本文關(guān)鍵詞：單細(xì)胞水生藻類增長的非線性動力學(xué)問題　出處：《東北林業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：單細(xì)胞水生藻類具有重要價值,而其爆發(fā)所導(dǎo)致的危害也非常巨大,研究其增長機(jī)制具有重要意義。本文基于細(xì)胞生長動力學(xué)、斑圖動力學(xué)以及脈沖控制動力學(xué)等相關(guān)知識,采用動力學(xué)建模、動力學(xué)分析及數(shù)值實(shí)驗(yàn)等技術(shù),從細(xì)胞的整體水平對單細(xì)胞水生藻類增長的非線性動力學(xué)問題進(jìn)行了研究,主要結(jié)果如下：1、研究了浮游動物對單細(xì)胞水生藻類增長的影響,建立了含有時滯的單細(xì)胞水生藻類-浮游動物動力學(xué)模型。研究表明浮游動物生長的滯后性導(dǎo)致單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)。分析發(fā)現(xiàn)單細(xì)胞水生藻類增長和浮游動物增長之間存在時間尺度差,滯后性的增強(qiáng)擴(kuò)大了該時間尺度差,為單細(xì)胞水生藻類的生長繁殖提供了時間,從而導(dǎo)致其爆發(fā)。研究指出,在單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)前,浮游動物的密度處于較低的水平是單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)的另一個重要因素。本研究精準(zhǔn)地刻畫出單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)所經(jīng)歷的初始積累、快速增長、持續(xù)爆發(fā)以及快速消退四個過程及相關(guān)特征,這與自然水域水華爆發(fā)現(xiàn)象是相似的,揭示了單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)的一種動力學(xué)機(jī)制。2、研究了單細(xì)胞水生藻類生長的滯后性對其自身增長的影響,建立了含有時滯的營養(yǎng)-單細(xì)胞水生藻類動力學(xué)模型。研究表明,單細(xì)胞水生藻類生長的滯后性導(dǎo)致模型均勻定態(tài)解在時間方向上發(fā)生失穩(wěn),其結(jié)果使得單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量的變化發(fā)生動態(tài)振蕩,從而導(dǎo)致單細(xì)胞水生藻類空間分布形態(tài)呈云斑斑塊狀。數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)營養(yǎng)濃度在一定范圍內(nèi)變化時,單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量的變化與營養(yǎng)流入濃度之間的關(guān)系呈正相關(guān),而與營養(yǎng)流出濃度之間的關(guān)系則呈負(fù)相關(guān),這說明營養(yǎng)的增加促進(jìn)了單細(xì)胞水生藻類的增長。3、研究了時滯和流效應(yīng)對單細(xì)胞水生藻類增長的影響,建立了含有時滯和流效應(yīng)的營養(yǎng)-單細(xì)胞水生藻類動力學(xué)模型。研究表明時滯和流效應(yīng)影響了單細(xì)胞水生藻類增長的時空動力學(xué)性質(zhì)。動力學(xué)分析指出,時滯決定了單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量變化的性質(zhì),流效應(yīng)主導(dǎo)了單細(xì)胞水生藻類空間分布的演化過程,并且流效應(yīng)存在時,單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量的變化更容易發(fā)生動態(tài)振蕩。數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單細(xì)胞水生藻類沿著流方向呈帶狀分布,且模擬結(jié)果與野外觀測結(jié)果具有強(qiáng)一致性。4、研究了單細(xì)胞水生藻類的下沉行為以及物種的擴(kuò)散行為等對單細(xì)胞水生藻類增長的影響,建立了含有下沉效應(yīng)的營養(yǎng)-單細(xì)胞水生藻類-浮游動物動力學(xué)模型。研究表明,在無下沉效應(yīng)的情況下,浮游動物的擴(kuò)散行為導(dǎo)致單細(xì)胞水生藻類呈異質(zhì)性空間分布,而其細(xì)胞量的變化則出現(xiàn)時空振蕩。當(dāng)考慮下沉效應(yīng)時,研究表明下沉速度會影響細(xì)胞量變化的性質(zhì),提高了單細(xì)胞水生藻類發(fā)生異質(zhì)性空間分布的概率。研究發(fā)現(xiàn),下沉速度較小時(包括下沉速度為零),單細(xì)胞水生藻類出現(xiàn)多種空間分布形態(tài),例如點(diǎn)狀斑塊、條狀斑塊以及云斑狀斑塊等,而當(dāng)下沉速度較快時,單細(xì)胞水生藻類的空間分布形態(tài)則演變?yōu)閹畎邏K,因此下沉效應(yīng)直接影響了單細(xì)胞水生藻類增長的空間動力學(xué)性質(zhì)。此外,研究發(fā)現(xiàn),在下沉速度不變的情況下,營養(yǎng)的增加有助于細(xì)胞量的靜態(tài)變化。5、研究了預(yù)防和治理單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)的控制策略,建立了帶有狀態(tài)脈沖控制策略的單細(xì)胞水生藻類-牧食者動力學(xué)模型,探究了一種狀態(tài)脈沖控制系統(tǒng)中階-1周期解的唯一性等問題,借此剖析了人為干預(yù)對單細(xì)胞水生藻類增長動力學(xué)的影響。研究表明,人為干預(yù)會增強(qiáng)單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量變化的復(fù)雜性,甚至?xí)䦟?dǎo)致混沌現(xiàn)象的出現(xiàn),從而增加了對單細(xì)胞水生藻類細(xì)胞量進(jìn)行動態(tài)預(yù)測的難度。在此基礎(chǔ)上,對單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)的治理策略進(jìn)行研究,制定出預(yù)防和治理單細(xì)胞水生藻類爆發(fā)的理論控制策略。研究還指出,牧食者種群單次釋放量過多并不一定能達(dá)到最優(yōu)的治理效果。
【學(xué)位授予單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q949.2

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1 戴傳軍;單細(xì)胞水生藻類增長的非線性動力學(xué)問題[D];東北林業(yè)大學(xué);2016年

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本文編號：1310868