模式生态系统

[拼音]：moshi shengtai xitong

[外文]：model ecosystem

又称小生态系统或微宇宙。它是一种实验装置，用来模拟自然的或受干扰的生态系统的变化特性和化学物质在其中的迁移、转化、代谢、归宿的规律。

20世纪50年代以来，工业生产排放出的有毒、有害的化学物质，大量进入河流、湖泊、海洋、大气、土壤、生物，并通过食物链进入人体，危害愈来愈大。因此，除了系统进行野外调查、田间试验以及定点、定位的研究和监测外，还需要用模式生态系统的方法进行研究。

简史

美国 R.L.梅特卡夫在 60年代开始用简单的“试管”和“田间池”等小型模型研究农药在生态系统中的归宿。60年代中期美国国立橡树岭实验室应用模式生态系统来研究放射性元素在生态系统中的循环，利用同位素标记的方法来观察化学物质在生态系统各成分之间的变化和积累。70年代后期，美国环境保护局科瓦利斯环境研究室又创建一种陆地微宇宙室。最近几年有人利用微宇宙来研究营养物循环和重金属对森林地被物－土壤碳代谢和营养物循环的影响。由于生态系统影响的多样性和复杂性，建立一个能代表实际情况的模式生态系统，其费用和难度都是较大的。

中国在70年代初期开始进行一些单项因子的室内模拟实验。70年代后期在一些研究中较普遍地开展了模拟实验。如利用土柱、水柱淋滤来模拟重金属等化合物在土壤和水体中的迁移;控制空气飘尘研究苯并(a)芘污染水稻的模拟实验。这些都只是生态系统的一部分，而不是整体。

类型

模式生态系统按其模拟的不同类型可分为：

陆地模式生态系统(包括森林、农田、草地等)

这种模式生态系统比较广泛地用来研究农药对农田生态系统的影响和农药的归宿。系统是由空气系统（包括空气采样系统）、水系统、土壤和地下水系统组成的封闭的有机玻璃小室。室内模拟自然的环境条件（土壤、降雨、温度、光照、湿度）和生物变化，每种农药都用14碳标记，以测定土壤、水分、空气、植物不同器官以及动物等参数中的农药含量，并观察其代谢过程。可以利用非封闭的模式生态系统来研究酸雨对森林生态系统的影响。由于酸雨会使森林的一些营养物遭到破坏或使另一些营养物降低效能。因此，可以用营养物循环作为基础理论，确定概念模式，并根据概念模式和酸雨对森林地区影响的实际情况，设计出在半控制田间条件下不同浓度酸雨对森林生态系统影响的试验模式。即设置若干个森林生态系统小区，小区内包括森林、土壤以及从现场取来的林下植物、地被物、昆虫等。在不同深度安装自动采集土壤水分的装置，模拟降雨和云量，确定营养物循环的主要参数，并进行测定，预测酸雨对森林的影响或危害，并提出预防和恢复的措施。此外，还利用陆地模式生态系统来研究污染物浓度随时间的连续变化同生物的关系。

水陆模式生态系统

在基质不同的陆地部分施入农药或含重金属化合物（如氯化汞和氯化铅）的污泥，种植高粱；水体部分有浮游植物和动物，还有蛇、鱼、孑孓等，形成一个陆-水的分界面。用同位素标记各种农药，研究化学物质在水陆生态系统和食物链中的归宿，测定不同基质中各种成分的化学物质含量，用数学模式表示。

水生模式生态系统

A.R.伊森西伊等修改了R.L.梅特卡夫的模式生态系统，设计了水生模式生态系统，模拟农药进入水生环境的主要路线。用14碳标记农药，研究生物对农药的积累和代谢能力以及积累和代谢结果的变异，测定生物积累的比例和种群对污染物反应的变异系数。

另外，按污染的性质可分为农药污染模式生态系统、重金属污染模式生态系统、放射性物质污染模式生态系统、无机元素循环模式生态系统；按模拟的时间可分为短期（几天或十几天）的和长期的模式生态系统。

设计

设计一个合理的模式生态系统，首先要调查研究所模拟的生态系统的成分和特性，包括试验物质的物理和化学特性。如果是易挥发的化学物质，为了控制其气相的运转途径，必须用封闭的试验系统。应避免复杂生态系统的不均匀性并考虑到它的稳定性。其次根据生态系统的实际规律和模拟的基础理论，确定概念模式。为此，必须考虑到自然生态系统的整个过程，然后制定方框图，再根据实验目的设计出实验模式。模式主要参数的选择应是有限的和容易确定的。在一个复杂的生态系统中，参数的数目取决于系统的成分和特性的相似情况。对某种化学物质归宿的模拟，要将模拟结果概念化，形成一个对该化学物质运转途径的描述和预测的方程式。模拟系统成分之间的参数的敏感性和化学物质的运转可以用标准途径的分析来计算。

建立模式生态系统还要考虑到体积大小和复杂程度。体积小，费用较低，重复实验的机会较多，适合于实验室和温室使用。但体积小，参数的数值会由于边缘效应和成分之间相互影响而不显著。

此外，还应当注意模式生态系统的重复性问题。伊森西伊研究了水生模式生态系统中农药的生物积累能力及其变异性，认为采用2～3个重复时，可以每个重复的多数分析结果代表其平均数，并求出变异系数和标准误差，否则会产生很大的差异。重复的数目增加，变异性就减少；但另一方面要避免实验本身的变异性，如利用年龄和生理条件相同的生物体，并加以慎重选择，可减少由于遗传变异而引起的问题。他还认为，研究农药代谢的模式生态系统的重复不需要像研究积累和行为影响那样多。

研究工业污染物在各类生态系统的运动规律，利用模式生态系统模拟正常的和受污染的生态系统中污染物的迁移、转化、积累和机理是环境科学和生态学研究中的一个重要课题。

参考书目

J.J.Lee，A Study of the Effects　of　Acid Rain on　Model　Forest　Ecosystems　U.S.Environmental　Protection Agency，1976.G.C.Butler，Principles of　Ecotoxicology，John Wiley & Sons，New York，1978.