您好,欢迎来到化拓教育网。
搜索
您的当前位置:首页系统动力学软件STELLA在生态学中的应用

系统动力学软件STELLA在生态学中的应用

来源:化拓教育网
维普资讯 http://www.cqvip.com

华南师范大学学报(自然科学版) 2007年8月 JOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSITY 2007年第3期 Aug.2007 (NATURAL SCIENCE EDITION) No.3,2007 文章编号:1000—5463(2007)03—0126—06 系统动力学软件STELLA在生态学中的应用 成洪山 ,王 艳 ,李韶山h,孙儒泳 (1.华南师范大学生命科学学院,广东广州510631;2.暨南大学理工学院,广东广州510632) 摘要:计算机建模试验是生态学试验的一项重要内容,它有助于人们理解复杂的生态过程,培养系统 思考能力.系统动力学是一种描述并仿真复杂反馈系统的方法,适合解决生态学中多因子相互作用 问题.系统动力学建模工具STELLA软件因其功能强大、操作简便等特点,在国外已被广泛应用于生 态学及其它学科的教学和科研.在简要介绍系统动力学方法及其工具软件STELLA基础上,通过3 个应用案例——种群离散增长模型、臭氧损耗模型和大熊猫种群动态模型,说明系统动力学软件 STELLA在生态学中的应用. 关键词:系统动力学;STELLA软件;生态建模 中图分类号:Q331 文献标识码:A APPLICATIONS OF SYSTEM DYNAMICS SOFTWARE STELLA IN ECOLOGY CHENG Hong—shan。,WANG Yan’一,LI Shao—shah“,SUN Ru—yong (1.School of Life Science,South China Normal University,Guangzhou 5 1063 1,China 2.School of Science and En ̄neefing,Jinan University,GuangzhOH 510632,China) Abstract:Ecological modeling is an important part of ecological experiments.The modeling process can improve our understanding on complex system and our ability of system think— ing.System dynamics is a methodology to describe and simulate complex systems with lots of feedbacks,which generally exist in ecology wiht biotic—abiotic interactions.Owing to its extraordinary features,systems dynamics software STELLA is widely applied in ecology and other disciplines.Systems dynamics and its modeling software STELLA was briefly intro— duced in this paper.Using STELLA software.three typical ecological models——discrlete population increasing model,ozone depletion model and population dynamic model of giant panda——were established to explain the applications of STELLA software in ecology. Key words:system dynamics;STELLA software;ecological modeling 模型方法是人类认识和解决现实问题的有效手段之一,在各学科的教学科研中,模型模拟 收稿日期:2007—03—02 基金项目:国家自然科学基金(30200030,30470283,30370126,30670156)、教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留 [2005]383号)、广东省教育厅自然科学研究资助项目(Z02018) 作者简介:成洪山(1982一),男,湖北成宁人,华南师范大学2004级硕士研究生,Email:ola@vip.sina.com;李韶山(1967一), 男,安徽无为人,博士,华南师范大学教授,博士生导师,Email:lishsh@scnu.edu.cn. 通讯作者 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 成洪山等:系统动力学软件STELLA在生态学中的应用 127 试验法有越来越多的应用.然而研究表明,尽管计算机模拟法对理论与实践的发展都起到了 很大的促进作用,但人们对它的认识还远未达到应有的水平 . 生态学研究生物与环境的相互作用关系,微分(差分)方程(组)是描述研究对象动态行为 的一种基本形式.在教学过程中,一方面因大部分微分(差分)方程解析困难,而且解微分(差 分)方程需要有较好的数算能力,另一方面由于时间或条件的,许多模型不能通过常 规的生物学试验来验证,这使得学生难以掌握研究对象的动态变化过程,如何使学生深入理解 生态模型及其系统动态是生态学教学创新的重要方向.当研究对象较复杂、动态反馈过程较 多,特别是因子间的关系难以准确定量化时,常规的数学方程就难以描述研究对象的动态变化 过程,这就需要寻求一种解决多变量、有动态反馈关系的生态学问题的简便方法. 系统动力学(System Dynamics)是美国学者J.W.Forrester于1956年创立的一种研究复 杂系统动态行为的方法,它根据信息反馈的控制原理并结合因果关系的逻辑分析,描述系统 结构,模拟系统的动态行为 J.系统动力学适合解决具有动态反馈的系统问题,其理论与方法 已应用于工业、经济、生态、环境等诸多学科领域 .4 J.系统动力学建模工具STELLA。软件因 具备强大的建模环境和简便的操作方式,备受国外教学科研者的推崇 J,但在国内生态学教 学科研中却极少有应用.本文通过3个案例——种群离散增长模型、臭氧损耗模型以及大熊 猫种群动态模型,阐明系统动力学软件STELLA在生态学教学和科研中的应用,为国内生态学 教学创新和生态学研究提供参考. 1研究工具与建模方法 本文利用软件STELLA。(Ver 9.01)作为建模工具,软件购于其开发公司美国Iseesystems 公司.STELLA软件操作简便,建模基于图标对象,有功能强大的输入输出、导航演示、错误检 查、调试验证等功能,是系统动力学建模的理想工具 J. 运用系统动力学方法解决具体问题是一个反复循环、逐渐深化的过程.本文建立的案例模 型都遵循系统动力学建模的基本步骤 ,即:(1)系统分析;(2)结构分析;(3)建立规范的变 量关系式;(4)模型模拟;(5)模型检验与评估. 2 STELLA软件在生态学上的应用案例 2.1增长率随种群大小而变化的离散增长模型 世代不重叠,具密度效应的种群离散增长模型 可表示为: N +l= Ⅳ =[1.0一B(Ⅳ 一Ⅳ。。)]Ⅳ , (1) 式中,Ⅳ 指£时刻的种群密度, 指周限增长率,Ⅳ。 指种群平衡密度,B指种群密度偏离单位平 衡密度时 改变的比例.设初始值No=10,N。 =100. 式(1)用STELLA软件建模表示(如图1).新的种群密度值Ⅳ…(图1中变量New densi. ty)由原种群密度值Ⅳ (图1中变量previous density)迭代计算,状态变量Population density把 值传递给变量Previous density,并将变量New density传来的值作为新值.改变B的取值可研 究种群的动态行为. 维普资讯 http://www.cqvip.com 128 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年 图2表示变量 不同取值时种群密度的变 化.可看出, 取值不同,种群表现不同的动态趋 势:B=0.008时,种群逐渐趋于平衡,不产生振荡 (图2a); =O.015时,种群表现为趋向平衡点的逐 Population density 渐减幅的振荡(图2b); =0.022时,种群表现为趋 图1 种群离散增长模型的S LLA图示 向稳定无限的周期性振荡(图2c);B=0.03时,种 群表现为杂乱无章的波动(图2d). 形式简单的种群模型,当参数取值不同时,种 群呈现出多种变化趋势,可见反馈系统中系统动 态的多样性.理论生态学家May研究式(1)得出 结论是 ・ 。的值决定了种群的动态趋势,当 日・Ⅳ。。的值在4个不同的取值区间时,分别产生 图2所示的4种变化趋势 J.虽然运用差分方程 稍 的相关理论可以求解这些区间并得到不同区间的 嚣 变化趋势,但求解过程是复杂的,求解者需要有深 厚的数学理论知识和数算能力.用STELLA ∞加∞们0∞加∞们0∞加∞们0∞加∞们 软件建模模拟,可以快速改变初始参数,得到不同 参数下的种群动态,经过这样的调试就能找到不 同动态趋势的初值区间.用STELLA软件建模求 解操作简便,可以避开人工求解的繁杂计算,有助 于激发学生的学习兴趣.学生在建模过程中加深 对模型的理解,验证了课本的结论,也提高了系统 思考能力.总之,生态学教学中开展sTEuA软件 建模试验能提高教学质量,是生态学教学模式的一种创新. 2.2臭氧损耗模型 地球表面同温层的臭氧层可以保护地球生物免受紫外伤害,但随着2O世纪3O年代开始 CFCs的大量使用,臭氧层受到了极大的破坏,南北极臭氧空洞的相继发现及其他地区臭氧减 少的研究证据使臭氧层损耗问题在近3O年来一直是全球环境问题的焦点之一 9’ J.CFCs破 坏臭氧层的机理是CFCs所产生的氯离子促进了臭氧分子向氧气分子的转化,可简要表示为: Cl・+O3 ClO・+O2,C10・+O・ Cl・+O2 运用STELLA软件建立CFCs破坏臭氧层的系统动力学模型见图3,通过模拟试验研究削 减CFCs排放量对臭氧恢复的作用.生产的CFCs物质在使用过程中释放到大气,经过一定时 间上升到同温层,在同温层电离出cl离子.臭氧与氧气的相互转化本来是一种动态平衡过程, 但由于cl离子的作用,加速了臭氧向氧气的转化,臭氧量减少,甚至会在某些区域产生空洞. 图4所示的是1987年后不同CFCs释放量对臭氧总量的影响.可以看出,减少CFCs释放 量对臭氧层的恢复有重大作用.如果没有执行1987年的《蒙特利尔条约》,臭氧层将在短时间 内急剧减少,而且不可恢复;如果1987年后逐年削减3%,臭氧量也会在以后的几十年内急剧 减少.在21世纪六七十年代达到最低点,但随后又可以逐渐恢复,在21世纪末才可恢复到原 来水平;如果每年削减5%,即在201O年以前完全停止CFCs的使用,臭氧含量也要经过一个 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 成洪山等:系统动力学软件STELLA在生态学中的应用 C 图3臭氧耗损的简单STELLA图示 逐渐减少的过程,大约需要在21世纪8O年 代才能恢复到1970年的水平.从模拟结果可 以得出结论,臭氧层的恢复对CFCs削减策略 的响应有一段时间的滞后,因为CFCs从生 产、使用、释放,再上升到同温层电离出cl离 子破坏臭氧层需要一定的时间,而且Cl离子 在同温层有很长时间的存活期,所以从CFCs 的停止使用到臭氧的完全恢复需要几十年的 时间.《蒙特利尔条约》后来经过多次修订,提 图4 1987年后不同CFCs削减比例条件下的臭氧量 前了完全停止排放CFCs的时间期限,这对臭 氧层的尽早恢复有着重要意义. 2.3 STELLA软件在大熊猫种群变化趋势预测中的应用 大熊猫是我国特有珍稀濒危动物,有“国宝”和“活化石”之称,它的生境和种群动态一直 是研究热点¨ J.文献¨ 利用野外调查数据推算出不同年龄种群的出生率和死亡率,再运用 Leslie矩阵预测1978~201 1年“五一棚”大熊猫种群动态变化.本文参考文献_】 中数据(表 1),用STELLA软件建立大熊猫种群动态模型(图5):将大熊猫种群按年龄段划分为9组,每 3年1组,每组种群数量用Convoyor型状态变量表示;由于生境、自然死亡等原因,每年龄组的 大熊猫只能以一定的存活率转移到下年龄组.其中,第1组、第2组因年龄太小,第8组、第9 组因年龄过大不能繁殖,故只有第3、4、5、6组的大熊猫有繁殖能力,新增大熊猫数量等于有繁 殖能力的4组大熊猫产仔之和. 表1 五一棚区大熊猫种群结构 图6是模拟得出的1978~2014年“五一棚”大熊猫种群动态.结果显示,“五一棚”大熊猫 种群比较稳定,种群变化极慢,2014年 ̄1",1978年增加了15只,1981年g1]1989年间,种群有一 维普资讯 http://www.cqvip.com 华南师范大学学报(自然科学版) 2007年 图5大熊猫种群动态的STELLA模型 个下降过程,其原因是1978年种群结构不合 理,经过一段时间种群结构调整,从1990年 以后种群稳步缓慢增长. 用STELLA软件建立的大熊猫种群动态 模型能直观地描述大熊猫的生命周期和种群 动态,获得结果与I_eslie矩阵计算结果一致. 图5所示模型非常直观,大熊猫按其生命过 程从上个年龄组转到下一年龄组,各个年龄 组可以根据实验数据设定出生率和死亡率, 4 年份 图6 1978~2014年大熊猫种群动态预测 建模者不需要理解I_eslie矩阵.而且,研究时可以在模型运行过程中改变出生率、存活率参数 来反映环境变化对种群的影响,也可以引入随机的环境参数使生态过程更符合实际情况,而这 些是I_eslie矩阵难以做到的. 3 小结 本文用STELLA软件建立了3个生态学模型,通过模拟运算解决了所研究的问题,操作简 单、表现直观、易于理解,显示出STELLA软件模拟试验法在处理生态学问题上的优越性.用 STELLA软件模拟计算种群的离散增长趋势,可避开常规人工求解的繁杂计算,仅需改变初值 就能研究多样性的系统动态,有助于激发学生的学习兴趣,提高教学效果;臭氧损耗模型简单 地表示出CFCs的削减排放对臭氧层恢复的重要意义;用STELLA软件建立模型来计算大熊猫 种群动态比用Leslie矩阵计算要直观,容易理解,而且可以在模型运行过程中改变参数来反映 环境变化对种群结构的影响. 随着计算机应用的日益普及,生态学中计算机模拟方法的引入已经越来越受到重视.系统 动力学建模将给生态学教学科研带来极大的帮助.在教学过程中引入系统动力学模拟试验, 有利于激发学生的学习兴趣,培养学生的系统思考能力,能有效提高生态学的教学质量和教学 效果;生态学科研中的运用系统动力学方法,有助于分析复杂的系统动态,并能模拟不同条件 下的系统的响应过程,能给生态学研究带来极大的便利.系统动力学STELLA软件凭借其强 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 成洪山等:系统动力学软件STELLA在生态学中的应用 131 大的建模功能及简单易用性,在我国生态学研究的应用将具有广阔的前景. 参考文献: [1]DENNING P J.Computing the profession[C]∥Greening T.Computer Science Education in the 21 st Century. New York:Springer,2000:27—46. [2] FORRESTER J W.From the ranch to system dynamics:An autobiography[c]∥BEDEIAN A G.Manage— ment Laureates:A Collcteion of Autobiographical Essays.Greenwich:JAI Press。1992:343—369. [3]GERTSEVA V V,SCHINDLER J E,GERTSEV V I,et a1.A simulation model of the dynamics of aquatic maeroinvertebrate communiites[J].Ecol MOd,2004,176(1):173—186. [4]HIGGINS S I,TURPIE J K,COSTANZA R,et a1.An ecological economic simulation model of mountain fyn— bos ecosystems dynamics,valuation and management[J].Ecol Econ,1997,22(2):155—169. [5] COSTANZA R,GOTrLIEB S.Modelling ecological and economic systems with STELLA:Part II[J].Ecol MOd,1998,112(2):81—84. [6] RICHMOND B.An Introduction to System Thinking[M].Lebanon:Iseesystems Inc,2004:3—44. [7]王其潘.系统动力学[M].修订版.北京:清华大学出版社,1994:25—27. [8]孙儒泳.动物生态学原理[M].北京:北京师范大学出版社,2003:173—330. [9] FAR.MAN J C,GARDINER B G,SHANKLIN J D.Large losses of the total ozone in Antarctica erveal seasonal C1Ox/NOx interaction[J] Nature,1985,315:207—210, [10]BRUNE W H,TOOHEY D W,ANDERSON J G,et a1.In situ observations of CIO in the Arctic Strato- sphere:ER一2 aircraft results from 590N to 800N latitude[J].Geophys Res etLt,1990,17(4):505—508. [11]严旬.野生大熊猫现状、面临的挑战及展望[J].兽类学报,2005,25(4):402—406. [12]袁重桂,胡锦矗,孙儒泳.大熊猫具时滞的种群离散增长模型[J].四川师范大学学报,1997,18(2):85 —89. [13] 夏武平,胡锦矗.由大熊猫的结构看其种群发展趋势[J] 兽类学报,1989,9(2):87—93. 【责任编辑成文】 (上接第ll4页) [6]黄忠良,曹洪麟,梁晓东,等.不同生境和森林内薇甘菊的生存与危害状况[J].热带亚热带植物学报, 2000,8(2):131—138. 7] 咎启杰,王勇军,王伯荪,等.外来杂草薇甘菊的分布及危害[J].生态学杂志,2000,19(6):58—61. 8] 冯惠玲,曹洪麟,梁晓东,等.薇甘菊在广东的分布与危害[J].热带亚热带植物学报,2002,10(3):263. 9] 周先叶,咎启杰,王勇军,等.薇甘菊在广东的传播及危害状况调查[J].生态科学,2003,22(4):332. 1O 11 张炜银,王伯荪,廖文波,等.外域恶性杂草薇甘菊研究进展[J].应用生态学报,2002,13(12):1684. IPOR I B,PRICE C E.The effect of shade on uptake,translocation,distirbution and activity of imazapyr on Mikania micrantha H.B K [J].Journal Plant Protection in the Tropics,1992,9(2):161—168. ke,taranslocation and activity of paraquat on Mikania micrantha H.B.K.grown [12] IPOR I B,PRICE C E.Uptin diferent light conditions[J].International Journal Pest Management,1994,40(1):0—45.4 昝启杰,王勇军,梁启英,等.几种除草剂对草薇甘菊的杀灭试验[J].生态科学,2001,20(1,2):32. 王勇军,昝启杰,王彰九,等.入侵杂草薇甘菊的化学防除[J].生态科学,2003,22(1):58—62. 黄华枝,赵京斌,黄炳球,等.3种苯氧羧酸类除草剂草防除薇甘菊药效研究[J].华南农业大学学报: 自然科学版,2004,25(1):52—55. [16] 管东生.山坡地草本、灌木群落的植物能量生产[J].应用生态学报,2001,12(3):374—378. 【责任编辑成文】 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- huatuo9.cn 版权所有 赣ICP备2023008801号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务