ICM_2009翻译

2009
ICM：交叉学科建模竞赛
创建食物系统：调整人类影响的生态系统平衡
技术背景
只有不到1％的海底被珊瑚覆盖。

然而，25％的海洋生物多样性需要在这样的环境下生存。

因此，自然资源保护论者担心一旦珊瑚消失，该地区的生物多样性也会随之消失。

例如位于菲律宾的吕宋岛和圣地亚哥岛之间的一条狭长的海峡，过去那里充满了珊瑚礁，而且有大量不同品种的生物（图1）。

随着20世纪90年代引入了商业化遮目鱼（Milkfish）养殖业以后，这个曾经拥有大量的物种的地区产生了戏剧性的物种下降的情况。

曾经生活着活珊瑚的地方都变成了泥地，野生鱼都因为过度捕捞和丧失生存环境而濒临灭绝。

虽然为该地区的提供足够的食物很重要，但找到一个可以使自然生态系统继续繁荣的创新的方法同样重要，也就是建立一个理想的混养系统，可以取代目前单一的遮目鱼养殖。

最终的目标是发展一套水产养殖方法，不仅支持当地居民的经济需求和营养需求，同时也改善当地的水质，使得活珊瑚可以重新回到这个区域的海底并且与养殖厂和谐相处。

一个理想的混养方案是多种经济作物一起养殖，并且一种物种产生的废物是另一种物种的食物。

例如Finfish产生的废物可以被Filter Feeder（滤食动物）吃掉，并且他们（fish&filter feeders）产生的额外的废物也可以被海藻吸收，海藻也是可以被出售的。

这不仅减少在鱼类养殖中对周围水域的营养物质输入，也可以通过利用鱼的排泄物产生更大数量的可利益化产品（贻贝，海带等）。

为了建模的目的，在这个动物多样性的环境中，可以将这些生物有机体划分为掠食性鱼类（脊索动物门，脊椎动物亚门）;草食性鱼类（脊索动物门，脊椎动物亚门），软体动物（如贻贝，牡蛎，蛤蜊，蜗牛等）；甲壳类动物（如螃蟹，龙虾，藤壶，虾等，节肢动物门，甲壳动物亚门）;棘皮类动物（如星鱼，海参，海胆等;门棘皮动物门）;和藻类（软体动物门）。

喂养结构：有初级生产者（光合作用，可以是单细胞浮游藻类，蓝藻，多细胞藻类）；滤食性生物（应变浮游生物，有机颗粒，有时是水体之外的细菌）; 沉积物摄食者（吃泥土和消化的有机分子和营养物质的）;食草动物（吃初级生产者）和捕食者（食肉动物）。

与陆地上一样，大多数食肉动物吃食草动物的或更小的食肉动物，但在海洋中，他们也可以吃一些滤食性和沉淀物摄食者。

大多数动物有10％至20％的摄入食物的转化率，所以他们摄取的80％-90％的能量最终作为废物从一种形式转变为另一种形式（有的作为热量消失，有的通过物理消失）。

珊瑚在这个生物多样性环境中的作用主要是将空间进行分割，允许物种聚集，并通过给予每个物种在狭小空间内的生活环境，使得水生生物在这种高层都市化的环境中共存。

珊瑚也提供一定量的滤食性生物--一种可以清洁水体的生物。

一个区域能够支撑珊瑚得存在需要很多方面的能力，其中最重要的便是水的质量。

例如，Bolinao地区的水可以让珊
瑚生存和繁殖，那里的水每毫升包含五十万到一百万的细菌，每升包含0.25微克的叶绿素（一种浮游生物的代表）。

目前的鱼笔通道的水质水平均要超过每毫升1000万个细菌和每升15微克的叶绿素。

从遮目鱼养殖厂投放的大量的营养物质促使海藻大量繁殖，填塞了珊瑚的生长空间，而遮目鱼鱼养殖场造成的大量颗粒涌入，降低了珊瑚进行光合作用的能力。

因此，珊瑚幼虫增长的基础是建立一个可接受的水质系统。

对于珊瑚的其他的威胁，包括由于大气中的二氧化碳导致的海洋酸度的增加；由于全球气候变暖导致的海洋温度的增加。

这些都可以被认为是二级威胁，我们将不在这个问题上进行特别的处理。

问题陈述
这个问题所面临的挑战是要拿出一个可行的混养系统，以取代目前的单一遮目鱼养殖系统。

目的是充分提高水的质量，使得珊瑚可以在这个区域生存和繁殖。

您的混养方案应该是在经济上节约的，亲和环境的，并且在短期和长期时间范围内都是可行的。

1、建立一个在鱼类养殖厂成立之前的bolinao珊瑚生态系统的模型：建立一个完整的珊瑚生态食物网，将遮目鱼作为唯一的捕猎者，有一个特定的草食性鱼类（你自己选择），一种软体动物，一种甲壳类动物，一种棘皮类动物，和一种藻类。

用一种你觉得可信赖的方式制定每个物种的展现形态，要注明引用的来源，说明每个物种的数量估计。

在你呈现的模型中，详细描述每一个物种是如何与其他物种相互影响的。

说明你的模型是如何预测一个稳定的水质水平（标准），使得珊瑚可以健康地成长。

如果你的模型不会带来一个足够高的水质水平，那么你可以以你认为的合理的方式调整不同物种的数量，直到你达到令人满意的水质水平，并详细描述你调整了那些物种的数量，并给出合理的理由。

2、为当前的单一遮目鱼养殖系统建立模型：
a.首先审查遮目鱼养殖对于其他物种的抑制作用。

将所有草食性鱼类、软体动物、甲壳类动物以及所有棘皮动物数量设置为零。

所有其他的物种数量与你上面第一个建立的模型是相同的。

因为你已删除的遮目鱼的天然食物供应，你需要引入一个常数项来描述农民饲养虱目鱼行为；选择这个常数项来保持模型平衡。

你的模型现在预测的水质是怎样的一个水平？这个水平的水质是否足以让珊瑚物种持续健康发展？比较和描述你的结果是怎样与观察数据相比较的。

b.遮目鱼养殖不完全抑制所有其他的动物物种，水质结果也不一定如您2a部分预测的那么差，因此恢复所有你删除的物种并使用你的假设模型来模拟当前Bolinao的生态局势，仅仅调整生物的数量使得预测水质与当前Bolinao的观测值相同。

将你所得到的物种数量与最新的Bolinao观察值想比较，讨论如何改变你的模型可以
使您的人口预测与观测值接近。

3、为bolinao混养系统建立修正模型：现在你要用一个混养系统取代以前的单一养殖系统，试图将水质提升到一个足够的水准，使得你在模型1中所建立的初始的珊瑚礁模型可以在没有任何人为帮助的情况下在该水域重新建立。

合理的想法是引进一套物种相互依存的喂养虱目鱼的系统，这样无论农民投入多少遮目鱼饲料，他/她的“牲畜”将完全地利用这些饲料，没有（或只有很少的）吃剩的营养物质和颗粒（饲料和粪便）会下降到新建立的
珊瑚栖息地。

此外，通过这个混养系统，你还需要在商业上提供足够多的生物，以便支撑人类的生存和价值的提升。

a. 开发一个商业混养系统来修复Bolinao的生态。

通过你所建立的2b模型，介绍引入了
的额外有助于水质的提升的物种，以及收获的生物量。

例如，你可以在贻贝，牡蛎，蛤蜊或其他具有经济价值的滤食性物种间设置围栏，用来减少遮目鱼排泄废物。

有经济价值的藻类可以生长在围栏的两侧接近水面的地方（在那里他们获得足够的光
线），它们可以一些用来饲养遮目鱼的小的草食性鱼类。

明确提出你的模型以及稳定状态的种群数量。

b. 输出你的模型报告。

您优化什么，你所设定的参数，and why？你的模型产生了怎样
的水质水平？你的模型获得了多少收获产量，其经济价值是什么？进一步改善水质的成本是多少？换句话说，以您的最佳方案，改变一个单位的水质需要多少成本？
4.科学：讨论每个物种的收获量与人类的消耗。

我们将如何使用您的模型，来预测或了解供人食用的收获量？一磅的肉食性鱼的收获量是否与一磅的海藻收获量等同，以使得我们可以寻求一个最大的收获总量，或者我们是否设定了价值权重（衡量每一个收获物种的价格），使得我们可以需求最大价值的收获量？我们是否寻求到了一个减去遮目鱼养殖成本的最大的收获价值（是否可以理解为纯利润？）？我们可以定义可食用的没单位生物的价值与每单位总体生物价值等同吗（减去遮目鱼养殖成本）？
5、使得总体收获量价值最大化：我们现在想保持一个可以接受的最佳的水质，同时可以使在这个模型中单位范围内所有的可市场化（即可被人食用）的生物可以在市场上获得最大的产量利润（因为可食用或者可以售卖的副产品同样是实现价值最大化的合法的方式）。

改变你的模型，使得各个生物的产量是连续的。

阐述你定义的生物单元的最大产量价值以及获得这个价值的相应的水体质量。

尝试不同的捕捞策略和不同层次的遮目鱼饲养方式（总是选择可以使你的模型平衡的价值），作出水质与产出价值的相关线图。

什么样的战略是最佳的，最大的收获师多少？
6.行动呼吁：写一份递交给太平洋海洋渔业局的资料文件，总结你对生物多样性和珊瑚可以生长的水质之间的关系。

为治理类似于bolinao这样的地方制定策略，并阐述治理需要多长的时间。

从上面的第五部分中得出您的最佳营收/喂养战略展示，并阐述有说服力的理由，
并提出实现你的计划的捕鱼/收获的定额建议。

展示你的计划中所能收获的价值与现阶段bolinao现实收获的价值之比。

从生态的角度讨论实施混养系统的利弊。

入门参考
/wiki/Integrated_Multi-trophic_Aquaculture
/wiki/Coral_reef
/infobooks/Coral/home.html
补充资料
图 1Bolinao的生态区地图，水质表1和表2中列出的数据的取样点的地点。

站点A和B 具有等同健康的珊瑚礁，而站点C具有正在退化的珊瑚礁，站点D仍存在有一些珊瑚，但珊瑚和还早迟早会消失，而且在养殖厂下的海底已经没有任何珊瑚存在。

在鱼类围栏通道中，农民采用大约10米×10米×8米的网来制作围栏，每个围栏拥有大约5万的鱼，每公顷大约10个养殖围栏。

（从Garren等，2008）
下表是你将能够通过公共搜索找到的数据。

这些数据可能无法完全支撑你的目的，并仅用于帮助你开始你的想法的建立。

您应该使用你自行查找的最适合的和最完整的数据。

站点水的特征
各站点水的微生物丰度和颗粒量特征
生物信息
参考表中的信息：
Garren，Smriga，阿扎姆（2008）。

沿海养鱼场的污水和其对珊瑚礁微生物的梯度。

环境微生物学：2299年至2312年。

永健徐等人。

2008). 改善水质的大型海藻，江蓠，附近水产养殖排污口。

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玛丽安Holmer，纽丽Marba，豪尔赫Terrados，卡洛斯M.杜阿尔特，迈克D.特长（2002）。

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