一种生态系统能量传输效率的计算方法及装置、电子设备

技术领域

本申请涉及生态学技术领域，尤其涉及一种生态系统能量传输效率的计算方法及装置、电子设备。

背景技术

生态系统的能量传输效率是评估生态系统功能和稳定性的重要指标之一。当前计算生态系统能量传输效率的方法可以分为三类：饮食估计、生产量估计、基于模型的估计等。基于模型的估计方法中包含的模型有：食物网模型、能量通量模型、尺寸谱模型、营养模型。当前方法中饮食估计的缺点是营养水平高度依赖于如何选择解决相关食物网节点(个体，种群，物种，功能群，大小类)。个体饮食的时间变化取决于物种、食物的可得性和在任何给定时间存在的生命阶段(例如，同一物种的幼鱼和成年鱼经常吃不同的猎物)，这使计算效率的情况进一步复杂化。

食物网的量化遇到了许多实际问题，方法和后勤方面的限制往往妨碍同时测量量化碳(C)流所需的所有流量。此外，经验性食物网分析工具，如肠道内容分析法，有偏差且耗时，只能提供膳食组成的快照量化。除非对所有营养联系进行量化，否则仍无法进行集合水平的假设检验。近几十年来，人们开发了一些工具，如稳定同位素示踪剂和建模程序，作为提高我们对食物网联系的认识的替代方法，但其用途仍仅限于为假设检验提供定量数据。

生态系统能量传输效率的计算方法可以使用多种途径，基于模型的估计是一种常用的方法。以下是基于模型的估计计算生态系统能量传输效率的一般步骤：1.确定模型的结构：选择适当的模型来描述生态系统中能量传输的过程。模型可以是定量的(如动态能量平衡模型)或定性的(如食物网模型)，取决于研究的目的和可用的数据。2.收集数据：收集所需的数据来支持模型的参数估计和验证。这可能包括生物群体的生物量、生产力数据、食物链关系、能量流动的速率等。3.参数估计：使用收集的数据来估计模型中的参数。这可以通过实地观测、实验或文献回顾等方法来完成。参数估计可以帮助模型更好地反映实际生态系统的特征。4.模拟模型：使用参数估计的模型来模拟生态系统中能量传输的过程。这可能涉及到对生态系统的时间和空间尺度的考虑，以及考虑环境因素的影响。5.计算能量传输效率：基于模拟的结果，计算生态系统中能量传输的效率。这通常包括计算能量从一个层级传递到下一个层级的百分比或比率。传输效率的计算可能涉及到能量的净捕获、损失和转化等因素。6.敏感性分析和验证：对模型进行敏感性分析，评估参数估计的不确定性对结果的影响。同时，将模拟结果与实际观测数据进行验证，以验证模型的可靠性和准确性。基于模型的估计方法可以提供对生态系统能量传输效率的定量估计。然而该方法耗时耗力、过于复杂、而且误差较大，亟需新的方法弥补这些不足。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种生态系统能量传输效率的计算方法及装置、电子设备，以解决相关技术中存在的耗时耗力、过于复杂、而且误差较大的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种生态系统能量传输效率的计算方法，包括：

从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本；

对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例，再根据所述同位素比例计算同位素分馏率；

根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质；

使用WinSAAM软件分析各房室间示踪剂数量的时间变化以及同位素分馏率来确定各区间的碳转移率；

将所述碳转移率输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；

通过分析生态系统指数获得生态系统能量传输效率。

可选的，从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本，包括：

从生态系统中选择生物组织或环境介质样本；

将采集的样本进行处理，以获取可以进行稳定同位素分析的标本。

可选的，对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例，再根据所述同位素比例计算同位素分馏率，包括：

使用稳定同位素分析仪器测量样品中元素的同位素比例；

基于所述同位素比例，计算样品中的同位素分馏率，利用以下公式计算所述同位素分馏率；

式中：δ表示同位素分馏率；R

可选的，根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质，包括：

分析生态系统的特征，包括生态组成、能量流动关系、生态相互作用；

基于分析的结果，构建模型，将生态系统划分为不同的房室，每个房室代表不同的生物组织或环境介质。

可选的，将所述碳转移率输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；包括：

将所述碳转移率被输入网络分析软件(EcoNet)，以确定能量循环模式，并量化直接和间接流对该生态系统的相对贡献；

根据所述相对贡献，计算出生态系统指数。

可选的，所述生态系统指数包括：

芬恩系数FCI、间接效应指数、系统总吞吐量(TST)、通流(N)和储存(S)，其中所述生态系统中的能量循环量或FCI反映了系统的成熟度和复原力，由这些指数分析生态系统能量传输效率。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种生态系统能量传输效率的计算装置，包括：

采集模块，用于从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本；

同位素分析模块，用于对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例，再根据所述同位素比例计算同位素分馏率；

房室模型建模模块，用于根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质；

碳转移率确定模块，使用WinSAAM软件分析各房室间示踪剂数量的时间变化以及同位素分馏率来确定各区间的碳转移率；

Econet分析和计算模块，将所述碳转移率输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；

能量传输效率计算模块，通过分析生态系统指数获得生态系统能量传输效率。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请将稳定同位素标定技术和房室模型相结合的计算方法，实现对生态系统能量传输过程的定量评估和分析，从而准确计算生态系统的能量传输效率，也能进一步理解和评估生态系统的功能和稳定性。现有技术的一些不足有耗时耗力、过于复杂、而且误差较大。例如：胃含物分析的缺点是只反映了短期的摄食活动，无法说明更长时间尺度上动物吸收的那部分食物，且耗费时间。稳定同位素(天然丰度和富集度)和混合模型方法的缺点是在富集实验中很难确定是否已达到同位素平衡，特别是当富集程度随时间变化时，因此可能会违反系统处于平衡状态的假设，也没有说明生物之间的物质释放或回流率。本发明中的方法，将稳定同位素标定技术和房室模型相结合，就可以解决传统方法的不足之处。结合稳定同位素技术和房室建模技术，几乎可以即时测量隔间之间的碳流量，并提供生态系统功能的敏感指示，例如碳循环以及食物网中直接和间接流量的相对贡献。这种方法的独特能力为使用这种方法对食物网对操纵实验的反应进行定量假设检验提供了很大的优势。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种生态系统能量传输效率的计算方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的用WinSAAM建模估算的底栖微藻(MPB)、多毛类幼虫、水蚤、线虫和士兵蟹之间的碳转移率图(微宇宙实验)。

图3是根据一示例性实施例示出的用WinSAAM建模估算的底栖微藻(MPB)、多毛类幼虫、水蚤、线虫和士兵蟹之间的碳转移率图(野外实验)。

图4是根据一示例性实施例示出的

图5是根据一示例性实施例示出的一种生态系统能量传输效率的计算装置的框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

名称解释：

稳定同位素标定：稳定同位素是指自核合成后一直保持稳定的元素同位素，其半衰期大于10

房室模型：是一种用于研究生态系统中气体交换和物质流动的实验方法。在房室模型中，使用一个封闭的空间来模拟目标生态系统的特定部分，以便更好地理解和量化其中的过程。被广泛应用于研究和量化生态系统中的各种生物和化学过程，如光合作用、呼吸作用、分解作用、氮循环、水分蒸发等。

生态系统能量传输效率的计算方法可以使用多种途径，基于模型的估计是一种常用的方法，然而这种方法耗时耗力、过于复杂、而且误差较大，亟需新的方法弥补这些不足。

图1是根据一示例性实施例示出的一种生态系统能量传输效率的计算方法的流程图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

S1：从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本；

S2：对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例，再根据所述同位素比例计算同位素分馏率；

S3：根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质；

S4：使用WinSAAM软件分析各房室间示踪剂数量的时间变化以及同位素分馏率来确定各区间的碳转移率；

S5：将所述碳转移率输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；

S6：通过分析生态系统指数获得生态系统能量传输效率。

由上述实施例可知，本申请结合稳定同位素技术和房室建模技术，提供了一种定性和定量分析食物网的替代方法。几乎可以即时测量隔间之间的碳流量，并提供生态系统功能的敏感指示，例如碳循环以及食物网中直接和间接流量的相对贡献。这种方法的独特能力为使用这种方法对食物网对操纵实验的反应进行定量假设检验提供了很大的优势。目前关于生态系统能量传输效率的衡量方法耗时耗力、过于复杂、而且误差较大，亟需新的方法弥补这些不足。本申请中所述方法可以解决现有传统方法的不足。

在S1的具体实施中，从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本；

具体地，从生态系统中选择生物组织或环境介质样本，将采集的样本进行处理，以获取可以进行稳定同位素分析的标本。实例中，我们首先收集河口滩涂食物网的不同生物组织样本，如多毛类幼体、水蚤和线虫等。

在S2的具体实施中，对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例，再根据所述同位素比例计算同位素分馏率；可以包括以下步骤：

S21：使用稳定同位素分析仪器测量样品中元素的同位素比例；

具体地，富集碳酸氢钠用于追踪C流。然后对这些样本进行稳定同位素分析，测量其

S22：基于所述同位素比例，计算样品中的同位素分馏率，利用以下公式计算所述同位素分馏率；

式中：δ表示同位素分馏率；R

具体地，利用该公式计算碳同位素分馏率，即：

在S3的具体实施中，根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质；可以包括以下子步骤：

S31：分析生态系统的特征，包括生态组成、能量流动关系、生态相互作用；

具体地，调查该食物网的基本特征，量化亚热带河口滩涂食物网中的碳流、回流和循环。重点食物网由一系列区块以及这些区块之间的流动组成。该食物网由三个营养级组成：底栖微藻、三个主要小型底栖动物群(多毛类幼体、水蚤和线虫)和士兵蟹。

S32：基于分析的结果，构建房室模型，将生态系统划分为不同的房室，每个房室代表不同的生物组织或环境介质。

具体地，将该滩地的食物网分为5个房室：底栖微藻C源房室、多毛类幼虫房室、水蚤房室、线虫房室、士兵蟹房室。

在S4的具体实施中，使用WinSAAM软件分析各房室间示踪剂数量的时间变化以及同位素分馏率来确定各区间的碳转移率；

具体地，WinSAAM软件是一个用于系统分析、建模和模拟的软件。它可以在医学、生物学、生态学等领域中用于模拟和预测不同系统的行为。使用稳定同位素特征标准公式

在S5的具体实施中，将所述碳转移率输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；可以包括以下步骤：

S51：将所述碳转移率被输入网络分析软件，以确定能量循环模式，并量化直接和间接流对该生态系统的相对贡献。

具体地，网络分析(Ecological Network Analysis，ENA)，是一种生态学方法，用于分析生态系统中不同物种之间的相互作用和能量流动。使用WinSAAM确定的碳转移率被输入网络分析软件EcoNet，以确定能量循环模式，并量化直接和间接流对该系统的相对贡献。EcoNet是一种模拟和网络分析软件，有助于评估生态系统的食物网结构。之所以使用该软件，是因为它将动态模拟与ENA整合在一起。EcoNet是少数同时包含确定性算法和随机算法的软件程序之一。EcoNet使用网络环境分析来量化各部分、环境输入和输出之间的实际关系。选择的方法是确定性方法(四阶Runge-Kutta)，灵敏度设定为0.01，并反复进行直到系统达到稳定状态。之所以选择四阶Runge-Kutta求解器，是因为它在模型的复杂性和迭代过程的持续时间之间实现了最佳平衡，经过分析可得出该房室模型是准确的，稳定性分析是在MPB的输入值变化±10％后，计算模型的新解。EcoNet经过10000次迭代后，两个实验都达到了稳健的稳态值。在MPB储存量变化±10％的情况下，每次模拟的时间进程图都会导致每个区室的解重叠。

S52：根据所述相对贡献，计算出生态系统指数。

具体地，采用了芬恩系数FCI、间接效应指数、系统总吞吐量(TST)、通流(N)和储存(S)分析。系统中的能量循环量或FCI反映了系统的成熟度和复原力。FCI取自总流量中用于循环的部分，定义为循环量与生态系统中所有流量总和的比值。芬恩系数计算：

在S6的具体实施中，通过分析生态系统指数获得生态系统能量传输效率。

具体地，通过分析可得：野外的系统指数芬恩系数FCI、间接效应指数和TST均高于微观世界(FCI：微观世界＝0.07，野外＝0.61；间接效应指数：微观世界＝0.21，野外＝5.9；TST：微观世界＝53.4l微克C/cm

因此，该方法结合了稳定同位素富集技术、房室建模和ENA的功能，可同时评估河口滩涂食物网的结构和功能。该方法的优点是对食物网结构和生态系统功能的定量评估；由于不要求系统达到平衡状态，因此估算通量的灵活性和准确性都很高；适用于微观和宏观生物体；可估算分区之间的时间整合物质同化通量；通过比较操纵实验中的流速和系统指数，可进行假设检验以比较功能。

与前述的生态系统能量传输效率的计算方法的实施例相对应，本申请还提供了生态系统能量传输效率的计算装置的实施例。

图5是根据一示例性实施例示出的一种生态系统能量传输效率的计算装置框图。参照图5，该装置包括：

采集模块1，用于从生态系统中选择生物组织或环境介质，采集稳定同位素标本；

同位素分析模块2，用于对采集的稳定同位素样本进行分析，确定同位素比例和同位素分馏率参数；

房室模型建模模块3，用于根据生态系统的特征和结构，构建房室模型，其中所述房室模型将生态系统划分为不同的房室，并考虑不同的房室之间的能量传输通道，所述不同的房室代表不同的生物组织或环境介质；

WINSAAM确定碳转移率模块4，使用WinSAAM分析各房室间示踪剂数量的时间变化以及同位素分馏率来确定各区间的碳转移率；

Econet分析和计算模块5，将WinSAAM确定的碳转移率输入EcoNet，以确定能量循环模式，并计算生态系统指数；

能量传输效率计算模块6，通过分析生态系统指数获得生态系统能量传输效率。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的生态系统能量传输效率的计算方法。

相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的生态系统能量传输效率的计算方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。