污染物对河流种群生态系统的影响

Anthropogenic and natural environmental contaminants affect human health and ecosystem persistence in varying degrees. After being released into river ecosystems, toxic contaminants may disperse, deposit or being washed from upstream to downstream, the concentration of contaminants at different locations are different due to the effects of discharge, flow velocity, and stream hydraulic characteristics. To study the effects of environmental contaminants on single population dynamics and interactions between species, we will develop several models by considering hydraulic characteristics of rivers and population dynamics. The models include reaction-diffusion-advection equation models, 1D- and 2D- benthic- drift models. The results of theoretical analysis, such as well-posedness, stability, traveling wave solutions, R0 analysis, and numerical methods including finite difference and collocation method for calculation of R0, combined with real data, will be used to investigate how the environmental contaminants and hydrolic characteristics of rivers impact population persistence, integrity of food webs, and population diversity. The theory developed here will provide the basis for effective decision-making tools for water managers, environmental scientists, and ecologists.

人为的和自然环境中的污染物对人类健康和各种生态系统的可持续发展构成了不同程度的威胁。当有毒的污染物被排放到河流生态系统中，很多物质会进行扩散、沉淀以及受到水流从上游往下游的冲刷，污染物在河流各个区域的浓度分布会受到水流的流量、流速以及河流自身的水文结构等因素的影响。为了研究污染物对河流生态系统中的单个种群以及多个种群间相互作用的影响，本项目将结合河流的水文特征和种群的动力学行为，建立并研究一系列的数学模型，包括反应-扩散-对流方程模型、一维和二维的底层-漂流层模型等。通过对模型解的适定性、稳定性、行波解、R0分析等理论分析，以及利用有限差分、R0计算的配点法等数值方法，结合实际数据，探索污染物在河流生态系统的时空分布以及河流自身的水文特征对种群的持续生存、食物链的完整性和种群多样性的影响机理。此课题的研究成果将为水文、环境和生态工作者提供值得借鉴的理论参考依据。

各种有毒的物质（如杀虫剂、塑料碎片、病原体及化学物质等）被排放到河流、湖泊以及其他水体中造成的水污染是全球日益关注的问题。水生环境中的有毒物质对种群增长、群落结构和生态系统完整性等造成很多不利影响。因此，准确评估被污染的生态系统中种群的风险性是非常重要的。为了研究河流生态系统中的污染物对单个种群的影响，我们建立了包含两个反应-扩散-对流方程的模型，其中一个方程描述了受毒素影响的种群增长和扩散过程，另一个方程描述了毒素的输入、衰减和扩散过程。通过分析模型对应的特征值问题，我们研究了模型稳态解的存在性和稳定性，获得了导致种群持久性和种群灭绝的充分条件。结合理论结果和数值方法，我们研究了几个重要因素（污染物的输入、水流的流速、毒素和种群的扩散及对流特性等）对种群持续性和空间分布的影响。考虑到环境毒素对水生种群的繁殖和死亡的影响可能会有延迟效应，我们建立并研究了具有延迟反应的时滞微分方程模型，获得了延迟效应对模型稳态解的影响。为了研究环境毒素对两个物种竞争动力学行为的影响，我们建立了一个受毒素影响的竞争模型，我们研究了环境毒素的浓度和两物种对毒素的敏感性差异对竞争结果的影响。另外，我们建立了一个具有毒素趋化项的种群-毒素相互作用的反应扩散方程模型，其中趋化项描述了个体从毒性浓度高的区域逃到毒性浓度低的区域。通过模型的理论分析，我们获得了种群持续生存和灭绝的充分条件。数值模拟的结果显示了趋化会导致种群和毒物之间的空间聚集和分离模式的出现。该项目研究中获得的关于水环境中的毒素对种群生态系统的影响机理可以为水文、环境和生态工作者提供值得借鉴的理论支撑和科学依据。