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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 10 期摇 摇 2013 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
福建长汀水土保持专题
福建省长汀县水土流失区的时空变化研究———“福建长汀水土保持冶专题序言 徐涵秋 (2945)………………
福建省长汀县河田盆地区近 35 年来地表裸土变化的遥感时空分析 徐涵秋 (2946)……………………………
福建省长汀县河田水土流失区植被覆盖度变化及其热环境效应 徐涵秋,何摇 慧,黄绍霖 (2954)……………
红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态 何圣嘉,谢锦升,曾宏达,等 (2964)……………………………
基于 RUSLE的福建省长汀县河田盆地区土壤侵蚀定量研究 杨冉冉,徐涵秋,林摇 娜,等 (2974)……………
南方红壤水土流失区土地利用动态变化———以长汀河田盆地区为例 林摇 娜,徐涵秋,何摇 慧 (2983)………
亚热带地区马尾松林碳储量的遥感估算———以长汀河田盆地为例 黄绍霖,徐涵秋,林摇 娜,等 (2992)………
南方红壤侵蚀区土壤肥力质量的突变———以福建省长汀县为例 陈志强,陈志彪 (3002)………………………
前沿理论与学科综述
土壤有机质转化及 CO2 释放的温度效应研究进展 沈征涛,施摇 斌,王宝军,等 (3011)………………………
湖泊蓝藻水华发生机理研究进展 马健荣,邓建明,秦伯强,等 (3020)……………………………………………
个体与基础生态
岩溶区不同植被下土壤水溶解无机碳含量及其稳定碳同位素组成特征
梁摇 轩,汪智军,袁道先,等 (3031)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
黄脊雷蓖蝗越冬卵的滞育发育特性 朱道弘,陈艳艳,赵摇 琴 (3039)……………………………………………
香港巨牡蛎与长牡蛎种间配子兼容性 张跃环,王昭萍,闫喜武,等 (3047)………………………………………
种群、群落和生态系统
西藏珠穆朗玛峰国家级自然保护区鸟类群落结构与多样性 王摇 斌,彭波涌,李晶晶,等 (3056)………………
采伐对长白山阔叶红松林生态系统碳密度的影响 齐摇 麟,于大炮,周旺明,等 (3065)…………………………
胶州湾近岸浅水区鱼类群落结构及多样性 徐宾铎,曾慧慧,薛摇 莹,等 (3074)…………………………………
黄河口盐地碱蓬湿地土壤鄄植物系统重金属污染评价 王耀平,白军红,肖摇 蓉,等 (3083)……………………
不同起始状态对草原群落恢复演替的影响 杨摇 晨,王摇 炜,汪诗平,等 (3092)…………………………………
施肥梯度对高寒草甸群落结构、功能和土壤质量的影响 王长庭,王根绪,刘摇 伟,等 (3103)…………………
高寒退化草地狼毒种群株丛间格局控制机理 高福元,赵成章 (3114)……………………………………………
藏东南色季拉山西坡土壤有机碳库研究 马和平,郭其强,刘合满,等 (3122)……………………………………
灵石山不同海拔米槠林优势种叶片 啄13C值与叶属性因子的相关性 王英姿 (3129)……………………………
西门岛人工秋茄林恢复对大型底栖生物的影响 黄摇 丽,陈少波,仇建标,等 (3138)……………………………
喀斯特峰丛洼地土壤剖面微生物特性对植被和坡位的响应 冯书珍,苏以荣,秦新民,等 (3148)………………
青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系 徐满厚,薛摇 娴 (3158)……………………………………
景观、区域和全球生态
近 60 年挠力河流域生态系统服务价值时空变化 赵摇 亮,刘吉平,田学智 (3169)………………………………
基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析 陈海滨,唐海萍 (3177)…………………………………
资源与产业生态
主要气候因子对麦棉两熟棉花产量的影响 韩迎春,王国平,范正义,等 (3185)…………………………………
低覆盖度行带式固沙林对土壤及植被的修复效应 姜丽娜,杨文斌,卢摇 琦,等 (3192)…………………………
不同土地利用方式土下岩溶溶蚀速率及影响因素 蓝家程,傅瓦利,彭景涛,等 (3205)…………………………
农地保护的外部效益测算———选择实验法在武汉市的应用 陈摇 竹,鞠登平,张安录 (3213)…………………
研究简报
温度、投饵频次对白色霞水母无性繁殖与螅状体生长的影响 孙摇 明,董摇 婧,柴摇 雨,等 (3222)……………
内蒙古达赉湖西岸地区大鵟巢穴特征和巢址选择 张洪海,王摇 明,陈摇 磊,等 (3233)…………………………
红外相机技术在鼠类密度估算中的应用 章书声,鲍毅新,王艳妮,等 (3241)……………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*304*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*33*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄05
封面图说: 色季拉山的长苞冷杉和高山杜鹃林———色季拉山高海拔处的植被主要有长苞冷杉、林芝云杉和高山杜鹃等,再高海
拔地区则分布有高山灌丛、草甸等。 长苞冷杉为我国特有种,属松科常绿乔木,分布于西藏东南部高山地带。 树高
可达 40m,树皮暗褐色,针叶较短;其球果圆柱形,直立。 长苞冷杉的形态独特,与分布区内多种冷杉有密切的亲缘
关系,和云杉、杜鹃的分布也彼此交叠。 随着色季拉山体海拔的升高,区域气候对于山地土壤从黄壤至棕色森林土、
直至高山草甸土的完整发育,以及对森林生态系统类型的形成都产生直接而深刻的影响。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 10 期
2013 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 10
May,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(41030535);十二五科技支撑资助项目(2011BAC07B01)
收稿日期:2012鄄02鄄25; 摇 摇 修订日期:2012鄄08鄄20
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: tanghp@ bnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201202250253
陈海滨,唐海萍.基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析.生态学报,2013,33(10):3177鄄3184.
Chen H B,Tang H P. Sensitivity analysis of climate control in the Daisyworld model based on system dynamics. Acta Ecologica Sinica,2013,33(10):
3177鄄3184.
基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析
陈海滨2,3,唐海萍1,3,*
(1. 地表过程与资源生态国家重点实验室,北京摇 100875;2. 西北农林科技大学经济管理学院,杨凌摇 712100;
3. 北京师范大学资源学院,北京摇 100875)
摘要:Lovelock于 20 世纪 70 年代提出了著名的盖娅假说,认为地球是一个由生物和非生物环境组成的“超级有机体冶,有能力
调节自身的气候和化学组成,使之适合于生物的生存。 盖娅假说遭到了生物学家,尤其是新达尔文主义者的强烈批评,认为它
是目的论;随后,Lovelock通过雏菊世界模型论证了该假说。 模型中的黑雏菊和白雏菊通过反射较少或较多的太阳光来调节地
球的温度。 基于雏菊世界模型,通过假设不同的初始条件———不同初始面积分配和不同的太阳光反射率组合,运用系统动力学
对雏菊世界的温度调节能力进行了敏感性分析。 结果证明,既使初始条件有差异,雏菊世界仍能够通过自我调节机制调节系统
稳定时的星球温度,达到最适合生物生存的温度。 雏菊世界模型对于初始面积分配、光照反射率组合条件不敏感。 最后,雏菊
世界模型的优点在于系统分析思想和以及对地球系统的简化,但是随着人类活动对地球系统影响的日益显著,建议模型应包含
更多的环境、生物变量以及反馈关系和人类活动因素,将盖娅系统融入到自然鄄人类耦合的大系统中。
关键词:盖娅假说;雏菊世界模型;系统动力学;敏感性分析
Sensitivity analysis of climate control in the Daisyworld model based on
system dynamics
CHEN Haibin2,3,TANG Haiping1,3,*
1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing 100875, China
2 College of Economics & Management, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
3 College of Resources Science & Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Abstract: The Gaia hypothesis, proposed by James Lovelock in 1970s, claims that the earth is a superorganism consisting
of both living organisms and a non鄄living environment. More specifically, the earth itself has the ability to regulate climate
and chemistry, making environments on earth suitable for living organisms. The Gaia hypothesis was strongly criticized by
biologists, especially Darwinists. In replying to the criticism, Lovelock and Watson developed a mathematical model called
Daisyworld to test the hypothesis. The Daisyworld is a planet orbiting around the sun, which is populated by two different
types of plants, black daisies and white daisies. The color of the daisies influences the albedo of the planet in a way that
black daisies absorb more sunlight and warm the planet, while white daisies reflect more sunlight and cool the planet. Based
on this model, we analyzed the temperature鄄regulating ability in the Daisyworld model under various initial conditions using
the methods of system dynamics. The initial conditions that proposed in this paper included three sets of initial area
distribution patterns between black and white daisies and three sets of sunlight albedo combinations of the two daisies. The
software package we used here is Stella 9. 0. 2 developed by ISEE System, Inc. The simulation results showed that,
although the initial conditions of the Daisyworld model were different, all temperatures, as the system settled down,
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eventually reached at 21. 55 益, a temperature close to the optimum for daisy growth. From the results we know that the
Daisyworld model is insensitive to the initial conditions such as area distribution patterns and albedo combinations. While
the temperature鄄regulating ability is insensitive to albedo combinations of the two daisies, our results showed that albedo
combinations can affect the time length that the Daisyworld model needs to reach at a stable state. That is, when the albedo
difference between black daisy and white daisy is smaller, the time length will be longer. Based on the simulation process
and results, we further discussed the advantages and disadvantages of the Daisyworld model. We argued that simplification
and systematic analysis are the advantages of the model. Through a simple feedback relationship between organisms ( i. e.
black and white daisies) and environment factors ( i. e. temperature), the natural selection and competition between two
daisies could lead to a balance of populations that tends to favor planetary habitability, without human intervention. Because
of its simplification and systematic analysis, the Daisyworld model is now applied all over the world in both system
engineering and environmental science. It inspires the researchers who are not used to system thinking, and changes their
thinking habits forever. But this simplification has some disadvantage in the Daisyworld model. Compared with the real
complicated earth system, this model is obviously too simple, which leads to a simple result. In order to get a more
scientific result, we suggests that the model should include more detailed information of the earth such as more
environmental variables, biological variables, feedback relationships, and human activities. The Gaia system should
eventually be integrated into the more advanced Nature鄄Human Coupled System.
Key Words: Gaia hypothesis; Daisyworld model; system dynamics; sensitivity analysis
英国大气物理学家 J. E. Lovelock于 20 世纪 60 年代受 NASA邀请,帮助寻找火星上的生命痕迹。 在任
务完成之后,他继续思考生命维持所必需的条件:如地球表面的温度经历了 36 亿年后仍然保持相对不变,而
同一时期的太阳温度却升高了 25% ;地球是如何能够使大气中氧气浓度保持在 21%左右,这个值是他认为的
生命安全上限。 Lovelock认为解决这样的问题需要采用一个系统的观点,而不能由生物化学或生物地球化学
等学科来解答,也不能由新达尔文主义生物学来解答,答案来自于生理学或控制论[1]。
Lovelock对于 Walter Cannon描述的有关产生体内平衡的协同生理过程印象深刻。 Cannon 认为,生命体
努力维持其内部环境恒定不变[2]。 Lovelock相信地球也遵循着 Cannon的原理:岩石、草、鸟类、海洋和大气都
齐力协力,像一个巨型的有机体一样运行来调控生存条件[3]。 地球这个“超级生命有机体冶需要一个名字。
Lovelock的邻居,诺贝尔文学奖获得者 William Golding,推荐以古希腊大地女神命名,称之为盖娅[1]。
提出伊始,盖娅假说的“超级生命有机体冶这样略带神秘的概念遭到了科学保守主义者,尤其是新达尔文
主义者的强烈批评,认为它是伪科学,是目的论。 例如,Richard Dawkins 认为,“盖娅不能产生于达尔文式的
生命进化,地球作为物理实体不是自然选择的单元冶 [4]。 为了反击对盖娅假说的批评,Lovelock 于 1983 年提
出了雏菊世界模型[5鄄6]。 Lovelock用简单的微分方程就揭示了,假想的世界不需要一个清晰的、公认的、可以
描述其内部相互作用的数学方程就可以拥有自我平衡的性质。
在雏菊世界模型中,Lovelock论证了光照强度不断增强时星球温度的变化情况。 本文在此基础上,尝试
用系统动力学方法进一步分析雏菊世界的气候条件对于不同初始面积分配、不同反射率组合条件的敏感性。
一方面可以验证盖娅假说,另一方面通过探讨模型存在的不足,为下一步的模型改善以及盖娅假说的发展提
供一些参考。
1摇 方法原理
1. 1摇 盖娅假说
Lenton和 Wilkinson认为,盖娅假说的发展经历了经典的 3 个阶段:一是“它明显是错误的冶;二是“它可
能有些是正确的冶;三是“我们都知道它是正确的冶 [7]。
第一阶段摇 盖娅假说认为,地球有机体能调节地球系统的物理、化学成分,以使星球成为生命最优的栖息
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地[1,3]。 这个阶段的盖娅假说是目的论的,因为他没有提出一个机制来解释,个体生物之间似乎需要某种秘
密的共识来达成行星水平的环境自我调节[8]。 Lovelock 在其后来的文献中也承认:“20 世纪 70 年代引入的
盖娅假说认为,地球的大气、海洋、气候和地壳是由生物调节处于稳定状态,并适合于生物生存。 特别地,盖娅
假说认为岩石和水的温度、氧化状态、酸性和其他某些方面在任何时候都保持恒定,这个自我平衡状态是由地
球表面的有机体维持的。 应该认识到,盖娅假说如此阐述是错误的冶 [9]。
第二阶段摇 为了应对批评,Lovelock引入雏菊世界模型。 模型的模拟结果表明,虽然太阳辐射增强了近
两倍,但是行星表面温度却能够维持在雏菊生长最优温度的几度范围之内。 行星水平的温度自我调节可以产
生于假定的生物个体水平的温度鄄增长率关系,盖娅假说不是目的论[5鄄6]。 但是,这仍然无法令进化生物学家
满意。
第三阶段摇 这阶段的盖娅假说在批评与证明中不断完善,新版本的盖娅假说定义为“地球系统的物理、
化学和生物组成部分可以调节星球,以维持其作为生命的栖息地冶 [9]。 生命有机体对气候系统有重要影响已
经不再有争议[10鄄11]。 Lenton在 Nature上发文指出:“物理系统是稳定的,生物系统可不断自我增殖,因此存在
一个生物生长的物理最优状态;行星自我调节的反馈机制产生于生物体的自然选择冶 [12]。 而进化生物学家也
承认盖娅假说值得严肃思考,因为它可以解释很多重大问题[13鄄16]。
当然,争议依然存在。 主要原因在于复杂多变的地球系统充满了不确定性,有很多案例并不支持生物自
我调节地球环境的观点[17]。 Lovelock在《盖娅的复仇》一书中引用 William Hamilton 的话说:“正如哥白尼的
发现需要牛顿来解释一样,我们也需要另一个牛顿来解释为什么达尔文的自然选择会导致一个宜居的星
球冶 [18]。 无论如何,盖娅假说改变了科学界对自然、地球的观点,并推动了地球系统科学的发展。 通过对盖娅
假说的争论,促进了地质学、大气物理学、气象学、生物学等相关学科的发展,同时也促进了多学科的交叉、
融合。
1. 2摇 雏菊世界模型
为了证明盖娅假说,Lovelock提出了一个雏菊世界的寓言。 雏菊世界是一个假想的世界,它围绕着一颗
辐射能量缓慢增大的恒星做轨道运动,它意图模拟太阳鄄地球系统。 在 1983 年版的雏菊世界中,只种植着两
种雏菊以代表生命形式———白雏菊和黑雏菊。 白雏菊和黑雏菊通过反射较多和较少太阳光,改变着各自的局
地温度,后者反过来又决定了雏菊的增长率。 该模型经过模拟,追踪了当太阳辐射缓慢增强时两种雏菊的种
群动态以及雏菊世界的温度变化。 结果证明,在太阳辐射变化的相当大范围内(从当前辐射水平的 0. 6 倍到
1. 1 倍),雏菊世界的温度保持几乎恒定[5鄄6]。 在后来的雏菊世界模拟中,加入兔子、狐狸和其他物种。 结果表
明,物种数量越多,整个行星的稳定性越强;也就是说,温度调节能力越强;甚至当行星受到干扰时,系统也可
以保持强健和稳定[19]。 这些发现都支持了生物多样性与地球系统稳定性存在正向关系的观点。
雏菊世界模型的优点在于它对纷繁复杂的地球系统的简化,使其成为回答“生物与环境相互作用会怎
样冶这类问题的杰出模型[20]。 虽然它无法解释地球内部是如何自组织的,但是它却提供了地球系统中生物与
环境紧密耦合的一般经验。 在雏菊世界模型出现以后的近 30 年时间里,很多文献努力通过模型的演变来证
明或反对盖娅假说[21]。 进化生物学家通过引入特殊的案例来证明在真实的世界里面有些物种在干扰或破坏
自我调节作用;而支持者通过引入其他案例证明地球自我调节作用的强健与稳定;当然也有很多理论研究关
注的是自我调节实现与否的关键条件是什么。
当前,雏菊世界模型已经扩展到众多学科领域,包括非线性动态、生态系统与食物网、进化论、生理学、最
大熵产生以及人造生命等。 虽然仍然与盖娅理论紧密相关,但雏菊世界模型已经发展成为一个独立的模
型[21]。 因此,在讨论雏菊世界模型与盖娅假说的关系之外,该模型也可以用于发展整合人类活动的地球系统
模型的研究。
1. 3摇 系统动力学与 Stella软件概述
系统动力学是 20 世纪 50 年代末由美国麻省理工学院教授福雷斯特(J. W. Forrester)提出[22鄄23]。 它是一
9713摇 10 期 摇 摇 摇 陈海滨摇 等:基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析 摇
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种分析研究复杂反馈系统动态行为的科学方法,是系统科学的一个分支,也是一门沟通自然科学和社会科学
领域的横向学科,实质上就是分析研究复杂反馈大系统的计算仿真方法。 目前,它已经广泛应用于工业、经
济、生态、环境等诸多学科领域[24]。
生态系统也是一个复杂的动态系统,因此,许多生态学者认为应用系统动力学进行生态学研究将有极大
潜力,并积极开展了种群数量动态、大气组成变化、土地利用与土地覆盖变化等方面的推广应用工作,各类生
态系统动力学模型应运而生。
Stella软件是美国 Isee 公司于是 1985 年开发的系统模拟工具。 因其图形界面十分友好, 在国外已成为
一个构造系统模型和模拟复杂系统动态相互关系的良好工具,被广泛应用于科研、教学、管理等诸多研究
领域[25]。
2摇 模型假设与参数设定
2. 1摇 模型假设
关于生物与环境条件的相互作用,雏菊世界模型假设:
(1)生物影响环境条件摇 如上所述,由黑、白雏菊、裸地分布的星球影响了光的吸收率,因此影响了黑、白
雏菊的局地温度和星球的温度。
图 1摇 黑、白雏菊年增长率鄄温度关系图
摇 Fig. 1摇 Annual growth rate鄄temperature relationship of black and
white daisy
(2)环境条件反作用于生物 摇 局地温度影响雏菊
生长的速率。 当局地温度接近于最适温度时,雏菊增长
率最高;但是,如果局地温度太高或太低,雏菊覆盖的区
域就会随时间减少。 黑、白雏菊的年增长率与局地温度
的关系表示为(1)式(图 1)。
R = 1 - 0. 003265(22. 5 - T) 2 (1)
式中,R为年增长率,T为雏菊局地温度。
2. 2摇 参数设定
(1)星球总表面积为 1000 英亩;
(2)雏菊衰败速率为 30% / a;
(3)为了简化模拟,假设到达地面的太阳辐射值恒定,为太阳常数值的 70% ,约等于 947. 1W / m2;
(4)星球的反射率为:
A = 琢b 伊 Ab + 琢g 伊 Ag + 琢w 伊 Aw (2)
式中,A为星球反射率; 琢b为黑雏菊所占面积比例, Ab为黑雏菊反射率; 琢g为裸地所占面积比例, Ag为裸地反
射率; 琢w 为白雏菊所占面积比例, Aw 为白雏菊反射率。
(5)星球整体的太阳光吸收率:
星球整体太阳光吸收率= 1 - A (3)
图 2摇 星球平均温度鄄太阳光吸收比率关系图
摇 Fig. 2 摇 Planet忆 s average temperature鄄sunlight absorption
ratio relationship
(6)太阳光吸收率与星球平均温度之间的关系用
下式表达:
滓(Te + 273) 4 = SL(1 - A) (4)
式中, 滓 =5. 67伊10-8 W m-2 K-4, Te 为星球平均温度;
SL 为到达地面的太阳辐射;A 为星球平均反射率。 其
关系如图 2 所示。
(7)由于太阳光吸收率的不同,导致黑雏菊局部升
温,而白雏菊局部降温:
Tb,w = q忆(A - Ab,w) + Te (5)
式中, Tb,w 表示黑雏菊或白雏菊的局地温度;A 为星球
0813 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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平均反射率; Ab,w 表示黑雏菊或白雏菊的反射率; Te 表示星球的平均温度。
根据 Lovelock的模型, q忆的大小表示较高温度区域向较低温度区域的热能传导能力,在这里 q忆取 20 益。
(8)星球的裸地面积对于雏菊的现实增长率有限制作用,以增长率衰减乘数来表示这个限制作用:
增长率衰减乘数=裸地面积 /星球总面积
2. 3摇 雏菊世界因果回路图
根据上述模型假设与参数关系,绘出雏菊世界因果回路图。 图 3 中共有 8 个反馈回路,白雏菊由其中 4
个反馈回路组合控制,黑雏菊由另外 4 个反馈回路组合控制。
白雏菊的 4 个反馈回路分别是与分布面积有关的 2 个正、负反馈回路;另外白雏菊的增长率受剩余空地
面积负反馈回路的影响,同时也受星球平均反射率负反馈回路的影响。 星球平均反射率是由黑、白雏菊的反
射率与覆盖面积决定的。
黑雏菊的 4 个反馈回路中,2 个也是与分布面积有关的正、负反馈回路;另外 2 个是与增长率相关的负反
馈回路。
图 3摇 雏菊世界因果反馈回路图(改自安德鲁·福特[26] )
Fig. 3摇 Casuality feedback loop diagram of Daisyworld(revised from Fort,2011[26] )
3摇 敏感性分析
3. 1摇 初始面积的敏感性分析
假设不同的地面覆盖物的反射率分别为:白雏菊 0. 75;裸地 0. 5;黑雏菊 0. 25。
在 Stella软件环境下,模拟不同初始面积分配条件下的雏菊世界温度变化情况,得到结果如图 4 所示。
结果显示,在 A、B、C三种初始面积组合条件下,虽然起始星球平均温度不同,但达到稳定状态后的星球平均
温度均为 21. 55 益,表明雏菊世界稳定时的星球平均温度对于初始面积分配不敏感。
3. 2摇 反射率的敏感性分析
在 Stella软件环境下,模拟 3 组不同地面覆盖物反射率条件下的雏菊世界温度变化情况,得到结果如图
1813摇 10 期 摇 摇 摇 陈海滨摇 等:基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析 摇
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图 4摇 雏菊世界温度调节初始面积敏感性分析
Fig. 4摇 Initial area sensibility analysis of Daisyworld忆s temperature regulation
假设 琢w 代表白雏菊的初始面积, 琢b 代表黑雏菊的初始面积, 琢g 代表裸地的初始面积,则图中,A的面积组合为: 琢w = 250, 琢b = 250, 琢g =
500(单位:英亩);B的面积组合为: 琢w =500, 琢b =400, 琢g =100; C的面积组合为: 琢w =100, 琢b =400, 琢g =500
5:在 A、B、C3 种反射率组合条件下,虽然起始星球平均温度不同,但达到稳定状态后的星球平均温度均为
21. 55 益,表明雏菊世界稳定时的星球温度对于地面覆盖物反射率条件不敏感。
值得一提的是,在 C反射率组合下,星球平均温度经过约 500 次模拟(即约 500a)才达到稳定状态,而其
他两种组合只需要几十次模拟就可以达到稳定状态。 究其原因,是因为 C 组合中,黑、白雏菊的反射率与裸
地差别不大,导致黑、白雏菊面积变化相对较慢。 表明,虽然雏菊世界稳定状态时的星球温度对于地面覆盖物
反射率条件不敏感,但是覆盖物反射率组合却影响雏菊世界达到稳定状态的时间。
4摇 讨论
本文基于雏菊世界模型,运用系统动力学的方法,通过 stella软件求解不同初始面积分配与反射率组合条
件下星球温度的稳定值,用简单且易于操作的方法论证了盖娅假说。 结果证明,雏菊世界的星球温度对于初
始面积分配、光照反射率条件均不敏感,在不同的初始面积分配以及不同的反射率条件下,雏菊世界稳定状态
时最终都达到 21. 55 益。 同时,通过模拟发现,星球覆盖物反射率组合影响星球达到稳定状态所需要的时间。
雏菊世界模型的优点在于通过简单的反馈关系揭示了在没有人为控制的情况下,地球系统水平的环境条
件可以通过生物个体水平的自然选择与竞争实现自我调节,保持稳定,从而使环境条件有利于生物的群体生
长。 这对于那些没有受过系统分析训练,或不习惯系统思考的人,确实是个很好的启示,能够改变人们的思维
习惯。 因此,雏菊世界模型现在被广泛地用做教学案例。
然而,相比复杂的真实地球系统,雏菊世界模型还是过于简单。 综合体现在以下 5 个方面:
(1)在雏菊世界原型中,太阳光照强度是不断增强的,但在本研究中,为了简化模拟,假定太阳辐射值为
恒定。 因此,本研究没有模拟太阳辐射强度变化对星球温度的长期(几十亿年)影响。
(2)只有温度一个环境变量。 现实世界中,对生物有影响的环境变量还有水文、地形、地貌、养分、大气组
成等,这些变量模型都没有包含进去。
(3)调节环境变量的生物只考虑非常简单的黑、白雏菊,不包含其他植物、动物、微生物。 在现实世界中,
黑雏菊很少见,而且单黑、白两种雏菊很难代表所有植物对光的反映,更不用说用雏菊来代表动物和微生物。
而从调节大气温度的角度考虑,微生物所起的作用更关键。 既使修正后的模型把兔子、狐狸等考虑进去,但比
2813 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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图 5摇 雏菊世界温度调节反射率敏感性分析
Fig. 5摇 Albedo sensibility analysis of Daisyworld忆s temperature regulation
设 Aw为白雏菊反射率; Ab为黑雏菊反射率; Ag为裸地反射率,则图中,A的反射率组合为: Aw =0. 75, Ag =0. 5, Ab =0. 25;B的反射率组合
为: Aw =0. 9, Ag =0. 5, Ab =0. 1;C的反射率组合为: Aw =0. 6, Ag =0. 5, Ab =0. 4
初始面积假设为:白雏菊 250 英亩;裸地 500 英亩;黑雏菊 250 英亩
起真实地球系统的复杂性,显然远远不够。
(4)生物与环境反馈关系过于简单。 雏菊模型只包含一个温度鄄生长的反馈关系,现实世界中则存在着多
种环境变量与不同的生物之间的高度复杂的反馈关系。 生物的某些行为,例如呼吸、新陈代谢、应激反应、生
殖等,显然与环境变化也有重要关系。 另外,生物多样性与环境调节功能的反馈关系也是未来需要进一步研
究的焦点问题。
(5)雏菊模型只考虑生物鄄环境关系,没有考虑人为活动的影响。 当前,人类活动显著改变着地球陆地、海
洋、大气、岩石等圈层,并影响生物组成、结构与分布。 在这样的背景下,盖娅假说如果不考虑人为因素的影
响,其得出的结论往往与现实相悖。 例如,盖娅假说预测大气组成将受生物过程的调节,并保持适合生物生存
的水平。 但自从工业革命以来,地球大气 CO2 浓度已经上升了 35% ,生物圈吸收 CO2 的速度却只提高了
2% [27]。 上述现象,Lovelock在《盖娅的复仇》和《盖娅消失的面孔:最后的警告》中也提到了,他认为“地球即
将进入一个长达 10 万年的病态发热期冶 [18,28]。
因此,如前演示,这样一个极度简化的雏菊世界模型必然呈现简单的系统行为。 由于盖娅假说主要考虑
生物鄄环境的关系,没有将人类活动考虑进去,最近全球变化的许多事实都在盖娅假说的讨论范围之外。 为了
使模型与现实世界更相符,迫切需要设计更为精细的模型,包含更多的环境、生物变量以及反馈关系和人类活
动因素,最终能够将盖娅系统融入到自然鄄人类耦合的大系统中。
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4813 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 10 May,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Special Topics in Soil and Water Conservation of County Changting, Fujian Province
Spatiotemporal dynamics of the bare soil cover in the Hetian basinal area of County Changting, China, during the past 35 years
XU Hanqiu (2946)
……
……………………………………………………………………………………………………………………
Analysis of fractional vegetation cover change and its impact on thermal environment in the Hetian basinal area of County Chang鄄
ting,Fujian Province, China XU Hanqiu, HE Hui, HUANG Shaolin (2954)……………………………………………………
Dynamic of soil organic carbon pool after restoration of Pinus massoniana in eroded red soil area
HE Shengjia, XIE Jinsheng, ZENG Hongda, et al (2964)
……………………………………
…………………………………………………………………………
RUSLE鄄based quantitative study on the soil erosion of the Hetian basin area in County Changting, Fujian Province, China
YANG Ranran, XU Hanqiu, LIN Na, et al (2974)
…………
…………………………………………………………………………………
Land use changes in a reddish soil erosion region of Southern China: Hetian Basin, County Changting
LIN Na, XU Hanqiu, HE Hui (2983)
………………………………
………………………………………………………………………………………………
Remote鄄sensing estimate of the carbon storage of subtropical Pinus massoniana forest in the Hetian Basin of County Changting,
China HUANG Shaolin, XU Hanqiu, LIN Na, et al (2992)………………………………………………………………………
Mutation of soil fertility quality in the red eroded area of southern China:A case study in Changting County, Fujian Province
CHEN Zhiqiang, CHEN Zhibiao (3002)
………
……………………………………………………………………………………………
Frontiers and Comprehensive Review
The temperature dependence of soil organic matter decomposition and CO2 efflux: a review
SHEN Zhengtao,SHI Bin,WANG Baojun,et al (3011)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Progress and prospects on cyanobacteria bloom鄄forming mechanism in lakes
MA Jianrong, DENG Jianming, QIN Boqiang,et al (3020)
……………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Autecology & Fundamentals
Characteristics of concentrations and carbon isotope compositions of dissolved inorganic carbon in soil water under varying vegeta鄄
tionsin karst watershed LIANG Xuan, WANG Zhijun, YUAN Daoxian, et al (3031)……………………………………………
The traits of diapause development of overwinter eggs in Rammeacris kiangsu Tsai (Orthoptera: Arcypteridae)
ZHU Daohong, CHEN Yanyan, ZHAO Qin (3039)
………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis of gamete compatibility between Crassostrea hongkongensis and C. gigas
ZHANG Yuehuan, WANG Zhaoping, YAN Xiwu, et al (3047)
………………………………………………………
……………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Avifaunal community structure and species diversity in the Mt. Qomolangma National Nature Reserve, Tibet, China
WANG Bin,PENG Boyong,LI Jingjing,et al (3056)
…………………
………………………………………………………………………………
Impact of logging on carbon density of broadleaved鄄Korean pine mixed forests on Changbai Mountains
QI Lin, YU Dapao, ZHOU Wangming,et al (3065)
………………………………
………………………………………………………………………………
Community structure and species diversity of fish assemblage in the coastal waters of Jiaozhou Bay
XU Binduo, ZENG Huihui, XUE Ying, et al (3074)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Assessment of heavy metal contamination in the soil鄄plant system of the Suaeda salsa wetland in the Yellow River Estuary
WANG Yaoping, BAI Junhong, XIAO Rong, et al (3083)
…………
…………………………………………………………………………
The effects of different original state on grassland community restoration succession
YANG Chen, WANG Wei, WANG Shiping, et al (3092)
……………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of fertilization gradients on plant community structure and soil characteristics in alpine meadow
WANG Changting, WANG Genxu, LIU Wei, et al (3103)
………………………………
…………………………………………………………………………
Pattern鄄controlling mechanics of different age classes of Stellera chamaejasme population in degraded alpine grassland
GAO Fuyuan,ZHAO Chengzhang (3114)
………………
……………………………………………………………………………………………
Soil organic carbon pool at the western side of the sygera mountains, southeast Tibet, China
MA Heping,GUO Qiqiang,LIU Heman,et al (3122)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Correlation between foliar 啄13C and foliar trait factors of dominant species in Castanopsis carlessii forests in Lingshishan National
Forest Park WANG Yingzi (3129)…………………………………………………………………………………………………
Influences of artificial Kandelia obovata mangrove forest rehabilitation on the macrobenthos in Ximen Island
HUANG Li, CHEN Shaobo, CHOU Jianbiao, et al (3138)
…………………………
…………………………………………………………………………
Responses of soil microbial properties in soil profile to typical vegetation pattern and slope in karst鄄cluster depression area
FENG Shuzhen, SU Yirong, QIN Xinmin, et al (3148)
…………
……………………………………………………………………………
Correlation among vegetation characteristics, temperature and moisture of alpine meadow in the Qinghai鄄Tibetan Plateau
XU Manhou, XUE Xian (3158)
……………
……………………………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
The temporal and spatial variation of the value of ecosystem services of the Naoli River Basin ecosystem during the last 60 years
ZHAO Liang, LIU Jiping, TIAN Xuezhi (3169)
……
……………………………………………………………………………………
Sensitivity analysis of climate control in the Daisyworld model based on system dynamics CHEN Haibin,TANG Haiping (3177)……
Resource and Industrial Ecology
Analysis of key climatic factors influencing on seed cotton yield in cotton鄄wheat double cropping
HAN Yingchun,WAN Guoping,FAN Zhengyi,et al (3185)
………………………………………
…………………………………………………………………………
The effect of low鄄covered sand鄄fixing forest belts on restoration of the soil and vegetation
JIANG Lina, YANG Wenbin, LU Qi,et al (3192)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Dissolution rate under soil in karst areas and the influencing factors of different land use patterns
LAN Jiacheng, FU Wali, PENG Jingtao, et al (3205)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Measuring external benefits of agricultural land preservation: an application of choice experiment in Wuhan, China
CHEN Zhu, JU Dengping, ZHANG Anlu (3213)
…………………
……………………………………………………………………………………
Research Notes
Effect of temperature and feeding frequency on asexual reproduction and polyp growth of the scyphozoan Cyanea nozakii Kishinouye
SUN Ming, DONG Jing, CHAI Yu, LI Yulong (3222)……………………………………………………………………………
The research on Buteo hemilasius nest鄄site selection on the west bank of Dalai Lake in Dalai Lake Natural Reserve
ZHANG Honghai, WANG Ming, CHEN Lei,et al (3233)
…………………
…………………………………………………………………………
Estimating rodent density using infrared鄄triggered camera technology ZHANG Shusheng, BAO Yixin, WANG Yanni, et al (3241)…
8423 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
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争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索自然奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,促
进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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Vol郾 33摇 No郾 10 (May, 2013)
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