杂草种群生态场的模型研究及其在研究杂草控制机理中的应用

定量化是精准农业的基础也是综合杂草管理的基础。本项目将基于前一项目的发现-杂草种群"生态场"，重点研其与杂草控制机理的关系以及作物-杂草系统的平衡点与稳定性。主要的研究目标为：1）建立处于不同高度的3个杂草种种子的风扩散模型并建立其种群生态场模型；2）通过模拟探索相关杂草种群的控制机理及控制要点和控制方法；3）使用大田数据对模型进行验证和评价并对模型参数进行修正；4）探索细胞自动机模型与（积分或微分）方程模型的关系并由此探索作物－杂草可控系统的平衡点和稳定性的条件，为农业生态系统的可持续发展提供科学依据；5）尝试探索风向非均匀分布条件下的杂草扩散模型建立与扩散规律。预期结果：1）建立杂草扩散的生态场模型；2）编写模拟杂草生态场控制模型的计算机软件；3）获得作物-杂草系统到达平衡点的条件和系统稳定性的条件；4）提出杂草控制的优化策略和方法。

本项目已基本按原计划完成，部分超出原计划。主要的工作和成果：1）通过实验探索了具有不同种子重量的杂草种子在不同条件下（不同高度，不同风速）的扩散规律。获得了3个杂草种种子在不同条件下的扩散分布模型。结果表明：杂草种子扩散的距离与不但种子质量有关而且与条件（如种子释放的高度，风速）有关。2）基于野外调查数据，使用克里格方法获得了宁夏银川境内围栏中杂草（蒺藜）的分布格局。3）将个体生态场概念扩展到种群生态场，定义了一年生杂草种群生态场并对单个细胞内杂草不同状态（密度）的生态场以及不同大小的杂草块、不同状态的杂草块（Patch）生态场进行了模拟，结果表明：密度越大杂草生态场就越强，则控制其扩散需要的外力就越强（多的除草剂）；密度相同时在一定范围内杂草斑块越大其生态场就越强。或者说杂草密度和杂草斑块的大小都会影响杂草的生态场强度因而影响对其的控制策略。4）用VB语言编写了杂草种群生态场模拟程序并对杂草种群扩散与控制策略进行了模拟。5）通过观察设置在湛江的甘蔗实验田，发现尽管蔗田内的杂草分布多种多样，但大致可以分为正规型和非正规型两种类型。对正规型的杂草块进行了定量（模型）化，并对它们的生态场进行了研究。结果表明：呈正规分布的杂草斑块可用同一的模型来描述，其形状在细胞空间中可以从条形变化到圆形；在一定范围内，杂草生态场随（圆形）斑块的增大而增大，杂草生态场随正规分布杂草斑块的形状变化而变化，正规分布的圆形斑块其生态场随密度增加而增加。通过模拟证实密度较高的杂草斑块，或者较大的杂草斑块需要更大的控制力（除草剂）。6）建立了细胞自动机模型（离散）(Wang J., 2003)与积分方程模型（连续）的关系，证实了细胞自动机模型是积分方程模型的离散表达。7）研究了农作物生产环境异质性以及作物生产的安全评价。将土壤异质性与栽培农作物产品质量相关联，对农作物生产进行了示范评价。8）对农作物生产安全风险评价方法进行了研究，建立了单因子和多因子风险评价模型。对目标地块进行了示范风险评价，获得了栽培9种作物（蔬菜）的风险值。结果表明：在目标地块上生产的黄瓜、长瓜、丝瓜、番茄、萝卜和莴笋产品是安全的，即无风险，而辣椒、茄子和青菜产品存在安全风险。可将以上风险评价方法发展到对杂草控制策略的风险管理，即通过对杂草在农田中表现出的空间异质性对不同的施药方式所产生的对环境影响的风险和对产量影响的风险。