蓝藻水华发生机制、生态效应与控制机理的模型研究

Cyanobacteria bloom in aquatic ecosystem has already been a worldwide environment problem and is concerned by the whole society. This project devotes to expound and characterize the mechanisms, ecological impacts and control of cyanobacterial bloom by mathematical modeling of the interaction between the environmental factors and the algal population and of the foodweb interactions in the aquatic ecosystems. With the help of the model reference control method and the aggregation method, some interesting eco-dynamic models are established which incorporates the global climate changes, the ecological stoichiometry of limiting nutrients, and the evoluationary process. The approaches used to explore the dynamics of such models involve the qualitative methods of dynamical system, nonlinear analysis and numerical analysis. Moreover, the effect and resonability of the biomanipulation control for the cyanobacterial bloom are well studied. The new findings of this project will shed some new light on the mechanisms of the entrophication and cyanobacterial bloom and provide some theoretical evidences for the pre-warning and the control of cyanobacterial bloom in aquatic ecosystems.

蓝藻水华是水体富营养化引起藻类剧增而导致水生态系统破坏的异常生态现象，近年来持续高频发生，是全球性重大生态环境问题。蓝藻水华的局部特征、生理生态学特征已被广泛研究，但基于生态系统动力学的综合机理研究却涉及甚少。本项目以水生态系统为主要研究对象，以蓝藻水华形成与控制的生物学、生态学综合机理研究为核心，以食物网相互作用关系研究为主线，以微分方程为基本工具，基于模型参考控制方法和归并法建立水生态系统的生态化学计量学模型和生态进化动力学模型，应用非线性动力系统理论、非线性方法和数值分析等手段研究蓝藻水华发生机制、受控机理及生态环境效应等关键科学问题，在此基础上，提出蓝藻水华防控对策。将生态化学计量反馈机制和进化动力学相结合来研究蓝藻水华发生与控制的综合机理在国内外尚未涉及，其成果将为富营养化和蓝藻水华的研究提供新的理论和方法，为蓝藻水华预测预警提供理论依据，为蓝藻水华的控制与治理提供策略指导。

本项目在对蓝藻水华的局部特征、生理生态学特征的充分认知的基础上，从生态系统的视角对蓝藻水华关键过程、生态效应、驱动机理等方面进行了比较深入的研究。以水生生态系统为主要研究对象，以蓝藻水华形成与控制的综合机理研究为核心，以食物网相互作用关系为主线，综合考虑气候变化、营养元素、性状进化等关键因子，应用生态学、生态化学计量学、进化动力学等基本原理，以非线性动力学系统等为主要工具，建立了一些水生生态系统的动力学模型，应用非线性动力系统理论、非线性方法和数值分析等手段深入讨论了模型的动力学行为，探究了气候变化、生态化学计量反馈机制、进化及其交叉作用对群落结构和功能的影响，预测了系统的演变动态和发展趋势，研究成果可以为蓝藻水华的机理研究提供新的理论和方法，为蓝藻水华的预测预警提供理论依据，为蓝藻水华的控制与治理提供策略指导。本项目在数学上也发展了一些新的方法和技巧，进一步丰富了动力系统理论，为非自治动力系统的研究以及本项目后续研究工作的开展奠定了基础。在国际知名刊物上发表研究论文29篇，其中25篇被SCI检索收录。