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基于Allee效应的麦蚜种群捕食-食饵模型的分析与控制

更新时间:2016-07-05

群居有利于物种的生长和存活,但过分稀疏和过分拥挤都可阻碍其生长,从而对物种的生长繁殖产生副作用,每一物种都有自己最适宜的密度,这就是所谓的Allee效应[1].植物、哺乳动物、海洋无脊椎动物等产生Allee效应现象,该现象一直是生态学和保护生物学的一个研究热点.近年来,具有Allee效应的物种捕食模型被广泛研究.魏雪莹等人研究了麦蚜种群模型的突变控制,利用控制器使麦蚜种群的数量下降 [2].李文霞、许洪建等人建立了食饵含Allee效应的最优捕获模型,利用Pontryain最大值原理确定了最优捕获策略[3].付晓阅、刘超等人建立了具有Allee效应的食饵-捕食模型,分析了各平衡点的局部渐近稳定性,通过构造Lyapunov函数分析了平衡点的全局渐近稳定性[4].上述文章从理论上对具有Allee效应的捕食-食饵模型进行分析和研究,而在麦蚜生态系统的应用很少见.因此本文将具有Allee效应的麦蚜种群作为食饵得到麦蚜种群的捕食模型,借助微分方程定性理论和Hopf分岔理论[5,6],对平衡点的稳定性进行分析,然后通过状态反馈控制消除Hopf分岔抑制了麦蚜种群的突变现象.

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1 模型建立

考虑具有Allee效应的logistic模型[7]

(1)

其中,x为种群密度,r为种群的内禀增长率,K为其环境容纳量,A为其阈值密度.

对模型(1)作无量纲化,令记为t,得

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(2)

其中,0<k0<K.

食饵-捕食模型中,食饵种群可能受自身繁殖或被捕食者的影响而具有Allee效应.当食饵种群具有Allee效应时,食饵-捕食模型可能失去稳定性而产生突变现象.由于麦蚜种群会产生突变现象从而可以用Allee效应刻画麦蚜种群的增长.在logistic模型[8]的基础上得到模型如下:

(3)

其中,x(t)表示t时刻麦蚜种群密度;为麦蚜种群的环境容纳量,记Kk,k0为其阈值密度.

y(t)表示t时刻麦蚜天敌种群的密度,d为麦蚜天敌种群的死亡率,结合模型(3)得麦蚜种群食饵-捕食模型

(4)

其中,b是天敌种群的捕食率,c是转化系数,a,b,c,d均为正数.

转化系数c在麦蚜种群中起着重要作用,因此视其为模型(4)中Hopf分岔分析的主要参数.随后对模型(4)进行定性分析.

2 模型分析

(1)对平衡点其相应的Jacobian矩阵是

时,

f(x,y)=x[a(k-x)(x-k0)]-bxyg(x,y)=cxy-dy

则模型(4)变为

(5)

模型(5)有平衡点其中,

下面讨论各个平衡点的稳定性:

为什么会出现如此不同的结果呢?在实现目标的过程中,不同的孩子会呈现出不同的状态。在制订目标的时候,如果能够保证一定的成功率,那么就会改变很多孩子的成长状态。

为了方便起见,令

其特征值-akk0<0和-d<0.根据文献[5],平衡点是稳定的.

(2)对平衡点其相应的Jacobian矩阵是

其特征值λ1=-ak(k-k0),λ2=ck-d.根据文献[5],若平衡点是鞍点;若平衡点是稳定的.

(3)对平衡点其相应的Jacobian矩阵是

其特征值λ1=ak0(k-k0),λ2=ck0-d.根据文献[5],若平衡点是不稳定的;若平衡点是鞍点.

(4)对平衡点其相应的Jacobian矩阵是

相应的特征方程为

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模型(7)在原点处Jacobian矩阵为

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其中,k1是人工捕获麦蚜种群的捕获效率.

根据Hopf分岔理论,模型(5)在处发生Hopf分岔.

根据文献[9]可知,Hopf分岔又称为动态分岔,非线性系统的拓扑结构将发生变化,而这会导致系统在临界点处发生突变现象.因此,麦蚜种群模型(5)在平衡点处发生Hopf分岔并将发生突变.随后对这种情况进行控制,目的是为了消除麦蚜种群的突变现象.

3 控制器设计

对模型(5)做线性变换将模型(5)的平衡点移至原点得如下模型:

利用本文所提出的PPF算法和概率最优功率调度策略,对某地区的179个光伏发电机和170个常规发电机的配电网传输系统进行测试,所测试的配电网系统拓扑结构如图4所示。

(6)

对模型(6),如果自然界中的天敌种群不能达到调节麦蚜种群密度的目的,可以通过人工捕获麦蚜的方式控制麦蚜种群密度.相应的控制模型如下:

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(7)

特征根为

根据Hopf分岔理论,得如下定理1.

相应的特征根为

定理1 对模型(7),如果控制则模型Hopf分岔消失并且在原点处渐近稳定.

根据本项目的使用要求及沿线的气候、水文、地质等自然条件和交通量、材料等特点,结合新疆当地特色,遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、技术上可行、经济上合理的基本原则,进行路面结构方案的综合比选。

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进一步分析模型(7),根据Hopf分岔理论,如果在平衡点处发生Hopf分岔,那么参数满足的条件为

从而可得

百合(LiliiBulbus)来源于卷丹百合、百合、细叶百合3种的干燥鳞茎。中国是百合最主要的起源地,原产50余种,是百合属植物的自然分布中心。百合具有观赏、食用和药用等价值,有清心安神、滋阴润肺之功效,常见于中医方剂。百合科植物多选用分株、分球、扦插等方法培育繁殖,但经过分析比较发现百合的价值有所下降,严重会产生毒性。近年来开始选用植物组织培养的方式,在一定程度上缓解了这些问题,保障了品种的优质性[1]。然而在组织培养过程中,常出现污染、褐化和玻璃化等现象,对百合的培育造成很大影响。

(8)

根据式(8)可知,随着捕食效率k1的增大,模型(7)的转化数c将增大,即Hopf分岔的临界点将延后,由于转化系数c的改变使得麦蚜种群的增长速度渐缓,即使有Hopf分岔引起的突变现象发生,但其发生的时间延迟.综合上述得如下定理2.

定理2 对模型(7),如果控制

则模型(7)在原点附近仍然存在Hopf分岔,但其发生的时间延迟.

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4 数值仿真

对定理1,取k0=100,k=2 900,a=0.000 01,b=7,c=0.000 1,d=0.15,得状态反馈控制增益k1=0.8,其时间响应图见图1.

图1 定理1 中模型控制前后时间响应图

比较图1中的两图可以看出,通过人工捕获不仅消除麦蚜的突变现象,而且使麦蚜生态系统中的麦蚜种群数量保持在不损害作物的水平.

对定理2,取k0=100,k=2 900,a=0.000 01,b=5,c=0.000 2,d=0.3,得状态反馈控制增益k1=7.2,其相应的时间响应图见图2,图3.

图2 定理2中模型控制前时间响应图

图3 定理2中模型控制后时间响应图

比较图2和图3的局部图,对于控制前的麦蚜生态系统,在t≈5时蚜虫种群开始出现Hopf分岔导致的突变现象;对于控制后的麦蚜生态系统,在t≈10时蚜虫种群开始出现Hopf分岔导致的突变现象.这说明通过人工捕获可以使突变现象发生延迟,这对于处在灌浆期的麦田生态系统有着重要的意义.

本文采用两种控制方法,使麦蚜种群的突变现象消失.由仿真结果可知定理1的控制效果比定理2的控制效果好,但是在具体实施的过程中外界因素可能会对控制产生影响,所以要根据具体情况采用不同的方法进行控制.

参考文献

[1] Allee W C.Animal Aggregation:A Study in General Sociology[M].Chicago:University of Chicago Press,1931:431.

[2] 魏雪莹,赵立纯,刘敬娜.麦蚜种群模型的突变控制[J].鞍山师范学院学报,2017,19(6):13-16.

[3] 李文霞,许洪建.具有Allee效应的捕食-食饵模型的最优捕获问题[J].温州大学学报(自然科学版).2015,36(1):18-22.

[4] 付晓阅,刘超.具有Allee效应的食饵-捕食者模型的稳定性分析[J].生物数学学报.2012,27(4):639-644.

[5] 罗定军.动力系统的定性与分支理论[M].北京:科学出版社,2001.

[6] 刘素华.非线性系统Hopf分岔反馈控制[M].上海:复旦大学出版社,2015.

[7] Rianga Amarasekare.Allee Effects in Meta population Dynamics[J].The America Naturalist,1988,152(2):198-302.

[8] 侯文,顾长伟.累积比数Logistic回归模型及其应用[J].辽宁师范大学学报(自然科学版),2009,32(4):404-407.

[9] 赵新华,曹伟.基于突变理论的控制及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2013.

赵晓月,赵立纯,刘静娜,王欢
《鞍山师范学院学报》2018年第6期文献

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