生态模拟系统ecosystem model

按生态系统原理，模拟与缩微某自然生态系统的实验装置。又称小生态系统(microecosystem)、微宇宙(microecosm)，在农药科学中，常用于农药环境毒理研究。(见彩图56)
简史 生态模拟系统的建立与应用起始于60年代，环境科学家选择某种恒定的条件，进行简单因子的农药生态环境行为研究。70年代后，相继出现了各种类型的生态模拟系统，模拟某个自然条件，引入生物与非生物因子，建立缩微的环境生态模拟系统。如美国伊利诺伊大学的梅特卡夫(Robert L.Metcalf)等于1971年提出模拟生态系统试验法，应用其陆—水生态模拟系统评价了50种主要农药的降解性和生物富集性；1976年美国环境保护局(EPA)的吉勒特(James W.Gillet)等研制了新型的陆生生态模拟箱(TerrestrialMicrocosm Chamber,TMC)；日本等国亦广泛应用多种类型的生态模拟系统进行了农药环境行为的研究。
中国自70年代开始用简单因子的生态模拟系统研究农药的生物富集性和土壤中的迁移等。80年代，浙江农业大学核农研究所和南京农业大学同位素应用实验室相继研制了可模拟不同生态系组成的模拟生态箱，配置有光、温、湿（降雨）等环境因子调节系统，并由计算机模拟与控制，进行了克百威、氟乐灵和杀虫双等农药的环境行为研究。
类型与功能 各种自然生态系统根据其组成的差异，主要有水生生态系统、陆生生态系统和陆—水生态系统等，据此相应组成下列的各种生态模拟系统。
水生生态模拟系统 由具有代表性的水生物与水环境组成的模拟生态系统(图1)，其功能是可以按水生生物的组成状况，阐明农药沿食物链传递的规律。如水（含供试农药）→浮游生物→水蚤→孑孓→食蚊鱼； 藻类→螺； 藻类→草食性鱼等系统。

图1 水生生态模系统
(A.R.Isensee,1973)

陆生生态模拟系统 由大气、土壤和有代表性的陆生生物组成的生态模拟系统(图2)。用以模拟旱作地区的生态类型，探测农药在土壤—植物—土壤生物间的相互作用；土壤—植物—水系统中的转移，以阐明农药的去向。

图2 陆生生态模拟系统
(据J.W.Gillet等，1976)

陆—水生态模拟系统 由气相、陆相和水相三部分组成的生态模拟系统(图3)，与此相类似的还有水田生态系统。它综合水生生态和陆生生态二者的功能，用以模拟平原水网、湖沼和水田地区的生态类型，探测农药经植物→食叶虫→水→水生生物；植物→土壤→水→水生生物系统中的迁移、分配，阐明农药的去向和对水系可能造成的污染。

图3.陆—水生生态模拟系统
(据R.L.Metcalf等，1971)

基本结构 早期的生态模拟系统装置比较简单，如供作水生生态系统试验的装置，通常即用大型的玻璃鱼缸或层析缸盛水，按食物链放养多种水生生物；若在其一侧以石英砂堆为陆相，种植作物，放养食叶昆虫，这样就构成了具有陆域和水域的“农田生态系统”；陆生生态系的微型模拟生态装置是由一个可种植植物，又可收集渗漏液的土柱组成(图4)。如要同时研究气体组成成分的变化状况，则要采用密闭式装置并附有气态物吸收系统(图5)。

图4 微型陆生生态模拟系统
(据E.P.Lichtenstein等，1974)

图5 用于研究除草剂消解的陆生生态模拟系统
(据J.A.Best and J.B.Weber,1974)
1.药剂处理区；2、3.未处理区；4.细砂；5.粗砂

新型的生态模拟系统，由生态系统和环境因子控

图6 生态模拟系统（箱）框图
（据陈祖义）

制系统两大部分构成一个整体，即生态模拟箱(图6)。对于环境因子如温度、光照度、湿度（降雨）和空气等的调节，分别由温度调节系统（制热和制冷）、光源系统、湿度调节系统(加湿、人工降雨或除湿)和供气系统实现。研究者可以按生态系生物对温、湿、光的要求，输入计算机，由计算机程序进行模拟，通过传感器而进行温、光的日变化模拟与控制。密闭箱体可配制吸收系统，捕集箱内挥发的农药与降解代谢产生的气态物，测定其浓度的动态变化。
运行 生态模拟系统的试验运行大体可分为生态系组成、供试生物导入、供试农药导入、测试分析四步。具体方法步骤，因生态系统类型和研究目的而异(表1)。表中：
实验用水 组成生态系的实验用水，通常采用弗里曼(L.Freeman)提出的“标准水”。它的配方如表2。内含主要营养元素的营养液，以满足生物生长需要。水生生态系pH调至7.9，用于水田（水稻）生态系时，pH调至4.7，陆生生态模拟系统试验时，可用作土壤湿度调节并提供植物营养。

表1 生 态 模 拟 系 统 运 行 方 法

类型 项目	水生生态系	陆生生态系	陆—水生态系
生态系组成	大气、 水、 底土（石英砂）、水 生生物	大气、 土壤、植物、土壤动 物	大气、陆域(土壤或石英砂、植物)、 水域 (水、 水生生物)
生物导入	贝、藻类（始时导入）、鱼类(数天 后导入)	供试作物种子（或幼苗）始 时播种（或移栽）	陆域，播作物种子；水域：贝、 藻类(始时 放养)、 鱼类（数日后放养）
农药导入	标记底泥（或石英砂）或注入水 中	施于土壤或滴涂于植物叶 面	滴、 涂、 喷于植物
分析组分	运行中检测水、气， 终了检测 水、各水生生物中母体、代谢物	土壤、 渗漏水、 植物、土 壤动物	土壤、 植物、 水、 水生生物

表2 标准水配方(mg/L)

MgSO4 36.4 NaHCO3 25.0 CaCO3 57.5

K2SO4 0.135 NH4NO3 3.0 Na2SiO3 23.6

CaCl2 14.0 K2HPO4 0.76 FeCl3 0.81

供试农药 通常是应用由放射性核素(³H、¹⁴C、³²P、³⁵S等)标记的化合物，多数采用¹⁴C标记，它便于测量，配以碱液吸收系统，捕集其降解、代谢释放出的¹⁴⁴CO₂，可以进行农药消解动态的追踪； 生态系各组分农药及其降解、代谢物的度量，通过试样的放射性活度测定计算求得。
应用 生态模拟系统的建立对农药科学和环境科学中的基础理论和实际应用研究都具有重要意义。农药和其他化学污染物对生态环境的污染动态和环境生物富集等研究，较难在自然环境的开放体系中大规模进行，而采用放射性同位素示踪技术，在模拟生态系中进行研究，较田间研究简便、安全、经济。生态组分易于取样，环境因子易于控制，不受自然条件的影响，周年都可进行，具有高度的重复性；可以近似地表现农药在田间的性状；可以研究农药在生态环境中的“质量平衡”(mass balance)，所得结果即“质量平衡清单”(balancesheet)。可以反映农药在环境中的去向，可以用来预测农药的生态环境特性，为农药的生态环境安全性评价提供依据。
根据不同类型的生态模拟系统的试验结果，可以测定和阐明： ❶农药对土壤、水、气环境的污染和消解动态；
❷农药对生态系中生物的毒性；
❸生态系各生物有机体对农药的生物富集系数(BCF)和生物降解指数(biodegradability index,BI)，评价农药在生态系中的生物浓缩性（见生物富集）和分解性。在生态模拟研究中，当研究到农药在生物体内的代谢能力时，可用生物降解指数表示。