內(nèi)蒙古典型草原生長(zhǎng)季內(nèi)植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)模擬研究.pdf

1、生物種群的研究方法正在從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)模擬,從定性描述走向定量和模型化,并向多學(xué)科交叉的方向發(fā)展。植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模型就是集多學(xué)科知識(shí)為一體,以數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)分析原理和計(jì)算機(jī)模擬的技術(shù)來(lái)定量地描述植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、產(chǎn)量形成的過(guò)程及其對(duì)環(huán)境的反應(yīng)。因此,采用植物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)模擬方法不但可以預(yù)測(cè)生物量,而且便于對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行分析,從機(jī)理上揭示不同植物生物量形成的內(nèi)在規(guī)律及其與環(huán)境的關(guān)系,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)組成草原群落的各個(gè)種群的增長(zhǎng)特點(diǎn)及互補(bǔ)功能,對(duì)把

2、握草地的可持續(xù)利用具有重要意義。 論文以種群生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo),以著名的Logistic方程為基礎(chǔ),建立了植物生物量積累隨單因素和多因素變化的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及微分方程理論,結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),在內(nèi)蒙古典型草原退化后圍欄封育24年的羊草+大針茅樣地,選擇不同退化階段的代表性植物羊草、大針茅、冰草、冷蒿,對(duì)其在同一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及其差異進(jìn)行模擬和比較研究；作為對(duì)經(jīng)典的Lotka-Volterra模型的演繹和應(yīng)用,建立了植

3、物對(duì)水分利用的種間競(jìng)爭(zhēng)模型,以羊草、大針茅為對(duì)象,模擬其競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)下的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài),分析植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (1)闡述選用代表種(重要種)羊草、大針茅、冰草、冷蒿的研究依據(jù)及意義；運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,分別對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢驗(yàn),結(jié)果表明,每一采樣日期下的植物單株生物量數(shù)據(jù)基本滿足正態(tài)分布。 (2)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用多種數(shù)量化指標(biāo),分別比較一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、絕對(duì)生長(zhǎng)速率AGR、相對(duì)生長(zhǎng)速率RGR。結(jié)果表明,植物地上生物量均呈S

4、形增長(zhǎng),8月中旬達(dá)到最大值；主要生長(zhǎng)季內(nèi)受降水不足的抑制作用依次為：羊草>冰草>大針茅>冷蒿。生長(zhǎng)主要集中在中前期,AGR大小依次為：冷蒿(0.0993 g·株-1·d-1)>大針茅(O.0295 g·株-1.d-1)>羊草(0.0024 g·株-1·d-1)>冰草(0.0022 g·株-1·d-1)。生長(zhǎng)季初期RGR均表現(xiàn)出最高,依次為：冷蒿(0.1079 g·株-1·d-1·g-1)>大針茅(0.0643 g·株-1·d-1·g-1

5、)>羊草(0.0553 g·株-1·d-1·g-1）>冰草(0.0422g·株-1·d-1·g-1)。不同的生活型,其生長(zhǎng)曲線、生長(zhǎng)速率都存在很大的差異,但同屬于根莖型的羊草和冰草,其生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)卻明顯相似。 (3)采用Logistic模型分別對(duì)其一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及其差異進(jìn)行模擬和比較研究。根據(jù)種群動(dòng)態(tài)模型的一般形式,推導(dǎo)了個(gè)體生長(zhǎng)模型的數(shù)學(xué)依據(jù)；通過(guò)對(duì)Logistic模型進(jìn)行求解和分析,結(jié)合生態(tài)學(xué)理論,將植物生長(zhǎng)劃分為四個(gè)階

6、段,確定了速生期和突變點(diǎn)：結(jié)合模型分析詮釋了模型的物理意義；對(duì)植物的持續(xù)生長(zhǎng)期從生態(tài)學(xué)的角度給出了時(shí)間概念上的定義及相應(yīng)的解釋,并由此對(duì)草地管理及可持續(xù)利用提出了保護(hù)建議。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果表明,四種植物均符合Logistic增長(zhǎng),擬合方程分別為： y=0.200/1+e2.032-0.0604,y=1.205/1+e2.608-0.0421,y=0.156/1+e2.770-0.0771,y=3.177/1+e2.770-0.

7、0771,由模型求出了植物的最大生長(zhǎng)速度,從大到小依次為：冷蒿6.112e-02(g·株-1·d-1)>大針茅1.267e-02(g·株-1·(d-1)>羊草2.995e-03(g·株-1·d-1)>冰草1.561e-03(g·株-1·d-1);分屬于不同生活型的羊草、大針茅、冷蒿在生長(zhǎng)速度及生長(zhǎng)曲線上均存在較大差異,而同一生活型(life form)中,羊草和冰草二者差異不大,在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)呈現(xiàn)相似的動(dòng)態(tài)變化。 (5)運(yùn)用偏相關(guān)分析和

8、逐步回歸法確定了降水和積溫因子是4種植物生物量形成的重要因子,但降水較積溫因子的影響更大(γ12,3>r13,2;R21(2)>R21(3));對(duì)4種植物影響的重要性次序?yàn)椋貉虿?0.964)>冰草(0.937)>大針茅(0.928)>冷蒿(0.906);積溫對(duì)植物影響的重要性次序?yàn)椋貉虿?0.918)>大針茅(0.909)>冰草(0.875)>冷蒿(0.754)。采用本文建立的單因素、多因素的植物生長(zhǎng)模型,分別對(duì)4種植物生長(zhǎng)特征進(jìn)行了

9、模擬和比較,結(jié)果表明,植物單株生物量隨降水量變化、積溫變化以及水熱因子共同變化的潛在最大值一致表現(xiàn)為：冷蒿>大針茅>羊草>冰草,說(shuō)明冷蒿具有較大的產(chǎn)量潛力；相對(duì)生長(zhǎng)率的最大值一致表現(xiàn)為：冷蒿>大針茅>羊草>冰草,其中羊草和冰草的產(chǎn)量潛力、相對(duì)生長(zhǎng)率最大值、相對(duì)生長(zhǎng)率取得最大值的時(shí)間都很接近,說(shuō)明二者具有相似的生長(zhǎng)特征。 (6)植物種間競(jìng)爭(zhēng)模型的建立與分析。針對(duì)水分是當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)限制因子的現(xiàn)實(shí),建立了一個(gè)以水資源為約束條件的種間競(jìng)爭(zhēng)的植物

10、生長(zhǎng)模型：與經(jīng)典Lotka-Volterra模型相比,在涉及第二個(gè)種的地方引入了生態(tài)因子項(xiàng),用以描述羊草與大針茅在競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)下的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)；并運(yùn)用微分方程穩(wěn)定性理論,分析了植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)參數(shù)p3、q2的含義,分別對(duì)假定q2=q2(N2)=r1/1+a2N2,p3=p3(N1)=r2/1+a1N1的情形下,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬與數(shù)值分析,得到了各參數(shù)及模擬圖象。結(jié)果表明,羊草和大針茅的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出與環(huán)境一定程度的適應(yīng)性,其中羊草相對(duì)大