蝗虫型变的非光滑时空动力学模型与数据验证研究

Locusts change reversibly between solitarious and gregarious phases that differ dramatically in appearance, structure, physiology and behaviour. Phase change is the key biological basis underlying locust outbreaks leading to plagues. Recent research has confirmed the existence of threshold population densities related to locust phase change and indentified new regulatory mechanisms and the key factors involved. By considering locusts as a Filippov non-smooth dynamic system, spatio-temporal models, which describe the different growth processes and behaviour of the two phases of locusts and interactions with their natural enemies, will be developed and analyzed. In conjunction with existing monthly or annual datasets for the number of 1 degree grid squares infested with desert locusts Schistocerca gregaria, the model will be developed to achieve correspondence between outbreak areas of locust populations predicted in network models and field data on actual locust plagues. The effects of key factors including rainfall, temperature and migration on the outbreak frequency and intensity will be addressed in more detail using the sliding bifurcations and numerical techniques of a Filippov non-smooth dynamic system. This will allow predictions of the starting times of gregarious phases and critical population densities in different spatial grids and determination of the optimal times and spatial regions for application of integrated control measures aimed at maintaining the density of the locust populations below a threshold such that they stay in the solitarious phase. In order to reveal any unknown critical regulatory factors involved in, we will construct and investigate regulatory network models of locust phase change, which could provide new ideas for further experimental design.

蝗虫从散居型向群居型型态的转变是蝗灾爆发的关键生物学基础，近来群体和个体水平上的实验确定了蝗虫型变临界种群密度的存在性和新的型变调控机制及其关键调控因子。应用Filippov非光滑动力系统建立刻画蝗虫两个型态之间不同增长规律、不同行为及与其天敌相互作用的蝗虫型变时空动力学模型，结合由经度和纬度划分的空间区域中蝗灾爆发与否的监测月或年网格数据，发展模型辨识技巧实现网络模型上预测的蝗虫种群爆发区域与实际监测蝗灾爆发空间区域之间的对接，验证模型的有效性。应用非光滑动力系统滑动分支和数值计算方法，研究包括雨量、温度和空间迁飞等在内的关键因子对蝗虫型变频率及爆发程度的影响，进而预测蝗虫在不同空间网格中群体行动的起始时刻和临界种群密度，以维持蝗虫散居型态为目标确定实施蝗灾综合控制措施的最佳时间以及最佳空间分布区域。建立并研究型变调控网络模型，揭示未知的关键型变调控因子，为进一步实验设计提供思路。

蝗虫从散居型向群居型型态的转变是蝗灾爆发的关键生物学基础，近来群体和个体水平上的实验确定了蝗虫型变临界种群密度的存在性和新的型变调控机制及其关键调控因子。如何根据实际数据发展相应的种群动态数学模型，预测和评估蝗虫型变的阈值是如何影响种群发展动态和害虫控制，具有十分重要的意义。基于此目的，本项目应用脉冲半动力系统和Filippov非光滑动力系统建立刻画蝗虫两个型态之间不同增长规律、不同行为及与其天敌相互作用的蝗虫型变或具有阈值控制策略的虫媒控制时空动力学模型，结合由经度和纬度划分的空间区域中蝗灾爆发与否的监测月或年网格数据，发展模型辨识技巧实现网络模型上预测的蝗虫种群爆发区域与实际监测蝗灾爆发空间区域之间的对接，验证模型的有效性。应用非光滑动力系统滑动分支和数值计算方法，研究包括雨量、温度和空间迁飞等在内的关键因子对蝗虫型变频率及爆发程度的影响，进而预测蝗虫在不同空间网格中群体行动的起始时刻和临界种群密度，以维持蝗虫散居型态为目标确定实施蝗灾综合控制措施的最佳时间以及最佳空间分布区域。..主要研究成果完善了状态依赖反馈控制系统定性理论，特别是发展了系统全局定性分析和分支分析技巧，实现了离散、连续和脉冲三种动力系统的有机融合； 网络和离散切换系统分析揭示了蝗虫种群空间爆发区域的二重性和空间异质性，以及种群群居和散居状态发生切换的频率以及随机扰动对上述频率的影响；建立模型深刻揭示控制策略实施时间、农药剂量和种群内禀增长率三参数内在联系，以及由于控制策略实施时间、剂量使用不正确导致的悖论发生和药物毒理现象发生的机理；发展了复杂非光滑系统切换点、随机系统模型参数估计和识别的新方法，对具有间断点复杂数据的统计分析具有重要的作用；采用敏感性分析技巧和能够刻画雨量、温度等气象条件的害虫天敌生态系统，分析了影响害虫或虫媒爆发的关键因子，以及综合害虫控制策略的有效性和害虫抗性发展管理策略。