生物能量消耗模型及氣候條件對(duì)于模型的影響

李欣悅

摘 要：本文將生物的能量消耗劃分為基礎(chǔ)代謝能、體儲(chǔ)積能、攝食熱增能、自由活動(dòng)能四個(gè)部分，并建立了生物的能量消耗和熱量攝入模型。根據(jù)Gompertz模型，通過(guò)MATLAB求出假設(shè)生物的最大體重及其能量消耗量。最后將氣候條件的影響引入上述建立的數(shù)學(xué)模型中，對(duì)已建立的模型進(jìn)行了修正，得到了氣候這一條件對(duì)生物能量消耗模型的影響。

關(guān)鍵詞：能量消耗;體重;氣候;數(shù)學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：X714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）10-0226-02

1 符號(hào)描述

本文所有符號(hào)描述如表1所示。

2 生物能量消耗模型的建立及求解

隨著生物的生長(zhǎng)，生物消耗的能量和攝入的熱量是不斷發(fā)生變化的，但是其熱量攝入量是由能量消耗量所決定的。本文將在第一部分建立描述生物的能量消耗和熱量攝入的數(shù)學(xué)模型。

通過(guò)MATLAB求解得到該生物的極限體重為15000kg，通過(guò)初始條件BW′（0）=25kg，求得常數(shù)k的值為0.1879。最后通過(guò)MATLAB編程求解得到體重與時(shí)間的關(guān)系，并繪制體重與時(shí)間曲線(xiàn)，如圖1所示。

由曲線(xiàn)可以看出生物體重一直在增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)的速率先逐漸增大，后逐漸變緩，趨于極限值15000kg，存在最大增長(zhǎng)速率點(diǎn)。這與模型假設(shè)基本相符。

最后將求得的體重與時(shí)間的關(guān)系帶入生物的能量消耗和熱量輸入的方程中，并通過(guò)查閱其他動(dòng)物的能量方程常數(shù)，估算得到平均能量方程的常數(shù)值（具體數(shù)值如表2），求解得到其生長(zhǎng)各個(gè)時(shí)期的能量消耗和熱量輸入的值，并繪制圖形如圖2所示。

通過(guò)生長(zhǎng)各個(gè)時(shí)期的能量消耗和熱量輸入圖像，可以發(fā)現(xiàn)能量消耗中基礎(chǔ)代謝能占比最大，體儲(chǔ)積能占比最小。基礎(chǔ)代謝能、攝食熱增量、自由活動(dòng)能和總能量攝入有著相同的變化規(guī)律，與其體重隨時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律相同;而體儲(chǔ)積能的變化規(guī)律是先增加后減少，逐漸趨于零，這與本文建立的模型是相符的。

3 氣候?qū)ι锬芰肯哪Ｐ偷挠绊?/p>

通過(guò)分析不同地區(qū)的修正后的Gompertz模型，可以得出結(jié)論：暖溫帶和熱帶地區(qū)的生長(zhǎng)曲線(xiàn)相差不大，干旱地區(qū)和極地地區(qū)的生長(zhǎng)曲線(xiàn)差異不大，干旱地區(qū)和極地地區(qū)的生長(zhǎng)速度明顯慢于暖溫帶和熱帶，這是由于不同氣候地區(qū)為生物生長(zhǎng)提供資源的能力不同所造成的。同時(shí)得到在暖溫帶和熱帶能量消耗和熱量攝入差異不大。極地地區(qū)的熱量攝入最大，因?yàn)樾枰嗟臒崃坑脕?lái)維持體溫的恒定，基礎(chǔ)代謝能比例增大。但是在干旱地區(qū)，基礎(chǔ)代謝能的比例降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸健健.能量生態(tài)學(xué)（五）：維持生命運(yùn)動(dòng)能量的組分及估算[J].生態(tài)學(xué)雜志，1988（01）：59-63.

[2] 劉曉娟，羅偉，王春芳，等.運(yùn)用生物能量學(xué)模型預(yù)測(cè)草魚(yú)生長(zhǎng)、飼料需求和污染排放[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2018，42（06）：950-967.

[3] Chowdhury M A K ， Siddiqui S ， Hua K ， et al. Bioenergetics-Based Factorial Model to Determine Feed Requirement and Waste Output of Tilapia Produced under Commercial Conditions[J]. Aquaculture，2013，410-411：138-147.

[4] Shuqing Z ， Jingyun F ， Guangchun L . Teoretical basis for species conservation： from the theory of island biogeography to metapopulation dynamic theory[J]. Acta Ecologica Sinica，2001.