应用线性规划模型研究湿地生态系统健康问题—以福田红树林湿地为例

(吉林师范大学，吉林 长春 130012)

0 引 言

深圳福田红树林湿地位于深圳湾北部。该自然保护区位于北纬22°30’ - 22°32’，东经113°56’ - 114°3’之间，总面积约为3.68平方公里，是我国现存的唯一一个处于城市腹地的国家级自然保护区，同时也是我国目前占地面积最小的红树林湿地保护区。30年的时间里，深圳经济迅速发展，环境污染和城市扩张对该湿地生态系统产生了巨大的影响。[2]高大的建筑物阻碍了鸟类的迁徙、水污染导致了鱼虾的大量死亡，红树林湿地面积日益减少、海床逐渐上升、虫害频繁爆发，该生态系统的健康问题日益引发关注。因此，从健康预警的角度预测红树林湿地的生态发展趋势极其必要。

1 应用线性规划研究福田红树林湿地生态系统健康问题

针对红树林湿地生态系统问题，应用线性规划模型，分析过程如下：

1.1 模型假设与约定

1)假设在短期内把福田红树林湿地生态系统看作一个独立封闭的系统，不考虑自然灾害、战争、传染病，鸟类迁徙等可能导致物种数量急剧变化的因素；

2)假设忽略气候变化如气温、降雨量、太阳辐射量等因素对该生态系统的影响；

3)假设不考虑空间对红树林种群的限制；

4)假设该生态系统的能量流动、物质循环和信息传递短期内相对稳定，总输入与总输出是相等的；

5)xt是本地植物和昆虫两种群在时刻t的数量；

6)r是它们的固有增长率；

7)N是该生态系统环境资源容许的种群最大数量。

1.2 建立线性规划模型

1.2.1 红树林湿地生态系统群落结构

将鸟类数据用MATLAB进行拟合I得：

二次拟合函数f2=-6.2841e-13x2-1500x+6500三次拟合函数f3=6.1972e-13x3-5.0219e-

12x2-1500x+6500

七次拟合函数f7=-6.7956x7+38.9088x6-

205.8812x4+5173.768

将浮游植物的种类组成数据用MATLAB进行拟合II得：

二次拟合函数f2=-4.7857x2-19227.0714x+

19311522.9165

三次拟合函数f3=4.5833x3-27642.308x2-

570631.2919x+3723879.5834

七次拟合函数f7=-1.4463e-16x7+5.8104e-

13x6-5.8358e-10x5

将大型底栖动物的种类组成数据用MATLAB进行拟合III得：

二次拟合函数f2=-0.125x2-1.2841x+7.85

三次拟合函数f3=0.049534x3-0.94231x2-

5.0536x+3.6

七次拟合函数

f7=0.0026436x7-0.097819x6-1.4576x5-

11.2108x4+47.4387x3-109.145x2+

126.1566x-46.6

由函数解析式及其性质可知，红树林湿地本地物种数量呈下降趋势。

1.2.2 红树林湿地生态系统生物安全性

将害虫对本地植物的危害程度用MATLAB进行拟合IV得：

二次拟合函数f2=0.49943x2-5.2859x+45.9977三次拟合函数f3=0.10563x3-1.5604x2+

5.8584x+31.5788

七次拟合函数

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

24.9197x4-135.8179x3+399.3549x2-

565.519x+319.4061

将昆虫数量用MATLAB进行拟合V得：

二次拟合函数f2=97.2321x2-1718.4393x+

7717.3786

三次拟合函数f3=2.0278x3+39.4405x2-

1179.6587x+6076.0952

七次拟合函数

f7=0.049733x7-2.3705x6+44.604x5-

412.8504x4+1873.4917x3-3319.1659x2

综上，可以看出：害虫的数量呈上升趋势，昆虫的数量呈J型增长，对本地植物的危害逐渐增大，也将不利于该生态系统的稳定性。

1.3 福田红树林湿地生态系统稳定性分析

上文为研究福田红树林湿地生态系统的物种数量变化趋势建立了线性规划模型，得出该系统物种数量呈下降趋势而害虫和昆虫数量却呈上升趋势。为了探究该生态系统的植物和昆虫两个种群相互竞争的结局，即t趋于无穷时x1t，x2t的趋向，下面对它的平衡点进行稳定性分析[3]。

解代数方程组

得到4个平衡点：

因为平衡点只有位于平面坐标系的第一象限时x1,x2≥0才有实际意义，所以对P3而言，要求σ1，σ2同时大于1.

于是，按照判断平衡点稳定性的方法，进行如下计算：

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

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

将4个平衡点p，q的结果及稳定条件列入表1.

表1 种群竞争模型的平衡点及稳定性

由于1.2中所建立的线性规划模型中简化了红树林湿地生态系统的现存问题，只计算了标志性物种，导致结果存在些许误差。通过上述对于该生态系统的稳定性进行的定性分析可知，该生态系统确实存在不稳定性。

2 结 论

根据上述模型的求解过程和结果分析，红树林湿地生态系统本地物种如植物的数量呈下降趋势，而昆虫、害虫的数量显著增长，对当地植物的危害呈上升趋势，这严重危及到该生态系统的稳定性。

研究表明，福田红树林湿地生态系统的健康状况不容乐观。因此，有必要建立一个健康预警系统对该生态系统进行监测[4]，便于对该生态系统遭到威胁时提前发出预警。适当完善相应的红树林湿地保护制度，形成上下联动的湿地生态系统保护修复机制。此外，充分发挥相关专家的理论和实践经验储备对红树林湿地进行恢复也尤为重要。

参考文献:

[1] 丑庆川.福田红树林湿地生态系统EWE模型的构建[J].2013年环北部湾高校研究生海洋论坛,2013(9).

[2] 胡涛.深圳湾红树林健康评价与结构调控后自然恢复状况的研究[D].深圳大学,2016.

[3] 姜启源,谢金星.数学模型[M].(第四版)北京:高等教育出版社,2011.

[4] 张伟科.福田红树林自然保护区湿地生态系统动态监测模型[J].科技展望，2015,25(23).

[5] 付强,李伟业.平原沼泽湿地生态承载能力综合评价[J].生态学报,2008(10).

[6] 上官修敏,韩美,王海静,等.中国湿地生态健康评价研究进展[J].山东师范大学学报(自然科学版),2013(2).

[7] 陈展,尚鹤,姚斌.美国湿地健康评价方法[J].生态学报,2009(9) .