蚜虫种群动态的燕尾突变区域、参数估计及计算机模拟软件研发与应用

【摘要】本文分析了昆虫生态学领域尤其是蚜虫生态学领域中，关于应用突变理论来研究昆虫生态调节的众多模型。在此基础上，针对突变模型建模困难、参数估计缺乏理论支撑、突变行为分析及模拟、刻画困难等国际难以攻克的科学问题，以蚜虫为例，在燕尾突变模型的基础上，通过APHIDSim软件的设计、研发过程，对蚜虫燕尾突变模型中的参数估计理论和方法进行了研究，研发了APHIDSim燕尾突变模型分析的软件，对蚜虫种群的突变行为进行了分析，并成功地利用实地观察得到的数据进行了模拟，很好呈现了蚜虫种群动态结果。蚜虫是小麦生产中重要害虫，不仅直接取食小麦汁液造成产量损失，并且传播病毒病。因此，采用可持续的生态工程方法去调节蚜虫种群数量、减少或避免使用化学杀虫剂是农业持续发展的方向。为此，区分内外影响因素在探索蚜虫种群动态机制显得尤其重要。实际上，突变现象在麦蚜种群动态中会频繁发生并且很难被准确预测。这种现象非常复杂，除了一般的描述种群动态行为的演变曲线（或模型）方法之外，更是催生了大量其他类型的模型。对于这种现象，突变理论是一种很好的研究策略。国内外已经有大量的尝试运用突变理论进行预测，或者构建专家系统去确定种群生长或者灾变的规律。这些规律的确定很多是基于突变理论的数学模型。然而，这类模型大多数局限于纯理论分析，缺乏实际的应用，更没有被研发成软件。虽有一些试验尝试建立蚜虫生态学中的突变模型，但大多数是基于尖角突变理论，仅仅考虑2种控制变量。本研究建立了国际上还没有建立的包含三个综合控制因素（天气，植被和天敌）的蚜虫种群动态确定性燕尾模型，用于分析麦蚜种群动态的现实突变行为；建立了参数估计方法，并用面向对象的编程方法开发了预测软件，并用田间蚜虫种群动态实际调研资料进行了分析与预测；该软件被命名为APHIDSim。研究结果表明：突变理论能够用来分析昆虫生态学中的突变现象；麦蚜种群动态属于突变行为，即使在控制变量变化连续的情况下，也会从一种系统状态突跳到另外一种系统状态；麦蚜种群动态由多种综合控制变量控制，特别是小麦从拔节期到孕穗期这段时间，蚜虫种群系统的数量受生物因素影响最为明显；另外，田间蚜虫种群动态的不同模式可能是由于一些其他的因素影响，如，不同的天气条件、生态位空间等会导致蚜虫种群存活率不同；然而在应用防治措施以后，蚜虫的实际行为不清楚，有待于进一步深入研究；应用实际数据去分析突变区域是可能的，但仍然需要更多的历史资料验证；建议研究昆虫人员能够在种群动态中考虑突变现象。具体的突变模型（如蚜虫燕尾突变模型）建立后要进一步解释自然现象，参数估计非常关键。因为平衡点的变化主要依赖模拟的控制变量数值的正或负。本研究利用灰色系统理论去估计燕尾突变模型的参数，并且保证参数数值是正的。另外，我们研究了在蚜虫生态学中已有的突变模型，并总结了突变能影响蚜虫控制的各种方式。我们发现，虽然折叠，尖角，燕尾，蝴蝶和椭圆等突变模型已经被用来研究蚜虫种群动态，但是它们的大多数都没有数据验证。虽然这些模型可以很好地描述和分析蚜虫种群动态，但是，理论和实验方面的困难限制了其进一步的研究和应用。主要的困难是控制变量选择的复杂性，高维突变模型的突变区域的理解难度，参数估计理论基础的缺乏以及生物含义的不明确。本研究开发的APHIDSim软件可以通过考虑不同的控制因子来改进其准确性和预测能力，软件模拟得到的结果将为麦蚜种群动态短期预测提供一种新的途径，研究结果将为对突变理论的进一步研发提供了新的思路，并将促进突变模型在昆虫生态学研究中的应用。
【作者】MKDKPiyaratne；
【导师】赵惠燕；
【作者基本信息】西北农林科技大学，有害生物治理生态工程，2014，博士
【关键词】燕尾突变模型；蚜虫种群动态系统；参数估计；突变区域；APHIDSim预测软件；麦长管蚜Sitobionavenae(Fab)；

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