王湘君,陳 文,杜 宇,黎 明,符家磊,王勝楠

(瓊州學(xué)院 a.熱帶生態(tài)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院;b.兩棲爬行動(dòng)物研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; c.食品學(xué)院; d.熱帶生物與農(nóng)學(xué)院;e.數(shù)學(xué)系, 海南 三亞 572022)

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基于數(shù)學(xué)模型研究三亞市區(qū)綠地生態(tài)破壞后蓋度恢復(fù)

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(xué)院 a.熱帶生態(tài)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院;b.兩棲爬行動(dòng)物研究省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; c.食品學(xué)院; d.熱帶生物與農(nóng)學(xué)院;e.數(shù)學(xué)系, 海南 三亞 572022)

用生態(tài)數(shù)學(xué)模型方法研究三亞市區(qū)綠地生態(tài)破壞后物種在自然狀態(tài)下蓋度恢復(fù)的程度、速度和難度.在某高校A的四塊區(qū)域選擇12個(gè)天然草地樣方,人為破壞樣方內(nèi)的全部表層植被,并使其自然恢復(fù).結(jié)果表明:15周以后,實(shí)驗(yàn)區(qū)域的物種蓋度基本恢復(fù)到破壞前水平;Logistic擬合曲線作為植物蓋度恢復(fù)的生態(tài)數(shù)學(xué)模型,擬合度均為0.999左右.

綠地生態(tài);自然恢復(fù);蓋度;數(shù)學(xué)模型

0 引言

生態(tài)學(xué)在自然科學(xué)中是一門年輕的學(xué)科,也是最有活力的學(xué)科之一[1].城市綠地生態(tài)系統(tǒng),復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的子系統(tǒng),具有生產(chǎn)能力和自我調(diào)節(jié)能力[2].數(shù)學(xué)模型常用于生態(tài)系統(tǒng)的研究過(guò)程中,可以通過(guò)綜合分析環(huán)境信息,定量刻劃生態(tài)系統(tǒng)功能(如完整性、穩(wěn)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(nèi)四塊天然綠地,建立蓋度恢復(fù)數(shù)學(xué)模型.

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn):2014年10月1日至2015年1月31日,在某高校A移動(dòng)與電信營(yíng)業(yè)廳、體育館足球場(chǎng)、學(xué)生宿舍公寓樓、行政大樓旁邊的天然草地,每個(gè)區(qū)域隨機(jī)選取3塊1m2作實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣方,每周測(cè)量一次參數(shù)變化.

實(shí)驗(yàn)方法:測(cè)出各樣方的蓋度等指數(shù)后,將樣方內(nèi)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(fù).蓋度測(cè)量采取拍照后,用CAD軟件輔助計(jì)算.

2 結(jié)果與分析

12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方破壞前的植物蓋度信息統(tǒng)計(jì)如下表1樣方破壞前,蓋度較高的植物有牛筋草、牽?；?、鴨跖草等.

表1 樣方破壞前的原初蓋度及植物種類

續(xù)表1

4個(gè)區(qū)域,12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方破壞后,連續(xù)16周記錄蓋度恢復(fù)信息,統(tǒng)計(jì)如表2.

表2 實(shí)驗(yàn)樣方蓋度恢復(fù)(%)

蓋度按照所選的四個(gè)區(qū)域來(lái)分析,以恢復(fù)周數(shù)為X軸,取每個(gè)區(qū)域內(nèi)的三個(gè)樣方每周蓋度的平均數(shù)為Y軸,繪制散點(diǎn)圖,添加擬合曲線.

2.1電信營(yíng)業(yè)廳區(qū)樣方恢復(fù)

運(yùn)用Origin7.5軟件,采用線性擬合、指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合、多項(xiàng)式擬合、乘冪擬合、Logistic曲線擬合等方法,建立數(shù)學(xué)模型,見表3.

表3 電信營(yíng)業(yè)廳區(qū)樣方蓋度恢復(fù)擬合數(shù)學(xué)模型

續(xù)表3

圖1 電信營(yíng)業(yè)廳區(qū)蓋度恢復(fù)的Logistic擬合曲線

由表3可知,Logistic曲線的擬合度超過(guò)0.999,故選擇此作為擬合曲線.由圖1得知,電信營(yíng)業(yè)廳綠地的蓋度在4-8周期間恢復(fù)速率較快;第6周為拐點(diǎn)周,對(duì)應(yīng)蓋度為40.5%,此時(shí)的恢復(fù)度為42.3%;9周以后恢復(fù)速率減慢,15周以后基本飽和.而此區(qū)域的初始平均蓋度為91.7%,蓋度恢復(fù)到破壞前的104.6%.

2.2 行政大樓區(qū)樣方恢復(fù)

同理,運(yùn)用Origin7.5軟件,采用線性擬合、Logistic曲線等方法進(jìn)行擬合,建立6種數(shù)學(xué)模型,見表4.

表4 行政大樓區(qū)樣方蓋度恢復(fù)擬合數(shù)學(xué)模型

圖2 行政大樓區(qū)蓋度恢復(fù)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(qū)草坪蓋度在5-7周期間恢復(fù)速率較快;其拐點(diǎn)周為第6周,對(duì)應(yīng)蓋度為51.9%,此時(shí)的恢復(fù)度為54.7%;9周以后恢復(fù)速率減慢,14周以后基本飽和.而此區(qū)域的初始平均蓋度為95.3%,蓋度恢復(fù)到破壞前的103.7%.

2.3 學(xué)生公寓區(qū)樣方恢復(fù)

同理,運(yùn)用Origin7.5軟件,建立6種數(shù)學(xué)模型,見表5.

表5 學(xué)生公寓區(qū)樣方蓋度恢復(fù)擬合數(shù)學(xué)模型

圖3 學(xué)生公寓區(qū)蓋度恢復(fù)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(xué)生公寓區(qū)草坪蓋度在4-8周期間恢復(fù)速率較快;其拐點(diǎn)周為第6周,對(duì)應(yīng)蓋度為36.8%,此時(shí)的恢復(fù)度為42.3%;9周以后恢復(fù)速率減慢,15周以后基本飽和.而此區(qū)域的初始平均蓋度為88. 7%,蓋度恢復(fù)到破壞前的101.4%.

2.4 足球場(chǎng)區(qū)樣方恢復(fù)

同理,運(yùn)用Origin軟件,建立數(shù)學(xué)模型,見表6.

表6 足球場(chǎng)區(qū)樣方恢復(fù)擬合數(shù)學(xué)模型

圖4 足球場(chǎng)區(qū)蓋度恢復(fù)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(shù)模擬合曲線.由圖4可知,足球場(chǎng)區(qū)草坪蓋度在4-7周期間恢復(fù)速率較快;其拐點(diǎn)周為第6周,對(duì)應(yīng)蓋度為37.2%,此時(shí)的恢復(fù)度為40.7%;10周以后恢復(fù)速率減慢,15周以后基本飽和.而此區(qū)域的初始平均蓋度為79.3%,蓋度恢復(fù)到破壞前的115.4 %.

3討論

通過(guò)建立某高校A四塊區(qū)域天然草坪蓋度恢復(fù)的數(shù)?？梢缘贸?對(duì)于乘冪擬合和指數(shù)擬合,都不適合;線性擬合和對(duì)數(shù)擬合的擬合度不算高,僅0.990;三項(xiàng)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(gè)區(qū)域的蓋度恢復(fù)過(guò)程非常相似,快速恢復(fù)期都在5-7周,Logistic曲線拐點(diǎn)都在第6周,此時(shí)對(duì)應(yīng)的蓋度為40%左右,恢復(fù)度為40-50%,平均45.0%.10周以后,恢復(fù)速度明顯減慢,此時(shí)對(duì)應(yīng)的蓋度為75%左右,恢復(fù)度為78-90%,平均84.0%.15周以后基本飽和,此時(shí)對(duì)應(yīng)的蓋度為92%左右,恢復(fù)度為101-106%,平均106.3%.

結(jié)合此前進(jìn)行的豐度恢復(fù)分析可以看出[4],豐度的快速恢復(fù)期主要在2-5周,拐點(diǎn)在第3周,而蓋度恢復(fù)的拐點(diǎn)在第6周;大約7周后,豐度恢復(fù)趨于平穩(wěn),而蓋度恢復(fù)須15周.豐度恢復(fù)明顯快于蓋度恢復(fù),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(jié)論

三亞某高校A的綠地樣方植被破壞后,植被未經(jīng)人為再次干擾,自然狀態(tài)下,15周以后蓋度基本恢復(fù)到破壞前水平.經(jīng)過(guò)16周,移動(dòng)與電信營(yíng)業(yè)廳、行政大樓、學(xué)生公寓宿舍區(qū)、體育館足球場(chǎng)旁的草坪恢復(fù)蓋度值分別為90.1%、86.1%、81.3%、78.5%,分別恢復(fù)到破壞前的104.6%、103.7%、101.4%、115.4%;其蓋度恢復(fù)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(yōu)度都高度接近1,故Logistic曲線作為蓋度恢復(fù)的相對(duì)生態(tài)數(shù)學(xué)模型,與豐度恢復(fù)模型曲線類型相同[4].

[1]Pielou E C. 數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)[M].盧譯愚，譯.北京:科學(xué)出版社,1988:2-35.

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[6]徐天華,馬麗蓉,帥維成.一類含擴(kuò)散時(shí)滯的生態(tài)模型的周期解存在與穩(wěn)定性[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,16(3):51-53.

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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(xiàng)目(2014YD31)三亞市區(qū)綠地生態(tài)破壞后恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型研究;動(dòng)物學(xué)海南省普通高等學(xué)校省級(jí)重點(diǎn)(扶持)學(xué)科資助(HNZ201502)動(dòng)物生存環(huán)境研究;瓊州學(xué)院校級(jí)青年教師科研基金項(xiàng)目(QZQN201444)

王湘君(1982-),女,重慶馬南人，瓊州學(xué)院熱帶生態(tài)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院副教授,南京師范大學(xué)生態(tài)學(xué)專業(yè)2015級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)、動(dòng)物學(xué).

陳文(1980-),男,重慶馬南人，瓊州學(xué)院食品學(xué)院副教授,碩士,研究方向?yàn)榛瘜W(xué).

X176

A

1008-6722(2015) 05-0086-05

10.13307/j.issn.1008-6722．2015．05．19