOBEC GLOBEC 科学计划科学计划。19991999年公布了年公布了GLOBECGLOBEC实施计划实施计划。全球海洋生态系统动力学全球海洋生态系统动力学根本根本任务任务：更好地认识多尺度的物理环境过程更好地认识多尺度的物理环境过程对海洋生态大规模的影响；对海洋生态大规模的影响；确认具有代表性意义的结构与多变的海洋确认具有代表性意义的结构与多变的海洋 系统之间的关系，侧重于营养动力学通道及系统之间的关系，侧

7、重于营养动力学通道及其变化和营养质量在食物网中的作用的研究；其变化和营养质量在食物网中的作用的研究；通过使用物理学、生物学和化学耦合模式以通过使用物理学、生物学和化学耦合模式以 及适当的观测系统，确认全球系统对群体动及适当的观测系统，确认全球系统对群体动力学的影响，并发展预测未来变化的能力；力学的影响，并发展预测未来变化的能力；通过定性和定量反馈机制，确认变化中通过定性和定量反馈机制，确认变化中的海洋生态系统对全球系统的影响。的海洋生态系统对全球系统的影响。全球海洋生态系统动力学全球海洋生态系统动力学研究重点：研究重点：（1 1）通过重检、综合历史资料，建立发展全球）通过重检、综合历史资料，建

8、立发展全球海洋系统模式的基础海洋系统模式的基础（2 2）开展关键性的生物和物理过程研究。重点）开展关键性的生物和物理过程研究。重点认识营养动力学通道，尤其是它们的变化和食物认识营养动力学通道，尤其是它们的变化和食物网营养质量的作用。网营养质量的作用。全球海洋生态系统动力学全球海洋生态系统动力学（3 3）发展多学科耦合模拟）发展多学科耦合模拟、观测系统的预测和观测系统的预测和建模能力。建模能力。（4 4）同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化）同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化研究合作，评估海洋生态系统变化对全球地球系研究合作，评估海洋生态系统变化对全球地球系统的反馈作用。统的反馈作用。4 个区

9、域性研究计划北大西洋的北大西洋的“鳕鱼与气候变化鳕鱼与气候变化”北太平洋的北太平洋的“气候变化与容纳量气候变化与容纳量”极地洋区的极地洋区的“南大洋生态系统动力学南大洋生态系统动力学”全球性的全球性的“小型中上层鱼类与气候变化小型中上层鱼类与气候变化”国国内内研究进展简况研究进展简况1994 1994 年在国家自然科学基金委员会支持下，开展了我国年在国家自然科学基金委员会支持下，开展了我国海洋生态系统动力学发展战略研究，着手制定我国海洋生海洋生态系统动力学发展战略研究，着手制定我国海洋生态系统动力学发展规划。态系统动力学发展规划。1996 1996 年国家自然科学基金委员会不失时机地启动了年国

10、家自然科学基金委员会不失时机地启动了“渤渤海生态系统动力学与生物源持续利用海生态系统动力学与生物源持续利用”重大基金项目研究重大基金项目研究1999 1999 年，国家科技部正式启动了国家重点基础研究发展年，国家科技部正式启动了国家重点基础研究发展规划项目规划项目“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用用”。其战略目标是：确认自然变化和人类活动对我国近海生态系统的影响及其变化机制，建立我国近海生态系统基础知识体系；定量研究我国近海生态系统动力学过程，预测其动态变化，寻求海洋产业持续发展的调控途径；促成多学科交叉研究与综合观测体制，造就一支跻身于国际先

11、进行列的优秀中青年研究群体四、四、海洋生态系统动力学模型海洋生态系统动力学模型l模型研究不足之处模型研究不足之处l结构模型特征及分类结构模型特征及分类l研究方法研究方法与建模原则与建模原则l发展概况发展概况发展概况发展概况海洋生态系统动力学模型是受了海洋生态系统动力学模型是受了VolterraVolterra在在2020世纪早期世纪早期建立的生态学数学模型的启发建立的生态学数学模型的启发。1949 1949年年RileyRiley与著名的物理海洋学家与著名的物理海洋学家StommelStommel联合发表的联合发表的一个关于西北大西洋浮游植物动力学模型一个关于西北大西洋浮游植物动力学模型。20

12、20世纪世纪8080年代以来年代以来，在围绕大西洋北海和地中海生态研在围绕大西洋北海和地中海生态研究以及美国乔治亚海和日本若干海湾的生态研究中究以及美国乔治亚海和日本若干海湾的生态研究中，提出提出了几十个不同营养层次和类型的海洋生态动力学模型了几十个不同营养层次和类型的海洋生态动力学模型。进入进入2020世纪世纪9090年代年代，海洋生态系统研究异常活跃海洋生态系统研究异常活跃，并进并进入了强调入了强调“动力学动力学”,研究的时期研究的时期。现在现在，欧洲几国合作建立的北海生态系统模型欧洲几国合作建立的北海生态系统模型ERSEMERSEM已是已是第二代产品第二代产品。近年来我国在生态动力学模型

13、近年来我国在生态动力学模型的的研究研究吴增茂与俞光耀吴增茂与俞光耀、崔茂常崔茂常、魏皓魏皓、刘桂梅刘桂梅、乔方利等分乔方利等分别采用不同的模型对不同海域进行了研究别采用不同的模型对不同海域进行了研究 翟雪梅和张志南开发了生态建模软件翟雪梅和张志南开发了生态建模软件，比较成功的模拟比较成功的模拟了养虾池的生态演变过程了养虾池的生态演变过程 吴增茂与俞光耀等对胶州湾水体中营养盐浮游植物吴增茂与俞光耀等对胶州湾水体中营养盐浮游植物、浮浮游动物游动物DODO、POCPOC、DOCDOC等的周年变化作了较好的模拟再现等的周年变化作了较好的模拟再现崔茂常等对中国东海中心区域的简单的生态模型模拟了崔茂常等对

14、中国东海中心区域的简单的生态模型模拟了包括浮游植物包括浮游植物、浮游动物浮游动物、自养和异养细菌硝酸和自养和异养细菌硝酸和DOCDOC在在内各组分垂直分布的季节特征内各组分垂直分布的季节特征。海洋生态系统动力学模型的研究方法及建模原则海洋生态系统动力学模型的研究方法及建模原则建模和数值模拟研究中应遵循以下原则建模和数值模拟研究中应遵循以下原则 合适的空间和时间分辨率合适的空间和时间分辨率，既要进行物质平衡诊既要进行物质平衡诊断又要进行系统演变预测分析断又要进行系统演变预测分析 应避免使用应避免使用纯理论的概念化的东西纯理论的概念化的东西最好采用显式的手法与灵活的数学技巧最好采用显式的手法与灵活

15、的数学技巧生物量平衡和营养动力学的计算应以顶级捕食者生物量平衡和营养动力学的计算应以顶级捕食者开始开始，可将这些顶级捕食处理为系统的强迫函数可将这些顶级捕食处理为系统的强迫函数包括系统中的全部的基本生物学方面及其同环境包括系统中的全部的基本生物学方面及其同环境相互作用方面的组合相互作用方面的组合建模的过程大体上可归为以下几个步骤建模的过程大体上可归为以下几个步骤 确定模型结构变量及作用力确定模型结构变量及作用力选试生物过程的经验公式选试生物过程的经验公式 选择生物参数选择生物参数 验证稳定性和参数的敏感性验证稳定性和参数的敏感性海洋生态系统动力学模型的结构特征及分类海洋生态系统动力学模型的结构

16、特征及分类海洋生态动力学模型都具有非常复杂的结构特征海洋生态动力学模型都具有非常复杂的结构特征具有层次具有层次性性非线性动非线性动力学特征力学特征由于生态系统中各主要子由于生态系统中各主要子过程过程，如竞争如竞争、共生共生、捕捕食与被捕食等过程都具有食与被捕食等过程都具有非线性动力学的特征非线性动力学的特征，因因此也就决定了非线性过程此也就决定了非线性过程是生态动力学模型中的基是生态动力学模型中的基本的和主导过程本的和主导过程 生态系统各层次之间及生态系统各层次之间及系统内各界面间系统内各界面间，以及以及系统与环境间都存在着系统与环境间都存在着物质物质、能量和信息的交能量和信息的交换换，所以说

17、具有层次性所以说具有层次性是生态动力学模型的另是生态动力学模型的另一个基本特征一个基本特征生态系统动力学模型生态系统动力学模型（一）（一）一一二二三三过程模型过程模型个体模型个体模型、种群模型和种间模型种群模型和种间模型系统模型系统模型从涉及浮游动物不从涉及浮游动物不同研究层次来划分同研究层次来划分有如下几种模型有如下几种模型 生态系统动力学模型（二）从所研究生态系统的空间处从所研究生态系统的空间处种种理来划分有如下几模型理来划分有如下几模型箱式模型箱式模型箱式模型箱式模型三维模型三维模型三维模型三维模型一维模型一维模型一维模型一维模型二维模型二维模型二维模型二维模型模型举例 汉堡欧洲北海生态

18、模型汉堡欧洲北海生态模型汉堡欧洲北海生态模型（ECOHAMECOHAM）是一个三维的是一个三维的欧洲北海初级生产力模型欧洲北海初级生产力模型，是由汉堡大学海洋研是由汉堡大学海洋研究所近年来发展起来的究所近年来发展起来的，并已成功地进行了欧洲并已成功地进行了欧洲北海生态系统一年的初级生产力的模拟北海生态系统一年的初级生产力的模拟。欧洲北海生态模型结构欧洲北海生态模型结构模型基本方程模型基本方程式中式中：A A：浮游植物含量浮游植物含量 P P：磷含量磷含量 D D：底栖碎屑含量底栖碎屑含量 I I：水下光强水下光强 S S 浮游植物浮游植物沉降速度沉降速度（A Ax x A Ay y A Az

19、z）湍流扩散系数湍流扩散系数 PROD PROD：初级生产力初级生产力 RESP RESP：呼吸作用呼吸作用 DEAD DEAD：死死亡率亡率 GRAZ GRAZ：捕食率捕食率 UPTAUPTA：营养盐吸收营养盐吸收 RELE RELE：营养盐释放营养盐释放 REMW REMW：再矿化作用再矿化作用 EXCREXCR：排泄作用排泄作用 Q QUELUEL：河流输入河流输入 REMB REMB：底部再矿化作用底部再矿化作用 DETR DETR：碎屑物质沉降碎屑物质沉降 CHL CHL：叶绿素叶绿素 K K：消光系数消光系数海洋生态动力学的研究海洋生态动力学的研究处于初级阶段，是一个处于初级阶段，

20、是一个新兴的研究领域，会存新兴的研究领域，会存在哪些不足呢？在哪些不足呢？模型研究的不足之处模型研究的不足之处（一）（一）1 1 模型正向着结构愈来愈复杂的方向发展模型正向着结构愈来愈复杂的方向发展，即便如此即便如此，仍不能全面地反映实际海区中发生的主要过程仍不能全面地反映实际海区中发生的主要过程，尤其是生尤其是生态动力学模型的功能单位中极少包含鱼类态动力学模型的功能单位中极少包含鱼类，使得现有模型使得现有模型与生态系统的真实状况存在一定差距与生态系统的真实状况存在一定差距；2 2 海洋生态动力学模型与有针对性的现场观测和模拟实海洋生态动力学模型与有针对性的现场观测和模拟实验等工作是互相促进的

21、验等工作是互相促进的，由于后者数据匾乏由于后者数据匾乏，往往往往无法向无法向模型提供理想的参数模型提供理想的参数，降低了模拟结果的准确性降低了模拟结果的准确性，突出表突出表现在模拟结果仅能在某一时段内与实际值有良好吻合现在模拟结果仅能在某一时段内与实际值有良好吻合；3 3 理想的生态动力学模型在应用范围上应具有普遍性理想的生态动力学模型在应用范围上应具有普遍性，但是这一要求很难与现实性但是这一要求很难与现实性、准确性同时实现准确性同时实现；模型研究的不足之处模型研究的不足之处（二）（二）4 4 质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于“源源”、“汇汇”项项，

22、但是但是“源源”、“汇汇”的使用必然会显著地剥削的使用必然会显著地剥削动力学模型的功能动力学模型的功能，特别是它们的特别是它们的“自组织自组织”能力能力；5 5 传统的研究方法强调生物自身的循环系统传统的研究方法强调生物自身的循环系统，在某种程在某种程度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系。在省略了驱动生物分布和演变的物理环境场条件下在省略了驱动生物分布和演变的物理环境场条件下，过度过度地追求生物过程的完整性和与观测资料的拟合程度地追求生物过程的完整性和与观测资料的拟合程度，造成造成了这一学科的研究停滞不前了这一学科的研究停滞不前；6 6 传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用而过于强调生物过程自身的完整性而过于强调生物过程自身的完整性，虽然这类生态模型有虽然这类生态模型有助于对理想条件下生物自身循环过程的了解助于对理想条件下生物自身循环过程的了解，但由于缺少但由于缺少真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场的时空分布的时空分布。海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力！海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力！