祁连山区草场毒杂草的入侵扩散机理、时空动态演化特征及生态控制研究

This project topic is a frontier of several intersectional research fields, including population ecology, invasion biology, mathematical model and computer simulation technology. Regarding the invasion and diffusion mechanism of poisonous weeds in Pasture of the Qilian Mountains as the research subject, the spatio-temporal dynamics evolution feature of poisonous weeds is studied by means of numerical simulation study. Then the purpose of ecological control will be achieved from studying how to use competition exclusion principle to inhibit the growth and spread of poisonous weeds. In this project, the major innovative research works are summarized as follow: (1) Some interaction mechanisms of poisonous weeds invasion and its habitat is studied, such as characters of poisonous weeds growth, the effects of ecological factors and the inter-specific interaction mechanisms of poisonous weeds and edible grasses. (2) The theory of biological invasion and corresponding models will be used to study the space distribution by numerical simulation. Using cellular automata model, the variation of the "bare-patch" area, caused by poisonous weed invasion, is analyzed in certain time scale. (3) Distribution characteristics of poisonous weeds and the main biological factors affecting poisonous weeds are summarized, respectively. Taking advantage of these factors, the problem of how to implement the ecological control and inhibit the destruction of the poisonous weed on pasture is explored. The research results of this project will make positive contributions to the enrichment and development of the theory of plant population ecology and provide the scientific basis for the protection and use of the pasture.

本项目选题于种群生态学、入侵生物学、数学模型和计算机模拟技术交叉的前沿领域。以祁连山区草场毒杂草的入侵扩散机理为研究对象，通过对毒杂草空间动态演化特征的计算机模拟，研究如何应用生物竞争原理，抑制毒杂草的生长发育，达到生态控制的目的。主要对以下问题进行创新性研究：（1）毒杂草种群与所入侵生境植物群落的相互作用机理研究，包括影响毒杂草生长的主要生态因子、毒杂草的生长特征、毒杂草和可食牧草种群种间相互作用机制；（2）借助生物入侵理论、种群相互作用模型及元胞自动机模型，通过建模和计算机模拟，研究毒杂草入侵后在一定时间尺度上的空间扩散分布以及毒杂草入侵造成的"斑秃"面积的变化特征；（3）总结毒杂草分布的时空动态演化特征及影响毒杂草种群的主要生物因素，研究如何利用这些因素进行生态控制，抑制毒杂草对草场的破坏。预期成果将对丰富和发展植物种群生态学理论有所贡献，并为草场的保护和利用提供技术支撑和科学依据。

本项目以西北地区干旱半干旱环境为背景，以祁连山区草场毒杂草的入侵扩散机理为研究对象，通过对毒杂草空间动态演化特征的计算机模拟，研究了毒杂草入侵导致本地可食牧草灭绝的动态过程。主要研究了以下内容：（1）三种模型的建立：建立了以植物根系竞争水资源为背景的毒杂草和本地可食牧草相互作用模型，通过微分方程稳定性分析相关理论对模型进行分析，讨论了入侵毒杂草与本地可食牧草的相互作用机理；建立了刻画世代不重叠的植物种间作用的偏害系统模型，通过模型的持久性分析，得到毒杂草种群和本地可食牧草种群持久性生存的条件，通过稳定性分析研究毒杂草的入侵机理；基于生灭过程理论建立了物种入侵及扩散的生灭过程模型，以此为基础研究毒杂草入侵天然草场的机理。（2）空间扩散及计算机模拟：由于生物种群实际上是分布在某一较大生态区域上的，毒杂草的入侵也是空间扩散的过程，我们主要通过以下工作建立空间扩散演化模型：将模型扩展到两个斑块及空间多斑块中，研究入侵扩散的演化过程，通过数学方法分析空间模型数学特征，研究了考虑空间入侵扩散因素的空间模型在系统稳定性，种群持久性续存，和入侵成功的条件等方面和单个生境中的种间作用模型的异同，模型的研究对掌握毒杂草的空间扩散机理提供了理论依据。同时综合考虑时间和空间变化，研究了由模型引出的相关偏微分方程数学问题。（3）入侵扩散演化特征：项目组应用元胞自动机理论，编写模拟程序研究入侵的毒杂草和本地可食牧草的空间演化并以斑块变化图的方式显示，直观的研究入侵种群数量和本地种群数量的空间变化。通过空间分布特征的假设检验研究了不同迭代时间尺度上种群的空间分布特征。研究了不同外来植物种群竞争能力，不同扩散系数下毒杂草入侵扩散的动态结构，分析总结了扩散结果。项目的研究成果对丰富和发展植物种群生态学理论有所贡献，并为草场的保护和利用提供技术支撑和科学依据。