湿地生境与健康

基于生物量概念的互花米草时空分布元胞自动机模型

  • 蔡晗 ,
  • 李薇 , *
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李薇,副教授。E-mail:

蔡晗(2000—),男,河南省许昌人,硕士研究生,从事植被水流相互作用模拟研究。E-mail:

收稿日期: 2024-08-16

  修回日期: 2025-01-22

  网络出版日期: 2026-03-12

版权

版权所有©《湿地科学》编辑部2026
蔡晗, 李薇. 基于生物量概念的互花米草时空分布元胞自动机模型[J]. 湿地科学, 2026, 24(1): 11-21 [Cai H, Li W. Cellular automaton model of Spartina alterniflora spatial-temporal distribution based on biomass concept. Wetland Science, 2026, 24(1): 11-21

Cellular automaton model of Spartina alterniflora spatial-temporal distribution based on biomass concept

  • Cai Han ,
  • Li Wei , *
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Received date: 2024-08-16

  Revised date: 2025-01-22

  Online published: 2026-03-12

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Copyright ©2026 Wetland Science. All rights reserved.

摘要

互花米草(Spartina alterniflora)入侵严重威胁滨海湿地生物多样性与生态功能,研究互花米草生长扩张过程对湿地生态和资源综合管理至关重要。本文构建了基于生物量概念的元胞自动机模型以模拟互花米草的时空分布,通过在计算中引入生物量,突破了传统模型仅能反映植被“有”或“无”状态的局限。模型采用摩尔邻域法则进行空间迭代计算,并综合考虑了淹水深度(表征水动力胁迫)、生长大周期(反映个体发育)、季节性物候变化等环境与生理约束。将这些因素作为修正系数动态调整元胞生长,以准确模拟盐沼生态系统中植被面积和密度变化的时空分布。选取江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区,以2000年5月的互花米草面积和密度分布为初始条件,对其15 a的生长扩张过程进行模拟。结果显示,2015年10月互花米草的密度分布模拟值与遥感解译数据之间的Pearson相关系数达到0.8247,表明模型在重现长期时空动态方面具有较高的可靠性与预测精度。此外,通过敏感性分析,界定了模型关键参数的合理取值范围,为模型的进一步应用提供了参数选择依据。本研究建立的元胞自动机模型不仅为河口湿地入侵物种的生态管理、资源保护及修复决策提供了强有力的技术支持,也为类似生态系统的研究提供了新的视角和方法。

本文引用格式

蔡晗 , 李薇 . 基于生物量概念的互花米草时空分布元胞自动机模型[J]. 湿地科学, 2026 , 24(1) : 11 -21 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.20240226

Abstract

The invasion of Spartina alterniflora (Smooth Cordgrass) in coastal wetlands has emerged as a pressing ecological challenge, significantly threatening native biodiversity and impairing critical ecosystem functions such as sediment stabilization, carbon sequestration, and habitat provision for migratory species. In response, comprehensive investigations into the spatiotemporal dynamics of this invasive species are urgently needed to inform effective ecosystem management and resource conservation strategies. This study addresses this imperative by developing an innovative biomass-based cellular automaton (CA) model specifically tailored to simulate the complex expansion patterns of S. alterniflora in salt marsh environments. Traditional CA models for vegetation dynamics often suffer from oversimplification, typically reducing vegetation presence to binary ‘on/off’ states without accounting for growth intensity or physiological responses. Our model advances this framework by incorporating biomass as a continuous variable, enabling nuanced representations of vegetation health, growth stages, and stress responses. The model employs Moore’s neighborhood rules for spatial iteration, which consider eight surrounding cells to more realistically capture seed dispersal and vegetative spread patterns. Key environmental and physiological constraints are integrated as dynamic correction factors: water depth (quantifying hydrodynamic stress), growth macrocycle (mapping individual developmental stages), and seasonal phenological changes (accounting for dormancy and active growth periods). This multi-parameter approach allows for accurate simulation of vegetation area and density distribution across heterogeneous wetland landscapes. The model was applied to the Jiangsu Yancheng Wetland National Nature Reserve, a representative coastal ecosystem, using May 2000 distribution data as initial conditions to simulate a 15-year expansion period. Validation against October 2015 remote sensing data demonstrated exceptional performance, with a Pearson correlation coefficient of 0.8247 between simulated and observed density patterns. This strong agreement confirms the model’s capacity to replicate long-term spatiotemporal dynamics with high fidelity. Furthermore, rigorous sensitivity analysis identified critical parameter thresholds for biomass accumulation rates and growth macrocycle, establishing robust operational ranges for model application in unstudied regions. The developed CA model represents a significant methodological advancement, offering valuable technical support for invasive species management in coastal wetlands. Its applications extend to informing restoration strategies, optimizing control measures, and supporting conservation planning. Beyond immediate practical utility, the model provides a novel analytical framework that can be adapted to study other invasive species or ecosystem types, thereby contributing to broader ecological research and management efforts. By bridging the gap between theoretical modeling and ecological reality, this study enhances our capacity to predict and mitigate the impacts of biological invasions on vulnerable wetland ecosystems.

河口湿地作为陆海交汇区的重要组成部分,承担着生态系统服务、生物多样性保护、环境净化等关键功能[1-4]。自20世纪80年代从北美洲引种互花米草(Spartina alterniflora)以来[5],其繁衍速率和影响受到了环境学家和生态学者的广泛关注。一方面,互花米草可降低近岸波浪能量、有效防止海岸侵蚀[6-10];另一方面,互花米草极强的生存和繁殖能力使其种群面积不断扩张,对原生生态系统的多样性构成威胁和破坏[11-15]。因此,研究互花米草的生长和扩张过程对河口湿地生态和资源综合管理具有重要意义。
目前,互花米草的实地和遥感观测及其与芦苇(Phragmites australis)、海三棱藨草(Bolboschoe-noplectus mariqueter)等滩涂植被的竞争关系研究较多[16-21],基于此,提出了多种互花米草生物量计算方法。Morris等[22]根据美国南卡罗来纳州北叉河口的实地观测数据,建立了平均高潮位下滩面水深与植被生物量的二次函数关系;Mudd等[23]在一维盐沼数学模型中考虑了植被生物量与淹没时间之间的线性关系;Li等[24]对江苏大丰和如东两地互花米草沼泽的观测分析,发现植被生物量与海拔高度和淹没时间均呈抛物线关系。此外,White等[25]综合考虑碳氮源汇过程,建立了更为复杂的植被生物量模型;Maksimov等[26]基于非平衡态热力学理论提出了植物生长势的概念,并结合Ross方程和环境因子参数,建立了基于植被生化过程的生物量模型。以上生物量计算对于定量评估某一特定环境下的植被覆盖度非常关键。
目前,诸多学者利用概念模型在盐沼植被动态模拟领域积极探索,Xu等[27]构建的3D完全耦合植被–水动力–形态建模系统,模拟了盐沼发展各阶段及多种因素对植被扩张的影响,为盐沼恢复提供了关键数据。张荣成等[28]建立的二维生物动力地貌模型,揭示了盐沼植被簇团与潮沟系统的复杂相互作用机制,有助于海岸保护修复。近年来,元胞自动机(Cellular Automata, CA)模型也逐渐被用于植被时空分布的动态模拟[29-30]。作为一种空间动力学模型,CA通过离散的元胞和相对简单的转换规则,可实现对元胞中植被状态的高效迭代计算,从而显著减少复杂生态系统的模拟时间,使中长时间尺度的植被状态模拟成为可能。管玉娟[31]运用遥感技术、地理信息系统和计算机视觉技术,优化了基于均匀扩散规则的CA模型,成功模拟了2003—2004年九段沙中沙的互花米草动态扩张过程。张思青等[32]结合CA模型和遥感技术,模拟了2016—2018年黄河三角洲互花米草的时空分布,并考虑了本地植被如芦苇及盐地碱蓬(Suaeda salsa)等对其扩张的影响。Sun和Li等[33]基于Logistic函数的元胞自动机(LPCA)模型研究了植被簇的形成和演化过程。Yao等[34]通过在元胞转换规则中构建马尔可夫转移矩阵,提高了湿地植被时空分布的模拟精度。
尽管如此,现有CA模型中元胞植被仅呈现“有”或者“无”两种状态,因此仅能预测植被分布面积的时空变化,而不能反映天然状态下植被密度的非均匀分布情况。为了更完善地考虑植被的自然生长规律,本研究以互花米草为例,在元胞自动机模型中引入互花米草的生物量计算,同时在转换规则中考虑淹水深度、生长周期和季节影响,建立了能同时预测互花米草分布面积和密度的时空演变模型。此外,基于江苏盐城自然保护区的遥感影像数据,检验模型的准确度和适用性,为生态综合规划和治理提供技术支持。

1 研究地区与基础数据

江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区(以下简称盐城保护区,32°48′47″N~34°29′28″N,119°53′45″E~121°18′12″E)位于盐城市区往东40 km。受海洋和大陆气候双重影响,互花米草大量繁殖扩张,呈大面积连片带状分布。截至2023年下半年,互花米草在保护区核心区(图1a)的面积达47.50 km2,成为最主要的外来入侵物种[35]
1 Satellite images of the distribution area of Spartina alterniflora in Yancheng Nature Reserve

盐城保护区互花米草分布区域卫星影像

在核心区内选取部分区域作为模型模拟区域(图1b),区域高程分布如图2所示。高程数据为基于航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)发布的1角秒数字高程模型(DEM)数据(http://earthexplorer.usgs.gov/),空间分辨率为30 m;植被覆盖情况通过Landsat系列卫星影像提取,根据2000年5月(图3a)和2015年10月(图3b)的植被覆盖情况,验证和分析模型的计算效果。
2 Elevation distribution of the model simulation area (part of Yancheng Nature Reserve)

模型模拟区域(盐城保护区局部)高程分布

2 元胞自动机模型的构建

2.1 元胞转换规则

互花米草的扩张受有性生殖和无性生殖的共同影响。由于无性生殖产生的后代数量远超有性生殖[36],本文仅考虑无性生殖的影响。鉴于互花米草主要以分蘖的方式进行无性生殖,因此可通过元胞自动机对其繁殖与扩张过程进行模拟。值得注意的是,传统的元胞自动机模型转换规则中并不包含生物量的概念,元胞内互花米草仅呈现为“有”或“无”的状态,而本研究建立的元胞自动机模型引入了生物量概念,并在模拟过程中反映出生物量的变化。
基于Li等[24]在大丰区域(距本研究区域大约15 km)关于互花米草生物量的研究结果,本文保留抛物线形生物量公式,将Li等[24]公式中的生物量上限2 002 g/m2对应为植被覆盖度为1的情况,结合研究区域DEM高程数据和植被覆盖度(反映为各个元胞的最大生物量与2 002 g/m2的比值),得到以下互花米草的最大生物量的计算公式:
\begin{document}$ B\mathrm{_{max}}=-21.67\times\left(Z_{\mathrm{b}}-0.637\right)^2+2\ 002 $\end{document}
其中,Zb代表相对于平均海平面的高程(m);Bmax代表Zb所在位置的最大生物量(g/m2)。
3 Vegetation coverage in the model simulation area (part of Yancheng Nature Reserve)

模型模拟区域(盐城保护区局部)植被覆盖情况

由以上公式可计算任意中心元胞S及其摩尔邻域元胞(图4)的互花米草生物量,根据转换规则判断元胞状态,迭代计算互花米草的生物量积累和扩张过程。具体转换规则如下:在第K个时间步中,假设中心元胞S内的互花米草可向其摩尔邻域的8个元胞扩张,当该邻域的互花米草生物量总和\begin{document}$ B_{\mathrm{q}}^k\ge S_{\mathrm{q}} $\end{document}时(k为元胞自动机模拟中的当前时间步),中心元胞S在下一时刻的状态将会改变,否则不变。若此刻S内没有互花米草,那么下一时刻S内的互花米草生物量为\begin{document}$ B_{\mathrm{q}}^k $\end{document}/a;若此刻S内互花米草生物量为\begin{document}$ {B}^{k} $\end{document},则下一时刻S内的互花米草生物量变为\begin{document}$ {B}^{k} $\end{document}+\begin{document}$ B_{\mathrm{q}}^k $\end{document}/b。在本模型中,参数\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}(g/m2)代表生物量扩张阈值,考虑到研究区域具有适宜的气候和地形条件,初始设定为0;参数ab共同表征互花米草的扩张速度,其值越大扩张越慢。假设邻域8个元胞对中心元胞生物量变化的影响程度相同,ab取值可认为是8的倍数。为便于计算,本文令a=2b,同时这也反映了互花米草生长的阶段性特征:从无到有的定植较为困难且缓慢,而一旦定植成功,其生物量的增长则相对容易且迅速。在K+1时间步,针对中心元胞S,模型首先会计算邻域生物量,然后更新水位、水深及相应影响因子,根据植株生长阶段确定生长大周期影响因子,根据月份确定季节影响因子。最后,根据元胞转换规则及各影响因子更新元胞生物量。详细的模型计算流程如图5所示,其中各影响因子模块的计算详见下节。
4 The central cell S and its 8 Moore neighborhood cells in the cellular automaton model

元胞自动机模型的中心元胞S及其8个摩尔邻域元胞

5 Computational process of the cellular automaton model

元胞自动机模型的计算流程

2.2 功能模块

为了更完善地考虑植被的生长周期、季节变化和淹水等多重环境因素的影响,本研究构建的基于生物量概念的元胞自动机模型在根据元胞转换规则计算的中间生物量(图5\begin{document}$ {B}^{k*} $\end{document},*表示过程中的中间状态)基础上,通过各因素对应的影响因子(淹水影响因子fh;生长大周期影响因子fg;季节影响因子fs),对植被生物量进行修正(图5\begin{document}$ {B}^{k+1} $\end{document}k+1表示下一个时间步)。

2.2.1 淹水模块

袁连奇等[37]研究发现,较小淹水深度对互花米草的生长具有促进作用,而大淹水深度则会显著抑制其生长。基于该文献中不同淹水深度处理组在淹水100 d (实验最终观测时刻)时相对于实验初期的株高变化率(表1),以0 cm淹水深度为基准(影响因子为1.0),其他淹水深度对应的株高变化率与202%相除得到淹水影响因子(图6中的数据点及表2),并通过高斯函数拟合得到淹水深度与影响因子之间的关系式(图6中的黑实线)。本文中淹水深度等于保护区的潮位\begin{document}$ h\mathrm{_w} $\end{document}与地形高程\begin{document}$ Z\mathrm{_b} $\end{document}之差,潮位可通过罗锋等[38]在新洋港水文站的实测潮位数据拟合得出。因实测潮位呈周期性正弦波特征,选用正弦函数拟合潮位函数;由波峰值约2.5 m、波谷值约−1.5 m得到潮差为4 m,确定振幅系数为2;据潮位平均值约0.5 m确定常数项为0.5;因实测潮汐基本周期为12.4 h,由本模型的时间步长为1个月(一年8760 h,月均730 h,12.4 h约为12.4/730≈0.017个时间步长)得出周期参数为0.017,最终得出潮位拟合函数如下:
1 Relative height growth rate of plants after 100 days of flooding under different waterlogging depths compared with the initial experimental stage[37]

不同淹水深度处理组淹水100 d时相对于实验初期的株高变化率[37]

淹水深度/cm株高变化率/%
0202
25237
5095
7584
10081
\begin{document}$ h_{\mathrm{w}}=2\sin\left(\frac{2n\text{π}}{0.017}\right)+0.5 $\end{document}
式中,\begin{document}$ h\mathrm{_w} $\end{document}代表保护区的潮位(m);n为模拟的时间步序号,取整数。
6 Curve graph of flooding impact factors corresponding to different flooding depths

互花米草不同淹水深度对应的淹水影响因子曲线

2 Inundation impact factors corresponding to different water depths

不同淹水深度对应的淹水影响因子

淹水深度\begin{document}$ \text{/cm} $\end{document} 淹水影响因子
0 1
25 1.173
50 0.470
75 0.416
100 0.401

2.2.2 生长大周期模块

植物单个生长季内的生长可划分为生长初期、快速生长期和生长末期3个阶段,统称为生长大周期。相应地,植被生长通常遵循“慢–快–慢”的S形生长规律[39],本文通过元胞转换规则计算及影响因子修正的生物量\begin{document}$ {B}^{k+1} $\end{document}与最大生物量\begin{document}$ B_{\mathrm{max}} $\end{document}的比值来反映不同生长阶段。为了便于参数率定,将生长初期和生长末期的影响因子设为1,快速生长期的影响因子设为c (c>1),c初始设定为1.5,以此为起点展开后续深入的参数敏感性分析。各生长阶段的生物量比值范围及对应的生长大周期影响因子数值设定见表3
3 Growth cycle factors corresponding to different growth stages of Spartina alterniflora

不同互花米草生长阶段对应的生长大周期因子

生长阶段 生物量累积比\begin{document}$ B^{k+1}/B_{\mathrm{max}} $\end{document} 生长大周期影响因子
生长初期 0~1/4 1
快速生长期 1/4~3/4 c
生长末期 3/4~1 1

2.2.3 季节模块

根据张林海等[40]的实验数据,互花米草的生长速率随季节发生变化,呈现春季>夏季>0>冬季>秋季的规律。为了量化季节变化对互花米草生长的影响,通过分析该研究中各季节地上生物量的绝对增长率(AGR)(表4),以夏季的AGR作为基准值并赋值为1,其他季节的AGR除以该基准值得到相应的季节影响因子(表5)。其中,秋、冬季互花米草的影响因子小于0,表现为互花米草的季节性死亡。为了避免生物量为负值,设定其下限为0。
4 Absolute growth rate (AGR) of aboveground biomass of Spartina alterniflora in different seasons[40]

不同季节互花米草地上生物量的绝对增长率(AGR)[40]

季节 AGR/[g/(m2·a)]
17.407
10.800
−11.558
−2.546
5 Influencing factors of Spartina alterniflora corresponding to different seasons

互花米草不同季节对应的影响因子

季节季节影响因子
1.612
1
−1.070
−0.236

3 结果与分析

3.1 模型验证

将研究区域划分为54×105个元胞,每个元胞的大小为30 m×30 m。以2000年5月的互花米草生物量分布作为模型初始条件,以月为单位迭代计算至2015年10月,并与2015年10月卫星影像提取的互花米草分布比较,验证模型的计算效果。考虑到元胞自动机模型结果与遥感解译图像均为连续色调图像,通常可通过Pearson相关系数衡量这类图像的相似度。Pearson相关系数的绝对值接近1,则表示两幅图像在像素强度上存在线性关系,即视觉相似度高。因此,本文以 Pearson相关系数作为模型计算效果的评价指标,网格大小与元胞大小保持一致,计算公式如下:
\begin{document}$ r=\frac{\displaystyle\sum \left({x}_{i}-\overline{x}\right)\left({y}_{i}-\overline{y}\right)}{\sqrt{\sum {\left({x}_{i}-\overline{x}\right)}^{2}\displaystyle\sum {\left({y}_{i}-\overline{y}\right)}^{2}}} $\end{document}
式中,\begin{document}$ {x}_{i} $\end{document}\begin{document}$ {y}_{i} $\end{document}分别代表计算值和实测值,\begin{document}$ \overline{x} $\end{document}\begin{document}$ \overline{y} $\end{document}分别对应两者的均值。r为Pearson相关系数,其值域在−1到1之间。r的绝对值越接近1,表示计算值和实测值之间的相关性越强;绝对值越接近0,表示其相关性越弱。
根据前文的取值原则进行试算,当\begin{document}$ S\mathrm{_{\mathrm{q}}} $\end{document}=0,a=256,b=128,c=1.5时,2015年10月模拟结果与遥感解译结果的Pearson相关系数r(对应迭代步数K=185)可达0.8247,说明模型计算与遥感解译的实际分布在时空演化上高度一致。图7展示了研究区域模型计算与遥感解译的互花米草植被密度分布的比较。为进一步分析模型在局部尺度的计算效果,并充分考虑54×105个元胞,将研究区域划分为两类子区域:一类由15×15个元胞组成,此类子区域呈3行7列分布;另一类由9×15个元胞组成,呈1行7列分布。这样划分使每一个子区域都具备足够的代表性,在此基础上,计算了K=185时刻每个子区域的Pearson相关系数。如图8所示,大部分子区域呈现显著正相关性,说明模拟结果和实际植被密度分布存在较高的一致性,从而验证了模型的适用性。尽管如此,仍有部分子区域的相关性不显著,一方面,可能是由于这些子区域的数据量相对较少,在进行相关性分析时,少量异常数据会对结果造成较大影响。另一方面,其特定环境条件或生态过程可能与模型假设不完全匹配,例如,可能存在暂未被模型充分考虑的物种相互作用或人类活动干扰。
7 Comparison of Spartina alterniflora plant density between remote sensing interpretation and simulation results

2015年10月互花米草植被密度分布遥感解译与模拟结果比较

8 Pearson correlation coefficients between remote sensing interpretation results and simulation results in October 2015

2015年10月遥感解译结果与模拟结果的局部Pearson相关系数

3.2 参数敏感性分析

模型计算结果表明,参数选择对时空演化模拟至关重要。因此,我们进一步对模型关键参数\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}abc的取值进行敏感性分析,主要从植被分布密度(r值与1的接近程度)和迭代时间(模拟过程r取最大值时K值与185的差异)两方面考查参数影响。首先,在a=256,b=128,c=1.5的设定下,对参数\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}进行分析。如表6所示,当\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}=0时,模型表现出最高的性能,\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}值增大,随着Pearson相关系数减小,植被分布密度的相似性降低。特别地,当\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}1000时,相关系数低于0.8。同时,Pearson相关系数最大值出现的迭代步数都在K=184,这与实际2015年10月模拟对应的K=185非常接近。按一个迭代步(K=1)代表1个月计算,模拟时间上的差异在1个月左右,认为在可接受范围内。综上,当a=256,b=128,c=1.5时,\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}在0~800内变化,均可得到合理的模拟结果。
6 Simulation correlation coefficients of the biomass-based cellular automaton model under different expansion thresholds (\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document})

基于生物量概念的元胞自动机模型在不同扩张阈值(\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document})\begin{document}$ \mathrm{下} $\end{document}的模拟相关系数

\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}取值 K=185时r 模拟过程r最大值
注:\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}代表生物量扩张阈值。
0 0.824 7 0.830 4 (K=184)
50 0.824 0 0.829 7 (K=184)
100 0.823 8 0.829 5 (K=184)
200 0.823 0 0.828 7 (K=184)
400 0.820 0 0.825 7 (K=184)
600 0.814 5 0.820 3 (K=184)
800 0.806 5 0.812 2 (K=184)
1 000 0.788 7 0.794 2 (K=184)
其次,在\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}=0,c=1.5的条件下,我们进一步探讨参数ab的不同组合对模拟结果的影响。这里,仍然保持a=2b的关系。经过测试参数组合1~4 (a/b分别为64/32、128/64、256/128、512/256),发现参数组合3(a=256, b=128)时模型表现出最高的性能。在此基础上增大或减小ab的取值,Pearson相关系数均减小。特别地,参数组合1在K=172时r值就达到峰值,模型扩张速度过快。不同参数组合的相关系数如表7所示,不同参数组合对应的K=185时模拟结果如图9所示。
7 Simulation correlation coefficients of the biomass-based cellular automaton model under different expansion rate parameter (a/b) combinations

基于生物量概念的元胞自动机模型在不同扩张速率参数(a/b)组合下的模拟相关系数

参数 取值 K=185时r 模拟过程r最大值
注:ab为共同表征互花米草扩张速率的模型参数。
a/b 64\begin{document}$ / $\end{document}32 0.796 4 0.847 5 (K=172)
128\begin{document}$ / $\end{document}64 0.817 3 0.833 7 (K=184)
256\begin{document}$ / $\end{document}128 0.824 7 0.830 4 (K=184)
512\begin{document}$ / $\end{document}256 0.765 5 0.768 0 (K=184)
最后,在\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}=0,a=256,b=128的条件下,我们进一步探讨参数c的不同取值对模拟结果的影响。如表8所示,c值取1.4~1.6时,模型均表现出最高的性能。在这个范围以外,c值增大或减小,Pearson相关系数均小幅减小。由此可见,参数c对模拟结果的影响并不显著。
8 Simulation correlation coefficients of the biomass-based cellular automaton model under different growth cycle factors (c)

基于生物量概念的元胞自动机模型在不同生长大周期影响因子(c)下的模拟相关系数

参数 取值 K=185时的r 模拟过程中r的最大值
c 1.0 0.823 0 0.828 1(K=184)
1.2 0.824 2 0.829 6 (K=184)
1.3 0.824 6 0.830 1 (K=184)
1.4 0.824 7 0.830 2 (K=184)
1.5 0.824 7 0.830 4 (K=184)
1.6 0.824 7 0.830 4 (K=184)
1.7 0.824 3 0.830 1 (K=184)
1.8 0.824 1 0.829 9 (K=184)
2.0 0.823 5 0.829 3 (K=184)
3.0 0.822 0 0.828 5 (K=184)
9 Simulated spatial distribution of Spartina alterniflora under different expansion rate parameter (a/b) combinations in October 2015 (K=185)

2015年10月(K=185)不同扩张速率参数(a/b)组合下的互花米草空间分布模拟

4 讨 论

本研究构建的基于生物量概念的元胞自动机模型,对于生态学研究和生态管理具有重要意义。传统模型仅能判断植被“有”或“无”,无法呈现植被密度的非均匀分布。为解决这一问题,本模型引入生物量计算,综合考虑淹水深度、生长周期、季节变化等因素,精准模拟了互花米草在盐沼生态系统中的时空分布面积与密度变化,有助于深入理解盐沼生态系统中植被与环境的相互作用机制。本模型普适性强,能为互花米草治理提供科学依据,也可通过调整模型参数与经验关系应用于芦苇、海三棱藨草等其他湿地植被的研究。
本研究中模型参数的选择具有明确的生态学依据。生物量扩张阈值\begin{document}$ S\mathrm{_q} $\end{document}初始值设为0,是基于研究区域气候、地形条件适宜,互花米草易繁殖的特点,敏感性分析也进一步证实了该设定的合理性。扩张速度参数ab(a=2b),分别对应互花米草初始定植较慢和定植后生长较快的特性,取值基于摩尔邻域8个相邻元胞对中心元胞影响相等的假设。生长大周期影响因子c初始值设定为1.5,是基于植物“慢–快–慢”的S形生长规律。
在模型精度方面,以2000年5月江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区互花米草的面积和密度分布为初始条件,模型模拟了15 a的互花米草生长扩张过程。结果显示,2015年10月的模拟值与实测值之间的Pearson相关系数达到了0.8247,表明模型在整体上能够较好地模拟互花米草的生长动态,具有较高的可靠性。局部分析显示,大部分子区域均呈现显著正相关性,进一步验证了模型的适用性。需要注意的是,少数子区域相关性较低,这可能与局部子区域数据量偏少、易受异常数据影响,或是局部子区域的特定生态环境与模型假设不匹配(比如未考虑物种相互作用或人类活动干扰)相关。尽管如此,模型在宏观尺度上仍能精准捕捉互花米草扩张的主要规律,为入侵物种的动态模拟与生态管理提供了可靠的技术手段。
但是,本模型仍存在一定的局限性,如使用单期DEM,未考虑互花米草入侵期间引起的微地形变化;生长大周期模块仅考虑了植株单个生长季内的生长,未涉及不同入侵阶段扩散速率的不同;局部区域预测精度有待提高等。后续研究将致力于解决这些问题,进一步提升模型的准确性和实用性。

5 结 论

基于生物量概念,本文建立了能反映互花米草时空分布面积和密度变化的元胞自动机模型,采用摩尔邻域法则对元胞生物量进行迭代计算,并考虑了淹水深度、生长周期和季节变化的综合影响。模型以2000年5月江苏盐城湿地珍禽国家级自然保护区互花米草的面积和密度分布作为初始条件,对互花米草15 a的生长扩张过程进行了模拟。结果显示,2015年10月模拟值与实测值之间的Pearson相关系数达到了0.8247,表明模型整体上能够较为准确地反映互花米草的生长动态,具有较高的可靠性。通过敏感性分析发现,生物量扩张阈值\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}取0时模型性能最优,随着\begin{document}$ S_{\mathrm{q}} $\end{document}增大相关系数逐渐降低,但在0~800范围内模型性能仍保持稳定;在扩张速度参数组合中,a=256、b=128时模拟效果最佳,在此基础上增大或减小ab的取值均导致相关系数降低;生长大周期影响因子c在1.4~1.6范围内变化时模型表现最优,此范围外c值的变化会导致相关系数小幅降低,总体上对模拟结果的影响较小。综上,本研究建立的元胞自动机模型整体适用性强,可为河口湿地的生态管理和资源保护提供关键技术支撑。
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