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2021年美国大学生数学建模竞赛A题M奖论文_3_22_translate1
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2022-08-03
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20页
1.1背景碳循环是地球上生命的重要组成部分。它描述了在整个地球的地球化学循环中的碳交换过程,并维持了大气中二氧化碳的平衡。碳循环的一部分包括化合物的分解,而这部
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团队#2113656
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1介绍
1.1背景
碳循环是地球上生命的重要组成部分。它描述了在整个地球的地球化学循环中的碳
交换过程,并维持了大气中二氧化碳的平衡。碳循环的一部分包括化合物的分解,而这
部分的关键成分是植物材料和木质纤维的分解。在自然界中,分解木质纤维的关键成分
是真菌。通过研究的背景,我们知道木质纤维的分解速率是由真菌的各种特性决定的。
在这个问题中,我们只关注蒲草的两个特性:生长速率和对水分的耐受性。
图1:碳循环的过程
.21.对问题的重述
我们的主要目的是研究真菌的生长速率和真菌对水分的耐受性对分解速率的影响,并
建立一个关于在一定土地上木质纤维分解的模型。为此,我们需要解决以下问题:
⚫ 建立一个数学模型来描述凋落物和木材纤维通过真菌活性的具体分解过程。
⚫ 在上述模型中,当存在许多不同种类的真菌,其生长速率和防潮性不同时,我们需要
纳入不同种类真菌之间的相互作用。
⚫ 在上述基础上,我们需要建立描述交互的模型
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在不同类型的真菌之间,以及在短期和长期趋势中相互作用的动态特征的不同表现应
该被描述和描述。当环境波动迅速时,我们需要测试模型的敏感度,确定大气趋势变
化的总体影响,以评估当地天气变化对模型的影响。
⚫ 我们需要预测每种物种和可能持续的物种组合持续一段时间的相对优势和劣势,并在
干旱、半干旱、温带、乔木和热带雨林的不同环境中这样做。
⚫ 分析了一个系统中真菌群落的多样性如何影响地面废物分解的整体效率。当当地环境
发生不同程度的变化时,可以预测生物多样性的重要性和作用。
⚫ 通过建立和解决上述模型,我们需要写一篇两页的文章来讨论我们理解真菌在生态系
统中发挥的作用的最新进展。
2.对该问题的分析
⚫ 基于米切利希方程,建立了符合负指数形式的凋落物衰减模型。从本文的数据来看,
植物材料和木质纤维的平均分解速率受到真菌(真菌)的生长速率和耐湿性的影响。
我们用幂函数和指数函数拟合了这组实验数据,发现了生长速率、抗湿度和平均分解
速率之间的等价关系。在此基础上,我们展示了剩余比例随时间的变化(单一物种)
(图6)。
⚫ 当各种真菌聚集在一起时,它们之间会有相互作用,主要是竞争。我们将不同物种的
分解过程分为短期和长期两种。我们认为,在短时间内,每种真菌可以独立分解凋
落物,将凋落物分解为多组作为个体之和。以五个组为例,我们展示了剩余比例的变
化(不同的物种,短期趋势)(图7)。
⚫ 在很长一段时间内,真菌竞争的结果可以通过菌丝延伸长度的稳定状态来衡量。基于
物流模型和Lotka-Volterr模型,我们建立了不同物种的竞争模型,并测量不同真菌
的分解贡献稳定优势物种下物种(图8),并显示了上述五的剩余比例的变化(不同
物种、长期趋势)(图9)。
团队#2113656
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⚫ 由于外部环境将决定群落的演替,我们分别考虑了全球变暖和气候变化对该模型的影
响。根据时间序列ARIMA(0,1,1),我们预测了2060年北美地区的年平均气温(图
12),为1。比2020年高2℃。我们发现,如此小的温度变化将导致五种物种中的3种
死亡(图13)。在干旱、半干旱、温带、树栖和热带雨林等不同环境下,种群的竞争
结果有所不同(图15)。
⚫ 考虑到真菌和不同的真菌组合,我们发现当延伸长度增加时,地面垃圾分解的总体效率
继续提高(表4)。对于单一真菌,环境的变化可能会导致生长速率大大降低,从而
阻碍分解。但对于多个群体,即使环境变化导致不同的稳定竞争结果,竞争也会减
少
图2:解决问题的想法
3假设
⚫ 在很短的时间内,生活在同一环境中的不同种类的真菌之间没有相互作用。在生长
的早期阶段,对于各种物种,营养物质、空间和溶解氧等资源都是足够的。因此,
在短期内,其他物种对真菌生长的不利影响可以忽略不计。
⚫ 不同种类真菌之间的相互作用仅等于竞争关系。当不同类型的真菌生活在同一环境中
时,它们之间存在着复杂的相互关系,如竞争、合作、共生等,但竞争是最重要和最
共同的关系,所以我们可以忽略其他类型的相互关系
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相互关系
[1]
.
⚫ 本文中使用的数据真实可信可靠。为了应用和求解已经建立的数学模型,我们收集了
34种真菌的相关数据
[2]
.为了保证结果的客观性和准确性,我们做出了这个假设。
4个符号
描述
定义
在t时刻的材料的质量
t
噬菌体延伸率
v
耐湿性
w
温度
T
湿度
S
平均分解率
k
5.真菌的分解过程
根据相关研究可知,真菌的某些性状决定了植物材料和木本纤维的分解速率。
图3:真菌的分解过程
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李多田
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