基于随机行走模式的玉米花粉扩散模拟研究

摘要

玉米作为世界同时也是我国的主要粮食作物之一，在生产中的地位举足轻重。早期的育种方法虽然培育了多个优秀品种，但有些缺点却始终无法突破。自上世纪80年代开始，发展迅速的转基因技术为育种提供了一条新的途径，转基因玉米的产业规模已达到全球第二。与此同时，转基因作物中的外源基因通过花粉传播转移到其它品种或转基因作物的近缘物种中，对这些品种或物种的遗传多样性以及自然界的生态平衡所造成的影响日益显现。本研究的主要目的是分析了解在大的气候背景下，应用拉格朗日随机行走模型对玉米花粉扩散进行模拟试验的基础上，揭示玉米花粉的扩散规律。通过对试验结果的统计分析，找出与模型有关的参变量，并对模型进行订正，提高模型的模拟效果。以模型为依据设置不同阈值下的安全隔离距离，减弱转基因作物对当地生态的影响，为下一步评估转基因作物种植的生态环境安全提供科学的分析依据和可靠的安全证实工具。
　　以南京和公主岭试验资料为基础，应用不同模型对结果进行模拟后，得出以下主要结论:
　　(1)玉米花期持续8-10天，散粉高峰期出现在花后的第2-6天，峰值出现在第2-4天。在逐时开花率方面，开花高峰期出现在上午11时以前，峰值一般出现在07-08时。在玉米开花散粉与主要气象因子的关系中，玉米开花的最适温度区间是22-26℃，峰值出现在24℃;最适宜湿度区间是65％-85％，峰值出现在75％，与前人的研究结果基本相同;最适宜的太阳短波辐射强度区间是在上午的100-400W/m2，极值出现在250W/m2左右，下午即使太阳短波辐射强度减弱，温度降低，但受低相对湿度影响，逐时开花率仍然很低。
　　(2)在利用正态分布模型对玉米花粉的模拟检验中，模型效果并不好。而根据数据统计建立的经验公式模型，不论是在散粉量的逐日变化走势上还是在极值大小及出现时间上，都表现出了较好的一致性。在利用气温和相对湿度对正态分布模型进行订正后，其拟合效果有较大提高。对于逐时开花率的三种模型，Poisson模型和调整参数后的正态模型相似，对极值的模拟结果偏小，而Weibull模型则偏大，在后期三者都趋近于零，小于实际观测结果。此外，在将模型应用到不同的种植区时，需要通过采集样本来重新订正模型的相关技术参数，以提高模型的准确率。
　　(3)随机行走模型能较好的模拟出花粉浓度在主流风向的下风方位近距离内的前期变化，但对花粉在不同气象条件下向外扩散的趋势及花粉浓度低值区的模拟上，效果有较大的差异:在静风或微风的弱气压场中，模拟效果偏大;而在较强风场中，模拟效果比较好，但是仍然与实际结果有一定的差距。利用随机行走模型计算出的花粉浓度比与实测基因漂流率之间的相关性较好，以此为依据建立的基因漂流率模型不仅能较好地模拟出公主岭试验的基因漂流率，在对溧水试验的模拟检验上，效果也比较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 相关研究进展

1．3．1 高斯模式

1．3．2 大气扩散相似模式

1．3．3 统计经验模式

1．3．4 K模式

1．4 研究思路

第二章 研究方案

2．1 研究区域概况

2．2 试验材料介绍

2．3 田间试验设计

2．3．1 公主岭、溧水试验设计

2．3．2 浦口试验设计

2．4 观测项目

2．4．1 花粉源强参数观测

2．4．2 玉米花粉浓度观测

2．4．3 基因漂流率观测

2．4．4 微气象观测

2．5 拉格朗日随机行走方法介绍

2．5．1 基本思路

2．5．2 理论介绍

2．5．3 确定模型中的参数

2．5．4 随机抽样

2．6 数据处理方法

2．7 模型的检验方法

第三章 玉米开花散粉变化规律及与气象影响因子的关系

3．1 同一播期下不同品种间的比较

3．1．1 逐日散粉量间的差异与分析

3．1．2 逐时开花率问的差异与分析

3．2 相同品种间不同播期下的比较

3．2．1逐日散粉量间的差异与分析

3．2．2 逐时开花率间的差异与分析

3．3 与气象因子的关系研究

3．3．1 开花率与温度、相对湿度的关系

3．3．2 开花率与太阳短波辐射强度的关系

3．4 结论

第四章 玉米花粉源区散粉规律模拟

4．1 对单株玉米逐日散粉量模型的建立

4．1．1 正态分布模型的建立及输出结果分析

4．1．2 统计经验模型及输出结果分析

4．1．3 对两模型输出结果的对比分析

4．2 逐日(时)开花率模型的建立

4．3 对玉米开花率其他形式模型的建立与分析

4．3．1 Poisson分布模型

4．3．2 Weibull分布模型

4．3．3 调整参数后的正态分布模型

4．4 花粉源强模型的建立及对主要气象因子的订正

4．5 本章小结

第五章 随机行走模式下玉米花粉扩散模型的建立与检验

5．1 模型对花粉浓度输出结果的分析

5．2 模型检验

5．2．1 对逐日模拟结果的检验分析

5．2．2 对不同方位下模拟结果的检验分析

5．2．3 对不同距离下模拟结果的检验分析

5．2．4 对基因漂流率模拟效果的检验分析

5．3 本章小结

第六章 结论与讨论

6．1 主要结论

6．2 特色与创新

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介