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夏永秋
最近几年,我一直在研究土壤水分植被承载力过程模型,该模型耦合了分布式水文模型和生物地球化学模型,通过改进对分区间迭代算法,求得土壤水分所能维持的最大植物量,这在我以前的博文中从不同角度都有描述。现在,土壤水分植被承载力模型(Soil Water Carrying Capacity for Vegetation,SWCCV)已经基本上能独立运行了,回首这几年的工作,我把生态建模的一般过程和步骤做个总结,让同行认识自己,了解我们的工作,并且希望今后能一起合作,共同进步。
生态数学模型是用数学公式或数学方程的形式,对客观世界中某一系统及其与其它系统相互关系的高度概括和抽象,它包含了系统的主要特征,但它不等于实际的系统。
Walters在E.P.Odum著的《生态学基础》(孙儒泳等译,1981)一书第十章中把数学模型定义为由系统物理学和生物学的概念翻译而成的一套数学关系,认为模型是现实世界的不完全的抽象的描述。
生态数学模型通常包括5个基本构成要素:
⑴强制函数或外部变量,即影响系统状态的外部变量或函数,在害虫管理系统的数学模型中,强制变量指管理措施、环境因子等;
⑵状态变量,是描述生态系统所处状态的变量,如Lotka-Volterra捕食者--猎物模型中的种群数量N,P;
⑶数学方程,是由强制函数和状态变量构成的相互关系的具体描述;
⑷系数或参数,是数学方程的组成成分,对于特定的系统取一定的值,如上述捕食者--猎物模型中的α,β;
⑸常数,数学方程中不参与变化的量。
由于研究对象的不同,目标函数及抽象的内容也不同,从而形成了各种各样的数学模型(刘来福,1991,Jφrgensen,1986)。
生态建模一般有两个目的:1 与试验科学相结合,整合已知的、局部环节的规律,探索整体的、系统水平的生态系统动态规律;2 为生态系统的管理和资源的开发利用。提供低成本的计算机模拟手段。
生态数学模型的建立方法步骤,在其发展过程中形成了较为固定的模式,图示生态数学建模的一般过程。
建立生态数学模型的方法一般认为至少有两种途径:
一种是分室方法,用以研究生态系统中各分室的物质与能量的流动,并给出定量的表示。
另一种是实验组成成分法,主要用于复杂生态系统的生态过程(如捕食,竞争等)的分析。
无论何种方法,建立一个生态数学模型都必须要经过三个阶段,即用离散的成分方式建立模型,对模型输入参数进行灵敏度分析,模型调试和验证。
以下是生态建模的一般过程示意图:
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