2009 ICM: 在模型跨学科的竞赛
构建食物系统: 重新平衡被人类影响的生态系统
背景
仅有不到1% 的海底被珊瑚覆盖.。然而, 这里却支持着25%的海洋生物多样性。因此，环保主义者非常关心珊瑚的消失, 因为随之而来的是这些区域中生物多样性的消失。
考虑位于菲律宾共和国的一个狭窄的通道区域，它位于吕宋岛和Bolinao 和Pangasinan的圣地亚哥岛之间，这里过去长满了珊瑚礁并且支撑了一个巨大的生物种群(如图1).。在上世纪90年代中期，由于商业化虱目鱼(Chanos chanos)养殖的引入，这一区域的生物多样性戏剧性地减少。现在海域底部大部分都被淤泥覆盖, 曾经这里生活着大量的珊瑚，自从珊瑚被埋葬以后, 由于过度的捕捞和缺少野生鱼的栖息地，现在已经很少有野生鱼出没了。然而鱼是当地居民的重要食物来源, 寻找新的方法来使得自然生态系统继续繁荣是关系到人民生活的重要事情; 也就是要, 建立一个混养系统来代替现有的虱目鱼单养系统。最终的目标是要发展一系列水产养殖方法，利用这些方法不但可以经济、科学地支撑当地居民的生活，而且同时可以改善当地的水质，特别是使得珊瑚礁能够重新占据海底，与水产养殖业共存。
理想情况下的混养方案是多种生物混养在一起，一些生物的排泄物恰好是另外一些生物的食物。例如, 鳍--鱼的排泄物能被滤食性动物吃掉，鱼和滤食性动物排泄的过度养料能被藻类吸收, 这些藻类也可以当做食物或商业副产品销售。这不仅会减少鱼养殖中向周围水体排放的富营养物质，同时也通过利用养鱼产生的大量副产品（贻贝，海带等）来增加农民的收入。
就建模的目的而言，生物多样性环境中的主要动物生物体可细分为肉食性鱼类（脊索动物门，亚脊椎亚门）;草食性鱼类（脊索动物门，亚脊椎亚门）;软体动物（如贻贝，牡蛎，蛤，蜗牛等，软体动物门）;甲壳类动物（如蟹，龙虾，藤壶，虾等，节肢动物门，甲壳动物亚门）; 棘皮动物（如星鱼，海参，海胆等; 棘皮门 ）和藻类。根据供养种类，有初级生产者 （光合作用生产者 ，如单细胞藻类，浮游植物，藻青菌或多细胞藻类; 滤食性动物（株浮游生物，有机颗粒，部分水中微生物）;沉积性动物（吃泥土和消化其中的有机分子和养分）;食草动物（吃初级生产者）;和捕食性动物 （如食肉动物）。正如在陆地上，大多数食肉动物吃食草动物或小一些的肉食动物，在海洋中它们也吃滤食性动物和沉积性动物。大多数动物的生长效率只有10-20 ％ ，所以他们摄入的80-90 ％的食物最终会以不同的形式释放出来，有些作为热量散发出来，有些是排泄物。在这一生物多样性的环境中，珊瑚的作用主要是划分空间，并通过让大量生物各自在一个狭小空间内获得适宜生存的环境，来使物种能够集中共存，就像在城市中的高层建筑里一样。珊瑚还可以进行一定的滤食，这有助于水的净化。一个海域支持珊瑚的能力，取决于许多因素，其中最重要的是水质。例如，在Bolinao，当每毫升海水中含有50万至100万微生物，以及每升海水中含有0.25ug叶绿素（大量浮游植物的替代物）时，珊瑚就能够生存繁殖。目前养殖区的水平是每毫升一千万微生物和每升15ug 叶绿素。虱目鱼养殖所产生的过剩营养使得海藻快速增长，阻止了珊瑚的生长，由于虱目鱼养殖所产生的颗粒流入，降低了珊瑚进行光合作用的能力。因此，在珊瑚幼虫能够生长之前，必须保持适当的水质。对珊瑚的其他威胁还包括大气中二氧化碳的增加、海洋酸度上升，以及全球变暖、海洋温度上述所导致的珊瑚礁退化。这些因素可被视为第二等的威胁，在本问题中不予考虑。
问题陈述
本问题的任务是设计一个可行的混养系统，以取代目前单一的虱目鱼养殖，从而根本改善水质，让珊瑚幼虫得以在该地区生长。你的混养计划无论在短期还是在长期，都应是有经济效益并适合环境。
1. 建立进行养殖之前的Bolinao珊瑚礁生态系统模型
建立一个完整的珊瑚礁食物链模型，其中包括作为唯一捕食性鱼类的虱目鱼，一种草食性鱼类（由你选择），一个软体动物物种，一个甲壳类物种，一个棘皮动物物种，和一个藻类物种。确定每个物种你认为合理的数量;表明你的引用来源或显示你在得出物种数量时进行的估计。 阐述你的模型，说明每个物种如何与其他物种相互作用。说明你的模型如何预测水质的稳定状态，该水质能够保证珊瑚的持续健康生长。如果你的模型不能得出足够高的水质，然后调整每一个物种的数量，直到你取得令人满意的水质水平，要清楚说明对哪个物种的数量进行了调整，以及为什么这种调整是合理的。
2.为目前Bolinao单一养殖虱目鱼建模
A 首先，如果虱目鱼养殖抑制了其他物种，调查其后果。通过（设置下列物种种群数量为零）删除所有食草鱼类，软体动物，甲壳动物和棘皮类动物来开展调查。设置所有其他物种种群数量与上述完整模型中的种群数量一致。鉴于你已排除虱目鱼的天然食物供养，你需使用常数项来模拟渔民喂养箱式虱目鱼；用该常数项来保持建模平衡。由此，模型预测什么样水质定态？水质是否符合珊瑚种类的可持续健康生长？比较并描述你的结果与观察资料的关系、
B 虱目鱼养殖并未完全抑制其他物种，同时水质也可能没有Part 2a所显示得那么糟糕，然后通过再次引入所有删除在外的物种并在水质符合博利瑙观测结果时，利用你的模型来模拟博利瑙现状。比较现有物种种群数量和在博利瑙观测到结果，讨论如何调整模型来才能使你预测的种群数量预测接近所观测到的数量。
3.对在Bolinao混养的修复作用进行建模
现在你需要用一种混养来代替当前的单一养殖，寻求要让水足够的清澈，这样你在第一部分中建模的最初的礁生态系统能够不在人类的帮助下重新建立自己。这个想法是想要引入一套相互依靠的物种，例如，不管乳香鱼渔民投放什么饲料，他/她的养殖业的组合都将完全使用，这样就不会有任何或者只能是最少的废屑料营养物和颗粒物（饲料和粪便）沉淀到下面的新生的礁栖息地。并且，你要从这个多培养物中寻求商业性的收获可食用的生物，这样才可以给人类提供食品并增加价值。
a. 培养一种商业化的混养来修复Bolinao的生态.
从2b中的你的“当前的”养殖箱模式，并且给它引进额外的物种，这样既可以帮助清洁水质，又可以产生有价值的、可以收获的生物。例如，你可以用贻贝，牡蛎，蛤蜊或者其它的有经济价值的滤食动物等的养殖箱来进行排列，这样来去除乳香鱼的一些废物。经济上有价值的水藻在靠近水面（只要有足够的光线）的养殖箱的各个侧边上可以生长，并且有些水藻可以给一些小型的食草鱼提供食物，而这些食草鱼又可以给乳香鱼提供食物。要求清楚的展示你的模型以及它的稳定状态的数目。
b.报告你的模型的产量。
你对什么进行了优化？设置了哪些约束，为什么要这样设置？你的模型产生的水质如何？你的模型能有多大的产量，经济价值有多少？进一步提高水质将有多少花费？换而言之，在最理想的情况下，每提高一个养殖箱单位的水质，需要花费多少美元？
4. 科学： 讨论供人食用的每一物种的产量。我们怎么使用你的模型来预测和理解供人食用的收获？是不是捕获的食肉鱼数量和收获的海藻数量一样重要所以我们只需要努力最大化收获的重量？还是我们要区分价值（用收获的每一物种的价格来衡量）以至于我们需要努力最大化收获的价值？抑或需要用收获的总价值减去虱目鱼饲料成本来最大化总价值？我们是否要把食用生物价值质定义为每种收获物种的总价值减去虱目鱼饲料成本？
5. 最大化总体收获的价值：现在我们希望保持一种在可以接受的（最大化的）水质和获得高价值可出售（因为可以使用和出售的副产品都是可以用来最大化价值的方法）生物质之间的平衡关系。在模型中这些可供人类食用生物质来源于一切物种。请改变你的模型来从每种物种中获得固定产量。你能获得的生物质（以上定义的）价值以及相对应的水质是多少？请尝试不通收获策略与不同水平的虱目鱼饲养量（总是选择让你的模型保持平衡的价值），同时牢记把水质作为一个收获价值功能。哪个策略是最佳的，什么是最佳的收货？
6. 要求采取行动
给太平洋海洋渔业委员会的主席写一篇资料论文，要综述你在生物多样性和用于珊瑚生长的水质之间关系的发现。包括用于像Bolinao地区的修复战略，以及实施的时限。展示你在第五部分中的最优化收获/饲养战略，以及具有说服力的证明，并且说明建议的渔业/收获指标来支持你的计划。通过展示你的计划中的收获价值的比例与当前的Bolinao地区的收获价值的比例来表明你的战略的杠杆作用。从生态角度来讨论实施你的混养系统的赞成和反对的理由。
www.wiki.pei
补充信息：
图一：图中所示Bolinao区域和在水质分析（表格1和2）取样地点。图中地点A和B 的珊瑚礁完全健康。然而地点C的珊瑚礁已经退化。此时地点D仍有少量珊瑚礁存活，但绝大部分的珊瑚礁和藻类已经死亡。而且在该区域的鱼类笔下方根本没有活的珊瑚。在鱼类笔投放的海峡，渔民使用的鱼箱体积大致为10M*10M*8M，每个鱼箱的鱼密度为~50000条，每公顷10个鱼箱。
以下表格中的数据容易搜到。从你自身目的出发这些数据可能不够。这些数据只是为了提供一些让你如何开展的样例提示。你应该使用你自己能找到的最适合和完整的数据。
地点取样水质特征：
表格1
地点
| 溶解的有机碳（DOC）
（uM）
| 总氮
（溶解的，uM）
| 叶绿素
（ug/L）
| 颗粒有机碳
（POC）
（ug/L）
| 总氮
（颗粒，ug/L）
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| 鱼类笔
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不同水域微生物丰度和微粒特性
表2 Bolinao水域菌类和微粒丰度
水域
| 类似病毒的微粒丰度（#/毫升）
| 非寄生菌丰度（细胞/毫升）
| 寄生菌丰度（细胞/毫升）
| 寄生菌占总数的百分比
| 每毫升微粒的数量（微粒尺寸大于3微米）
| 微粒平均大小（微米2）
| 腐质
| 浮游植物细胞数
| A
| 1.0±0.07 x
107
| 5.4±0.3 x
105
| 5.3±2.2 x
102
| <0.1
| 3.4±0.2 x
103
| 2
| 42.7
| B
| 0.8±0.04 x
107
| 4.2±0.6 x
105
| 3.9±0.6 x
102
| <0.1
| 4.4±0.2 x
103
| 2
| 19.7
| C
| 1.7±0.1 x
107
| 3.0±0.04 x
105
| 113.7±3.6 x
102
| 3.7
| 9.6±0.8 x
103
| 2
| 65.8
| D
| 7.0±0.3 x
107
| 6.1±0.6 x
105
| 144.5±5.6 x
102
| 2.3
| 14.4±0.1
x 103
| 2
| 576.1
| 养鱼箱
| 6.1±0.7 x
107
| 9.9±0.3 x
105
| 583.2±28.1
x 102
| 5.6
| 11.3±0.5
x 103
| 2
78.4±5.5 x 10
| 280.8
|
生物体信息
生物体
| 营养类型
| 进食对象
| 进食量
| 排泄物
| 捕捞价值
| 遮目鱼 (data
from Homer et al. 2002)
| 肉食类
| 鱼饲料或小鱼
| 在养鱼箱内:
6.58kg/m2 的养鱼箱/ 5月
| 242–493 g干重的沉渣/ m2/天. 沉渣的10%是碳，
0.4%是氮
, 以及
0.6%
磷 (百分比指的是干重)
| 1，278美元/公吨(from
Agribusiness
Weekly)
| 食草鱼 (Siganus doliatus, a
rabbit fish, used as
representative)
| 草食类
| 大型藻类
(肉质藻)
| ~18–22 cm3
的藻类物质/ m2
的珊瑚礁/
月 (from
Fox &
Bellwood
2008)
|
|
| 甲壳类动物和片足动物
(data averaged over one crab
(Menaethius
monoceros)
and one amphipod
(Cymadusa
imbroglio) from
Cruz-Rivera & Paul 2006)
| 草食类
| 大型藻和蓝藻
| ~10–20mg
湿重食物/个体
/天
|
| 各种可食甲壳类动物的价值可以通过公众来证实。
| 软体动物
(Averaged over
5 species of mussels and
oysters from
Hawkins et al.
1998)
| 滤食类
|
直径1–16um 的微生物
| 他们过滤5-7L水/小时的微粒并吸收
4–15mg 有机物/克无水软组织(动物尺寸标准)/小时
|
| 各个物种的捕捞价值在网络上也可以找到
| 棘皮动物
(urchin,
Tripneustes gratilla, from
the Philippines
as representative.
Data from Dy
et al. 2002)
| 草食类
| 肉质藻
| ~0.05 g 湿重藻类/g 干重海胆/ 小时
每个海胆的平均重量是
6.9 g
| 0.2–11.5mg
干重粪便/g 干重海胆
|
| 海藻 (Yokoya
and Oliveira
1992)
| 初级食物生产者
| 阳光，二氧化碳，氮和磷
| 依据温度, 经济上很重要的红藻可以在最短2.8天(Hypnea
cornuta)最长50天(Pterocladia capillacea)的时间内将其重量(湿重) 翻番
| 这些有机体能够以可溶有机碳的形式排出多余的光合作用产物，但很难计算其数量。只要记住这个过程在你思考第六部分的生态前景时会出现就可以了。
|
|
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狗仔卡
发表于 2009-2-5 20:11
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