基于拉格朗日随机游走模型的水稻花粉扩散研究

Rice (Oryza sativa L.) is the most important food crops in China. Its gene flow has received close attention over the past years. Compared with other crops, such as maize and rape, the research of the pollen dispersal model for rice is relatively weak. Since 2002, our team set up a rice pollen diffusion model based on Gaussian Plume model (GPM). However, it has some weak points during the model application. With this research, a sub-model of pollen shed in rice is coupled with the Lagrangian stochastic (LS) model to simulate the pollen dispersal of rice. In the modeling process, the following 2 points will be focused on: 1. a improved parameterized scheme of the rice pollen sedimentation velocity; 2. the correlation Lagrangian time scale accounting for ‘Cross Trajectory Effect’. Finally, the model is validated by using Durham and Burkard sampler. We can expect this research will improve the reliability and accuracy of rice pollen dispersal model and may provide a serious of data-set for risk assessment and regulation of rice transgene flow on the scientific basis.

水稻（Oryza sativa L.）是我国最重要的粮食作物，它的基因飘流问题一直备受关注。与玉米、油菜等作物相比，水稻花粉扩散模型的研究相对薄弱。自2002年起，本团队建立了一个以高斯烟羽模型（Gaussian Plume model，GPM）为基础的水稻花粉扩散模型，但在应用过程中发现该模型具有诸多不足。在此研究基础上，本项目拟开发水稻花粉源强子模型，与拉格朗日随机游走模型（Lagrangian stomasitc model，LS model）进行耦合，建立一个新的水稻花粉扩散模型。通过优化水稻花粉沉降速度的参数化方案、引入“交叉轨迹效应”的时间尺度订正参数，改善水稻花粉扩散过程的模拟精度。最后，模型利用Durham和Burkard型花粉采样器的观测数据进行验证。预计项目的研究成果能够有效提高水稻花粉扩散模型的可靠性和准确性，可为水稻基因飘流的风险评估和安全监管提供基础数据。

为了阐明水稻花粉扩散规律，本项目组织了不同花粉源尺寸的水稻花粉扩散试验，设置了4个处理，花粉源尺寸分别为5×5m2（T1）、10×10m2（T2）、15m×15m2（T3）、310m×130m2（T4）。其中，T4是迄今为止面积最大的水稻花粉扩散试验。同时，在拉格朗日随机游走模型的基础上，耦合花粉源强子模型，优化了花粉沉降速度的参数化方案，建立了水稻花粉扩散模型。最后，利用验证后的花粉扩散模型，开展敏感性分析，讨论了临界源强问题及影响水稻花粉扩散的因素。研究发现：（1）花粉源强子模型的RMSE和R2分别为8.29×105 粒•m-2和0.6419；花粉扩散模型的RMSE为33.0粒•cm-2，R2为0.9714。优化水稻花粉沉降速度的参数化方案后可以明显改善模拟效果。但是，交叉轨迹效应对水稻花粉扩散的影响可以忽略。（2）花粉源尺寸是决定水稻花粉源强的主要因素。花粉源尺寸越大，各个距离上的花粉沉降量就越多，花粉扩散距离也相应地增加。但是，这种效应会随着花粉源尺寸的增大而逐渐减弱。（3）花粉源尺寸不会改变花粉沉降量的空间分布特征。花粉沉降量沿着风向方向先是迅速增加，到达拐点后增加的速度减缓。在小尺寸花粉源试验中，花粉沉降量达到最大值之后就逐渐下降；但在大尺寸花粉源中，花粉沉降量存在明显的饱和点。（4）130×130m2是水稻花粉扩散的临界源强。当花粉源尺寸大于临界源强时，花粉沉降量几乎不再随着花粉源尺寸的增大而增加。该结果远远大于文献中基因飘流的试验面积，可能会低估未来转基因水稻大面积推广时的基因飘流率。（5）风是影响花粉扩散最主要的气象因素。风速越大，逃逸到冠层上方的花粉（实际源强）就更多，扩散到花粉源区以外的花粉（有效源强）也越多。对于大尺寸花粉源来说，这种现象更为明显。项目的研究结果可以为转基因水稻的基因飘流风险评估提供基础数据，建立的水稻花粉扩散模型可以作为水稻基因飘流的风险评估和安全监管的重要工具。