EwE模型在水生态系统中的应用研究及长潭水库案例分析_石展耀.pdf

EwE 模型在水生态系统中的应用研究及长潭水库案例分析石展耀，张靖天*，霍守亮环境基准与风险评估国家重点实验室,中国环境科学研究院摘要EwE（Ecopath with Ecosim）模型是一种用于定量研究水生态系统食物网结构和能量流动特征的模型。总结了 EwE 模型中 Ecopath、Ecosim、Ecospace 和 Ecotracer 模块的原理，综述了该模型在不同类型水生态系统中的应用研究进展，发现Ecopath 可用来评估海洋和淡水生态系统的成熟度并确定关键种和生态容量，明确浮游植物生产量（P）对生态系统总通量（TST）的重要贡献；Ecosim 用于在时间尺度上揭示关键种捕捞、港口建设等人类活动对生态系统结构和功能的影响机制；Ecospace 可用来阐明海上平台建设、发电厂运行、火山爆发等外部因素影响下渔业经济和生态系统结构的空间差异性；Ecostracer 可用来追踪同位素、重金属和新型污染物等物质在食物网中的迁移过程。采用 Ecopath 分析了长潭水库的营养结构和能量流动，结果表明，长潭水库营养级介于 1.0003.093，食物网结构简单，TPP/TR 为 2.445，是一个相对成熟的生态系统，能量传递效率较低。未来应加强气候变化和人类活动对水生态系统结构演替的影响研究，推进新污染物在食物网中富集特征研究，为水域生态系统健康状态评估和渔业经济发展政策的调整提供支撑。关键词EwE 模型；水生态系统；气候变化；新污染物；长潭水库中图分类号：X171 文章编号：1674-991X（2023）02-0567-11doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220131Research on the application of EwE model in aquatic ecosystems and a case studyof Changtan ReservoirSHI Zhanyao,ZHANG Jingtian*,HUO ShouliangState Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment,Chinese Research Academy of Environmental SciencesAbstractEcopath with Ecosim(EwE)model is commonly used to quantitatively study the food web structure andenergy flow characteristics in the aquatic ecosystem.The principles and progress of Ecopath,Ecosim,Ecospace,andEcotracer modules of EwE model and its application in different types of aquatic ecosystems were summarized.Theresults indicated that Ecopath could be used to estimate the maturity of the ocean and freshwater ecosystems,todetermine key species and ecological capacity,and to clarify the important contribution of phytoplankton production(P)to total system throughput(TST)in the aquatic ecosystem.Ecosim was used to reveal the impact mechanisms ofhuman activities(e.g.keystone species catching,port construction)on ecosystem structure and function on a timescale.Ecospace was used to clarify spatial variability of fishing activity and ecosystem structure under externalfactor effects(e.g.offshore platform construction,power plant operation,and volcanic eruption).Ecotracer was usedto trace the immigration progress of isotopes,heavy metal,new pollutant,and other matters in the food web.Combined with Ecopath,the nutrient structure and energy flow of Changtan Reservoir were analyzed.The resultsshowed that the trophic level was in the range of 1.000-3.093,indicating a simple food web structure.The totalprimary production/total respiration(TPP/TR)value was 2.445,indicating Changtan Reservoir was a relativelymature ecosystem,and it had a low energy transfer efficiency.In the future,studies on the impacts of climate changeand human activities on the structural succession of aquatic ecosystems,and the enrichment characteristics of newpollutants in the food web should be strengthened to provide a scientific basis for the assessment of aquaticecosystem health and the adjustment of fishery economic development policies.收稿日期：2022-02-11基金项目：国家自然科学基金项目(51922010)作者简介：石展耀(1998)，男，硕士研究生，主要从事水生态环境保护研究，*责任作者：张靖天(1985)，男，高级工程师，硕士，主要从事流域水污染防治研究， Vol.13，No.2环境工程技术学报第 13 卷，第 2 期Mar.，2023Journal of Environmental Engineering Technology2023 年 3 月石展耀，张靖天，霍守亮.EwE 模型在水生态系统中的应用研究及长潭水库案例分析 J.环境工程技术学报，2023，13（2）：567-577.SHI Z Y,ZHANG J T,HUO S L.Research on the application of EwE model in aquatic ecosystems and a case study of Changtan ReservoirJ.Journal ofEnvironmental Engineering Technology，2023，13（2）：567-577.Key wordsEwE model;aquatic ecosystems;climate change;new pollutants;Changtan Reservoir 食物网反映了生态系统中生物间错综复杂的能量传递关系，研究食物网的关键种、能量流动效率和物种营养级等对于量化生态系统内群落结构变化具有重要意义，也是近年来评价生态系统的重要参考依据1。与通过水质理化指标来研究水生态环境不同2-4，食物网是在功能群分类的基础上通过对能量流动路径的模拟，定量阐述食物网内营养物的输入输出效应、物种间相互关系，从而为生态系统群落演替研究和流域渔业资源的科学管理提供依据5。模型模拟是研究食物网结构的重要方法，现有的一些生态模型主要用于研究营养盐的输入响应关系和底层营养级生物之间的相互作用6-7，往往只能反映食物网中少数生物之间的相互作用，不能深入研究多物种间的食物网关系，而 EwE（Ecopath with Ecosim）模型可以尽可能地模拟全部生物间相互作用从而建立水生态系统的食物网，反映生态系统的时空静态和时空动态营养级结构与能量传递效率，科学评估人类活动对生态系统结构的影响8。EwE 模型能够量化食物网的营养动力学特征，在食物网构建、渔业管理和生态系统预测、分区域研究食物网结构以及追踪污染物的浓度等领域得到了广泛的应用9。1EwE 模型的发展历程和各模块原理 1.1EwE 模型的发展历程及结构简示EwE 模型是一个包括 4 个核心模块的复合模型，其原理见图 1。Ecopath 模块最早由 Polovina10在 1984 年提出，用来分析水域的食物网结构、能量流动等11。为了在时间动态上探究 Ecopath 的结果，1995 年 Walters 等12构建了 Ecosim 模块，1998 年Christensen 等13在 Ecosim 模块的基础上增加了空间模拟功能，构建了 Ecospace 模块，用于模拟和预测不同区域食物网的空间差异和变动。污染物在水生生物中的放大效应是环境生物学中一个不可忽视的问题，为了定量分析污染物在不同营养级中的迁移和积累情况，Christensen 等13在 2004 年构建了Ecotracer 模块。随着 EwE 模型的不断完善与发展，其得以更广泛地应用于水生态系统的研究之中。1.2Ecopath 主要参数及原理表 1 列出了 Ecopath 的主要参数、参数含义、参数的获取来源和参数的取值范围，为构建 Ecopath 食物网模型提供参考。在 Ecopath 中，以 2 个方程式（1）、式（2）为基础来计算各功能组的能量流动、功能组间的相互作用等结果。将功能组 i 的生产量Pi，t/(km2a)分解为不同的去向，公式如下：Pi=Yi+BiM2i+Ei+BAi+Pi(1EEi)（1）YiM2iBiEiBAiEEi式中：为捕捞量，t/(km2a)；为捕食死亡率，a1；为生物量，t/km2；为净迁移量（迁出迁入），t/(km2a)；为同化量，t/(km2a)；为功能组 i 的生态营养效率。Qi通过分解消费量，t/(km2a)来表示功能组i 的能量平衡，公式如下：Qi=Pi+Ri+Ui（2）RiUi式中：为呼吸量，t/(km2a)；为未同化的量，t/(km2a)。在 Ecopath 中，采用 2 种方法计算食物网结构和能量传递中功能组的营养级：1）描述食物网中每个功能组营养级时，将生产者和碎屑功能组的营养级定为 1，消费者等功能组的营养级根据其饮食结构（DC）的营养级加权平均值进行计算，取值可以是小数；2）描述生态系统能量传递时，生产者和碎屑在第 注：B、P/B、Q/B、P/Q、EE、DC 涵义见表 1。图 1 EwE 模型结构原理Fig.1 Diagram for the principle of EwE model 568 环境工程技术学报第 13 卷营养级，每个营养级为在该营养级上所有功能组的集合，消费者在第、等整数营养级。1.3Ecosim 原理在 Ecopath 的基础上，对 Ecosim 构建不同功能组的 B 的动力学微分方程