经水媒传布浮力种子动力学特性研究

Hydrochory is an important means of propagule transport. Seeds passively dispersed by water can transport a longer distance compared with other dispersal methods, and the long distance dispersal is a key factor for diversity caused by climate change, biological invasion and habitat fragmentation. The project systematically studies two stages (primary dispersal and secondary dispersal) and three hydraulic processes (i.e., settlement, resuspension, and advection-diffusion of seeds) of water-dispersed buoyancy seeds movement, and takes into account the interaction of water flow, emergent plants and buoyant seed particles, to explore the inner and outer influencing factors of the seed propagation distance and the final depositional colonization sites; to mathematically describe the settling and resuspension process of irregular seeds; to reveal the effects of different forces (surface tension, inertial force, drag force, etc.), and stem-scale tail vortex on trapping and escaping of seeds by emergent plants; to establish a mathematical model describing the propagation of buoyant seeds based on discrete media mechanics, and realize the prediction of the stochastic propagation time and propagation path of buoyant seeds. The research involves the interdiscipline of ecology, geomorphology and hydrodynamics, and the results are of great significance to restoration of riparian and wetland ecological systems, harnessing farmland weeds and even preventing invasion of exotic aquatic plant species.

水媒传布（播）是植物种子尤其是水生植物种子传播的重要途径。较其他途径而言，水媒传布（播）距离更远，这种长距离传播正是构建气候变化、生物入侵、生境破碎化等导致的生物多样性的关键。项目系统研究水媒传布（播）浮力种子运动的两个阶段（初次及二次传播）、三种水力过程(即吸水沉降、起动和随流扩散)，综合考虑水流、挺水植物及浮力种子粒子的交互作用，探究种子传播距离和最终沉积定殖区域的内外在影响因素；实现对不规则种子沉降及再起动过程的数学描述；揭示不同作用力(表面张力、惯性力、曳力等)、茎干尺度尾涡在挺水植株俘获种子及种子解俘获过程中的作用机理；基于离散介质理论建立浮力种子运动的数学模型，实现对浮力种子传播时间、传播路径等随机过程（量）的数学描述。研究涉及到生态学、地貌学和水动力学等学科交叉，成果对于河岸及湿地系统植被生态重建或恢复、农田杂草治理、阻止外来水生植物物种入侵等具有重要意义。

水媒传布（播）是植物种子尤其是滨水植物种子传播的重要途径。较其他途径而言，水媒传布（播）距离更远，这种长距离传播是构建气候变化、生物入侵、生境破碎化等导致的生物多样性的关键。自然界中大部分的植物种子是亲水性的，其表面会附有由水的表面张力形成的半月形弧液面，项目对静力平衡条件下漂浮种子的毛细作用特征角度进行了理论求解，采用图像特征测量法测量漂浮种子毛细特征角度对理论模型进行了校核。在水槽实验以及统计学分析的基础上，给出了漂浮种子在含挺水植物低流速明渠水流中的散布过程，并采用双参数高斯分布模型对其进行了经验描述，同时赋予模型参数明确的物理意义。为了更普适地描述植物茎秆的阻流作用，基于量纲分析法确定了明渠水流中植物拖曳力系数的无量纲模型，广泛收集明渠水流中植物拖曳力系数实验资料，采用多变量分析方法给出了植物茎秆的阻流作用经验模型，相关的结论应用于后续漂浮种子、植物茎秆及水流间交互作用的分析中。漂浮种子为植物茎秆俘获及解俘获过程是其在在河岸植物带区域中经水媒散播最为重要的动力学机制之一。基于模拟实验及高精度图像数据分析结果，发现漂浮种子会在茎秆近尾流区域内作准周期摆动，且其摆动周期与尾涡脱落频率以及种子颗粒物理特征相关；基于动量守恒方法对这种运动的作用机制作出解释，同时在动力平衡条件下，考虑毛细作用力、水流拖曳力以及惯性力的共同作用，给出了漂浮种子解俘获特征参数的表达式。基于漂浮种子为植物茎秆所临时俘获的滞留时间与其碰撞过程相联系的合理假定，采用碰撞入射模型结合半经验方法，给出了漂浮种子被俘获至解俘获区间的分段俘获时间模型。研究涉及到生态学、地貌学和水动力学等学科交叉，成果对于河岸及湿地系统植被生态重建或恢复、农田杂草治理、阻止外来水生植物物种入侵等具有重要意义。