【2024年数学建模美赛E题】O奖得主完整论文+代码（可直接用）！

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摘要

本研究旨在探究森林转变为农业用地对生态系统的影响，并通过建模评估农业政策的可持续性。研究问题分为三个关键部分：1）生态系统动态变化的建模；2）农业政策对生态系统稳定性的影响；3）可持续农业实践的优化建议。针对问题1，我们采用动态系统理论和生态学原理，构建了五个相互作用的子系统模型；针对问题2，运用数值模拟和敏感性分析方法评估政策效果；针对问题3，基于模型结果提出了具体的农业实践优化方案。

对于问题1，我们首先基于Logistic增长模型和Lotka-Volterra模型，分别建立了植物/作物子系统模型和昆虫/害虫子系统模型。植物/作物子系统的动态方程描述了植物生物量随土壤养分和季节性变化的增长过程，昆虫/害虫子系统的动态方程则描述了昆虫种群随植物生物量和捕食者数量的变化，在此基础上，我们进一步构建了鸟类/蝙蝠子系统模型、土壤子系统模型和人类决策子系统模型，分别描述了捕食者种群动态、土壤养分动态以及人类活动对昆虫死亡率的影响。通过Python软件，我们采用欧拉法和龙格-库塔法对模型进行了数值求解，并对模拟数据进行了验证。

对于问题2，我们采用敏感性分析方法，评估了关键参数（如农药使用量、作物轮作频率等）对生态系统稳定性的影响。通过数值模拟，我们发现农药使用量的增加会显著降低鸟类/蝙蝠子系统的稳定性，而作物轮作频率的提高则有助于维持土壤子系统的健康。基于这些结果，我们提出了减少农药使用、推广轮作制度的政策建议。

对于问题3，我们基于多子系统耦合模型的结果，提出了可持续农业实践优化模型。该模型结合了经济成本分析和生态效益评估，为农民提供了具体的实践建议，如引入天敌控制害虫、增加有机肥料使用等。通过对比优化前后的模型结果，我们发现优化模型在维持生态系统稳定性的同时，能够显著降低农业实践的经济成本，具有更高的可持续性。

在气候变化和极端天气事件频发的条件下，模型可以通过引入气候因子进行适当修改。虽然这一推广模型尚未深入研究，但其合理性和潜在应用价值为未来的研究提供了方向。

关键词：多子系统耦合模型；Logistic增长模型；Lotka-Volterra模型；敏感性分析；可持续农业实践